JP2002076507A

JP2002076507A - 周波数安定化半導体レーザ装置

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Publication number: JP2002076507A
Application number: JP2000263983A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Yanagawa; 勉柳川; Yoshihisa Sakai; 義久界; Hiroyuki Suzuki; 博之鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2002-03-15
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP4124555B2

Abstract

(57)【要約】【課題】周波数の安定化を、任意の周波数で行うことを
可能とする周波数安定化半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】マスターレーザ１２の発振周波数を吸収セ
ルによって絶対周波数に安定化する。その安定化したマ
スターレーザ１２の出力光とスレーブレーザ１３の出力
光との合波し検波した後のビート信号ｆ_BEATを得る。周
波数変換器２２にビート信号ｆ_BEAT及び基準発振器２４
からの信号を入力し、周波数変換器２２からの誤差信号
を周波数弁別器１６に入力する。周波数弁別器１６から
の出力をスレーブレーザ１３にフィードバックして、ス
レーブレーザ１３の発振周波数をマスターレーザ１２の
発振周波数にオフセットする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スレーブレーザの
発振周波数をマスターレーザの発振周波数にオフセット
ロックすることで、出力する光の発振周波数を安定化す
る周波数安定化半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ（ＬＤ）を用いて周波数安
定化光源を得る周波数安定化半導体レーザ装置の従来技
術としては、例えば、図１〜図４に示す構成のものがあ
る。図１及び図２に示す装置は、原子や分子の吸収線
（遷移）を周波数基準に用いるもの、つまり、半導体レ
ーザ１からの出力光を吸収セル３，４（特定の気体を封
入した容器）に入射すると上記気体に固有の周波数を有
する光が吸収されることを利用して、半導体レーザ１か
らの出力光が上記気体に固有の周波数に一致するよう
に、半導体レーザ１をフィードバック制御することで、
出力する光の周波数の安定化を図るものである。

【０００３】すなわち、図１に示す装置では、半導体レ
ーザ１が、発振器２からの位相基準信号によって周波数
変調された光を発振する。発振された光は、線形吸収セ
ル３を透過する際に固有の周波数の光が吸収された後
に、受光器５（光検波手段）に入力され、該受光器５で
電気信号に変換される。その電気信号は、ロックインア
ンプ６によって上記位相基準信号を基準に同期検波され
て、フィードバック回路７に出力される。フィードバッ
ク回路７は、その同期検波された信号が一定になるよう
に、上記半導体レーザ１の駆動電流等を制御する。発振
周波数の安定化された半導体レーザ１の光は、不図示の
分岐手段を介して出力される。

【０００４】図２の装置は、上記線形吸収セル３の代わ
りに、非線形吸収セル４を利用したものであり、原理は
図１の装置と同様である。ここで、符号８は偏光ビーム
スプリッタを、符号９はλ／４板を、符号１０はミラー
を示す。また、図３の装置は、上記吸収セル３の代わり
に、ファブリペロー干渉計やリング共振器等の光共振器
１１を周波数基準としたものである。すなわち、光共振
器１１が有する光学特性の極値に対応する特定の周波数
を基準とし、当該特定の周波数に半導体レーザ１の発振
周波数を安定化させるものである。

【０００５】また、図４の装置は、マスターレーザ１２
の発振周波数にスレーブレーザ１３の発振周波数を追従
させて周波数を安定化させるものである。すなわち、周
波数基準となるマスターレーザ１２からの出力光と、ス
レーブレーザ１３からの出力光とをビームスプリッタ１
４で合波させ、その合波させた光を受光器１５に入力す
る。該受光器１５は、両出力光の周波数の差の周波数を
有するビート信号（電気信号）を周波数弁別器１６を介
してフィードバック回路７に出力し、上記ビート信号に
基づき、スレーブレーザ１３からの出力光の周波数を、
マスターレーザ１２からの出力光の周波数に追従制御し
て、スレーブレーザ１３からの出力光の周波数の周波数
を、マスターレーザ１２からの出力光の周波数から所定
周波数だけオフセットした周波数に安定化させる。な
お、基準周波数から一定の周波数だけずらした発振周波
数に安定化する上記制御方法をオフセットロック法と呼
んでいる。

【０００６】ここで、周波数基準自体の安定度、あるい
はその中心周波数は、図１及び図２以外の装置では温度
や機械的な環境条件によって一定ではない。つまり、図
１や図２の装置が絶対周波数への安定化を目指している
のに対し、図３や図４の装置構成では、相対的な基準周
波数への追従度の向上を図っている。また、図１〜図３
の装置では、すべて周波数基準近傍で周波数弁別特性を
得るため、半導体レーザ１の中心周波数に微少な周波数
変調を施す直接周波数変調方式を採用した例であるが、
図５〜図７に示すように、外部変調器１７を使用して半
導体レーザ１の出力光に変調を加えても良い。図５〜図
７では、外部変調器１７として、音響光学素子（Ａ
Ｏ）、電気光学素子（ＥＯ）を用いた場合の例を示して
いる。また、図８に示すように、マスターレーザ１２
は、半導体レーザ１に限定されない。なお、外部共振器
型半導体レーザは外部鏡による変調が可能であることか
ら、敢えて図８におけるマスターレーザの対象となる。

【０００７】上記全ての装置において、周波数安定化で
不可欠な条件は、レーザの発振周波数が、図９に示すよ
うに、周波数基準の中心周波数ｆ_cを零点とする帰還周
波数幅内で、好ましくはハッチングで示した領域にある
周波数弁別幅内で一致していなければならないというこ
とである。ここで、上記図３の装置では、干渉計のミラ
ー間隔や光路長などで容易に周波数基準の中心周波数を
変えることができ、図４の装置ではマスターレーザ１２
自体の発振周波数を変更することで基準周波数を変える
ことができるが、図１の装置及び図２の装置では、縮退
準位における電磁場スプリッティングがなければ変更で
きない。

【０００８】すなわち、図１や図２の装置では、絶対周
波数に安定化でき当該絶対周波数で発振するレーザ光は
得られるものの、限られた原子や分子の吸収線における
離散的な周波数にしか安定化させることができないとい
う問題がある。これに対して、図３や図４の装置では、
上述のように周波数基準の中心周波数をレーザの発振周
波数に近づけることが可能なので、レーザの発振周波数
領域内でありさえすれば、原理的にはどの周波数にもレ
ーザの発振周波数を安定化することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３や
図４の装置であっても、あくまでもレーザの発振周波数
は、周波数基準の周波数に追従するように制御されるだ
けであり、追従の安定化が高精度に達成されたとして
も、周波数の安定度は、周波数基準の安定度に影響し当
該周波数基準の安定度に応じたふらつきを取り除くこと
はできない。

【００１０】また、図３の装置では周波数基準で決定さ
れている限られた周波数間隔の各々の中心周波数でしか
安定化ができないという問題がある。また、図４の装置
では、マスターレーザ１２とスレーブレーザ１３との発
振周波数の差が、受光器１５の周波数帯域内に収まり、
かつ周波数弁別器１６の零点周波数ｆ_cに一致する周波
数でしか安定化できないという欠点をもっている。すな
わち、受光器１５の周波数帯域などによってマスターレ
ーザ１２の発振周波数からの周波数のオフセット量が制
限され、且つ、周波数弁別器１６の零点周波数ｆ_cにオ
フセット周波数が限定されてしまい。任意のオフセット
周波数に設定してオフセットロックを行うことができな
いという問題がある。

【００１１】なお、周波数安定化に用いるフィードバッ
ク回路の信号は、フィードバックの対象が半導体レーザ
１であれば直接注入電流とともに負帰還が可能になる。
また、外部共振器型の半導体レーザや他のレーザをフィ
ードバックの対象とする場合には、共振器を構成するミ
ラーやグレーティング、あるいは共振器内に設置された
ガラスブロック、干渉計、変調器、フィルタなど、光路
長や光の位相に変調がかけられるものにフィードバック
信号が負帰還される。これにより、周波数の安定化が達
成されることになる。

【００１２】本発明は、以上のような点に着目してなさ
れたもので、従来では限られた周波数でしか行えなかっ
た周波数安定化を、任意の周波数で行うことを可能とす
る周波数安定化半導体レーザ装置を提供することを課題
としている。これによって、等周波数間隔で同時安定化
が可能な半導体レーザ装置を実現可能となったり、多波
長一括周波数安定化法を供給し、ＷＤＭ用のコム周波数
安定化光源を実現可能となったりする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明のうち請求項１に記載した発明は、基準とな
るマスターレーザと、スレーブレーザと、上記マスター
レーザからの出力光とスレーブレーザの出力光とを合波
する光合波手段と、該光合波手段で合波された信号を検
波してビート信号を出力する光検波手段と、スレーブレ
ーザの発振周波数がマスターレーザの発振周波数から所
定周波数だけオフセットした周波数となるように、上記
ビート信号に基づきスレーブレーザの発振周波数をマス
ターレーザの発振周波数に追従制御する追従制御手段と
を備えた周波数安定化半導体レーザ装置において、上記
追従制御手段は、オフセット周波数信号を出力する基準
発振器と、基準発振器からの信号と上記ビート信号とを
入力する周波数変換器と、周波数変換器の出力を入力す
る周波数弁別器と、周波数弁別器が出力する誤差信号を
スレーブレーザにフィードバックするフィードバック回
路とを備えることを特徴とするものである。

【００１４】次に、請求項２に記載した発明は、請求項
１に記載した構成に対し、上記マスターレーザの発振周
波数を、原子や分子の遷移を利用した１次周波数基準に
安定化する基準出力光安定化手段を備えることを特徴と
するものである。ここで、上記原子や分子の遷移を利用
した１次周波数基準とは、例えば公知の吸収セルにおけ
る吸収線である。

【００１５】次に、請求項３に記載した発明は、請求項
１に記載した構成に対し、上記マスターレーザを、第１
マスターレーザと第２マスターレーザとから構成し、上
記光合波手段は、第２マスターレーザの出力光とスレー
ブレーザの出力光を合波する構成にすると共に、上記第
１マスターレーザの発振周波数を、原子や分子の遷移を
利用した１次周波数基準に安定化する基準出力光安定化
手段と、光共振器で構成される２次周波数基準と、２次
周波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波数のいず
れか一つを第１マスターレーザの発振周波数に安定化す
る２次周波数基準安定化手段と、上記第２マスターレー
ザの出力光の発振周波数を、上記２次周波数基準の光学
特性の極値を示す複数の周波数のいずれか一つに安定化
する２次基準出力光安定化手段とを備えることを特徴と
するものである。

【００１６】次に、請求項４に記載した発明は、上記請
求項１〜請求項３のいずかの構成からなる複数の周波数
安定化半導体レーザ装置の組からなり、各組におけるマ
スターレーザの出力光とスレーブレーザの出力光とは、
それぞれ光合波手段を構成する光ファイバカップラで合
波されることを特徴とする周波数安定化半導体レーザ装
置を提供するものである。

【００１７】次に、請求項５に記載した発明は、第１マ
スターレーザと、複数の第２マスターレーザと、複数の
スレーブレーザと、光共振器からなる２次周波数基準
と、２次周波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波
数のいずれか一つを第１マスターレーザの発振周波数に
安定化する２次周波数基準安定化手段と、上記複数の第
２マスターレーザの出力光の発振周波数を、上記２次周
波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波数のそれぞ
れに安定化する２次基準複数出力光安定化手段と、上記
複数の第２マスターレーザの出力光と上記複数のスレー
ブレーザの出力光とをそれぞれ合波する複数の光合波手
段と、各光合波手段からビート信号に基づき対応するス
レーブレーザの発振周波数を対応する第２マスターレー
ザの発振周波数に追従制御する複数の追従制御手段とを
備え、上記各追従制御手段は、それぞれ、オフセット周
波数信号を出力する基準発振器と、基準発振器からの信
号と上記ビート信号とを入力する周波数変換器と、周波
数変換器の出力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別
器が出力する誤差信号をスレーブレーザにフィードバッ
クするフィードバック回路とを備えることを特徴とする
周波数安定化半導体レーザ装置を提供するものである。

【００１８】次に、請求項６に記載した発明は、第１マ
スターレーザと、複数の第２マスターレーザと、複数の
スレーブレーザと、上記複数の第２マスターレーザから
の出力光を合波する第１のＡＷＧ波長合分波器と、第１
のＡＷＧ波長合分波器の出力を入力し２次周波数基準を
構成する第２のＡＷＧ波長合分波器と、上記第１のＡＷ
Ｇ波長合分波器の出力を入力する第３のＡＷＧ波長合分
波器と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器の透過周波数を
第１マスターレーザの発振周波数に安定化する合分波器
安定化手段と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器の複数の
透過周波数に基づき上記各第２マスターレーザの出力光
の発振周波数を安定化させる第２の２次基準複数出力光
安定化手段と、上記第３のＡＷＧ波長合分波器から出力
される複数の出力光と対応するスレーブレーザからの出
力光とをそれぞれ合波する複数の光合波手段と、各光合
波手段からビート信号に基づき対応するスレーブレーザ
の発振周波数を対応する第２マスターレーザの発振周波
数に追従制御する複数の追従制御手段とを備え、上記各
追従制御手段は、それぞれ、オフセット周波数信号を出
力する基準発振器と、基準発振器からの信号と上記ビー
ト信号とを入力する周波数変換器と、周波数変換器の出
力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出力する
誤差信号をスレーブレーザにフィードバックするフィー
ドバック回路とを備えることを特徴とする周波数安定化
半導体レーザ装置を提供するものである。

【００１９】本発明によれば、周波数変換器及び周波数
弁別器を設けることで、オフセットロックする周波数
を、周波数弁別器の零点周波数と一致しない任意の周波
数とすることが可能となる。すなわち、周波数変換器に
より、ビート信号を基準発振器からの信号を用いて周波
数弁別器の零点周波数近傍に周波数変換してから周波数
弁別器に入力するようにしたので、その周波数変換器か
らの誤差信号が周波数弁別器の零点周波数に安定化する
ように、周波数弁別器の出力が一定となるようにフィー
ドバック制御されることで、任意のオフセット周波数で
安定化が可能となる。

【００２０】ここで、基準発振器から出力するオフセッ
ト周波数信号の周波数が、マスターレーザの周波数から
オフセットするオフセット周波数となる。このとき、請
求項２に記載の発明によれば、直接変調、外部変調を問
わず周波数変調（あるいは位相変調）された光を、周波
数１次基準としての原子や分子の吸収線を介して位相検
波することにより得られる周波数誤差信号をフィードバ
ック信号として用いて絶対周波数に安定化されたマスタ
ーレーザの発振周波数を基準として、スレーブレーザの
発振周波数を追従させてオフセットロックすることにな
る。すなわち、基準となるマスターレーザの発振周波数
が安定化する。

【００２１】また、請求項３に記載の発明によれば、上
記周波数１次基準の使用できる周波数が少数の場合であ
っても、その１次周波数基準に安定化された第１マスタ
ーレーザの出力光で安定化した２次周波数基準を得るこ
とができる。光共振器からなる２次周波数基準は、周期
的に複数の基準となる周波数を有するので、所望の広い
周波数帯域全体に亘って、スレーブレーザを安定化する
ための安定した複数の周期的な基準周波数を得ることが
できる。

【００２２】ここで、分子や原子の遷移によって、絶対
周波数基準からなる周波数基準が所望の広い周波数帯域
全体に渡って多数得られる場合（Ａ）と、絶対周波数基
準からなる周波数基準が１本ないし数本といった少数し
かないような場合（Ｂ）の双方がある。このとき、周波
数基準が多数得られる場合（Ａ）であっても、従来にあ
っては、周波数弁別器の零点周波数を、これまでは任意
の周波数にできず、限られた周波数でしか安定化ができ
なかった。

【００２３】これに対して、請求項２の発明によれば、
図１０に示したように原子や分子の吸収線のように周波
数基準が多数得られる場合には、これらのうちの一つの
周波数に安定化された絶対周波数に安定化したマスター
レーザの出力を多数入手できるると同時に、請求項１に
記載した作用により、隣り合う周波数基準の間で当該所
定の周波数基準から任意にオフセットさせた周波数でス
レーブレーザの発振周波数をオフセットロックすること
が可能となる。これによって、隣り合う周波数基準の間
隔が設定可能なオフセット周波数内であれば、いずれの
周波数においても安定化が可能になる。

【００２４】また、周波数基準が少数しか得られない場
合（Ｂ）には、請求項３に記載した発明が好適である。
この場合、周波数基準とマスターレーザの発振周波数と
の周波数差に応じて、空白の周波数を埋める２次周波数
基準が必要となる。この状態を図１３に示した。

【００２５】すなわち、請求項３では、まず、絶対周波
数に安定化されたマスターレーザの出力光を２次周波数
基準に入力し、この２次周波数基準をマスターレーザに
安定化する。第２マスターレーザをこの２次周波数基準
に入力し、２次基準の一定間隔の透過あるいは反射特性
の極点のうちの所望の周波数に安定化する。この段階
で、２次周波数基準の使用波長帯で、一定の周波数間隔
での第２マスターレーザの発振周波数の安定化が達成で
きる。次にスレーブレーザを準備し、第２マスターレー
ザとのビートをとり、このビートと基準発振器の信号と
で周波数変換を行い、周波数弁別器の使用周波数におい
てＦＭ−ＡＭ変換を行い、スレーブレーザの第２マスタ
ーレーザに対する周波数誤差信号をフィードバック帯域
にまで低周波化する。この低周波化された誤差信号をス
レーブレーザにフィードバックすることにより、任意周
波数でオフセットロックが実現できる。

【００２６】以上を周波数基準の中心周波数とレーザの
発振周波数との関係で図示したのが、上述の図１３であ
る。ここで、第２マスターレーザの安定化に関して、２
次周波数基準への安定化の前にビート信号を利用した安
定化を行うこともできるが、２次基準の安定化に関し
て、所望の安定化周波数が厳密になればなる程、周波数
の微調整が必要になる。この場合は、スレーブレーザを
２次基準に安定化した後にも新たに安定化を施した第２
のスレーブレーザが必要となる場合がある。

【００２７】以上のように、これまで限られた周波数で
しか実現できなかった周波数安定化半導体レーザ装置
を、絶対周波数で発振するマスターレーザに２次周波数
基準や基準発振器からの信号を介してスレーブレーザを
オフセットロックすることにより、所望の周波数での絶
対周波数からのオフセットロックした周波数安定化半導
体レーザ装置が実現できる。

【００２８】第１マスターレーザの発振周波数は、原
子、分子の吸収線を用いた絶対周波数に安定化され、第
２マスターレーザの発振周波数は、第１マスターレーザ
の発振周波数から、２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００Ｇ
Ｈｚ程度の２次周波数基準で決まる一定間隔の制限で利
用できる任意周波数にオフセットロックされる。ここ
で、スレーブレーザの発振周波数は、基準発振器を利用
することにより任意の周波数に設定できるが、スレーブ
レーザのフィードバック回路に必要なビート信号の周波
数変換器の帯域と、第２マスターレーザとスレーブレー
ザのビートを観測する受光器の周波数帯域で制限される
ことになる。しかしながら、受光器の周波数帯域は６０
ＧＨｚ程度が可能なので、周波数変換器や周波数弁別器
に用いるミキサーの帯域がむしろ現実には問題となる。
ミキサー帯域が一般には２０ＧＨｚ程度なので、２次周
波数基準の選定を考慮すれば、文字どおり任意周波数で
のオフセットロックが実現できる。

【００２９】勿論、それぞれのレーザの出力光は、分岐
をしてやりさえすれば独立に使用できる。したがって、
各々のレーザの組み合わせは、そのままＤＷＭ通信に不
可欠なコム周波数光源となる。請求項４〜請求項６のい
ずれかの発明を使用することで、コム周波数各々が絶対
周波数からオフセットロックされることにより、従来得
られなかった周波数精度、確度が実現されることにな
る。

【００３０】また、ＬｉＮｂＯ３に代表されるような疑
似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子を用いてコム周波数
を構成することも可能であるが、この場合、励起光と信
号光の周波数安定化が不可欠となる。本発明はこの要求
にも答えることになる。ちなみに、マスターレーザを光
スイーパにしたい場合は、オフセットロックがかかる状
態ではスレーブレーザはマスターレーザに追随するだけ
になる。勿論、オフセットロック時に使用する基準発振
器の発振周波数を掃引しても同様の結果が得られる。む
しろこの場合にはオフセットロックの周波数が変化する
だけで、周波数基準は絶対周波数から発生させているこ
とになる。

【００３１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の第１実施形態につ
いて図面を参照しつつ説明する。なお、上記従来例と同
様な部品については同一の符号を付して説明する。図１
１は、本実施形態の周波数安定化半導体レーザ装置の構
成を示す図であり、マスターレーザ１２の出力光を安定
化する基準出力光安定化手段Ａと、スレーブレーザ１３
の出力光を、マスターレーザ１２の出力光に追従させて
オフセットロックする追従制御手段Ｂとを備える。

【００３２】マスターレーザ１２の出力光は、ビームス
プリッタ２１によって分光され、一部がスレーブレーザ
１３側の追従制御手段Ｂに入力されると共に、残りの光
が基準出力光安定化手段Ａに入力される。基準出力光安
定化手段Ａは、発振器２、外部変調器１７、１次周波数
基準を構成する線形吸収セル３、受光器５、ロックイン
アンプ６、フィードバック回路７を備える。

【００３３】上記外部変調器１７は、音響光学変調器
（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成される。
その外部変調器１７は、発振器２からの位相基準信号に
基づき、入力したマスターレーザ１２の出力光を、周波
数変調あるいは位相変調して周波数基準の中心周波数近
傍で微少変調させ、その変調させた変調信号を、線形吸
収セル３に出力する。外部変調器１７からの光は、線形
吸収セル３を透過する際に固有の周波数の光が吸収され
た後に、受光器５（光検波器）に入力され、該受光器５
で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックイン
アンプ６によって上記位相基準信号を基準に同期検波さ
れて、フィードバック回路７に出力される。フィードバ
ック回路７は、その同期検波された信号が一定になるよ
うに、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：Ｄ）を
行い上記マスターレーザ１２の駆動電流等を制御する。
これによって、マスターレーザ１２の出力光は、線形吸
収セル３で特定される所定の絶対周波数に安定化され
る。

【００３４】ここで、上記説明では、ロックインアンプ
６を使用した例であるが、ミキサーとフィルタを用いて
位相検波器を構成しても良い（Ｔ．Ｙａｎａｇａｗａ，
Ｓ．Ｓａｉｔｏ，Ｓ．Ｍａｃｈｉｄａ，Ｙ．Ｙａｍａｍ
ｏｔｏ，ａｎｄＹ．Ｎｏｇｕｃｈｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ．４７，１０３６（１９８５）参照）。

【００３５】また、上記吸収セル３の気体としては、吸
収線が多数とれるもの、つまり周波数基準が多数得られ
る気体を採用すると良い。周波数基準が多数得られる
と、これらのうちの所望の一つの周波数に安定化するこ
とで周波数安定化用のマスターレーザ１２の出力光を多
数入手できる。この結果、隣り合う周波数基準の間でス
レーブレーザ１３のオフセットロックができれば、いず
れの周波数においても安定化が可能になる。

【００３６】上記のような吸収セル用の気体としては、
例えばアセチレンガス（¹²Ｃ₂Ｈ₂）や同位体置換アセ
チレンガス（¹³Ｃ₂Ｈ₂）が例示できる。表１に、セル
長１０ｃｍ、ガス圧１３３３Ｐａの条件下で実測したア
セチレンガス（¹²Ｃ₂Ｈ₂）及び同位体置換アセチレン
ガス（¹³Ｃ₂Ｈ₂）の吸収線の値（測定波長領域は、１
５３５．０〜１５３５．５ｎｍである）を示す。また、
表２に、１．５５μｍ帯における¹³Ｃ₂Ｈ₂の吸収線を
示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】これら吸収線毎の周波数差は、後述の周波
数変換器２２や周波数弁別器１６を構成するミキサーと
して帯域２０ＧＨｚのミキサーを用いる場合は、４０Ｇ
Ｈｚまでの間隔までであるなら、任意周波数でオフセッ
トロックが可能である。２０−２１、２２−２３、２３
−２４、２４−２５、２５−２６間は４０ＧＨｚを越え
る周波数差があるので、これらの間については、その間
隔に対応する広さの帯域がを有するミキサーを採用する
か、そうでなければ、後述の第２実施形態の装置を採用
するか、本実施形態の基準周波数の安定化の手法を繰り
返すせざるを得ない。また、これらの波長より長波側で
は、¹²Ｃ₂Ｈ₂や¹³Ｃ₂Ｈ₂の吸収がないため、アセチ
レンを基本にするシステムでは後述の第２実施形態の装
置に頼らざるを得ない。

【００４０】なお、シアンガス（Ｈ¹²ＣＮ、Ｈ¹³ＣＮ）
も１．５μｍ帯（１．５１９８〜１．５６７４μｍ）に
多数の吸収量の大きい吸収線を有しており（Ｈ．Ｓａｓ
ａｄａａｎｄＫ．Ｙａｍａｄａ，Ａｐｐ１．Ｏｐ
ｔ．２４，３５３５（１９９０）参照）、本実施形態の
手法に使用可能である。したがって、後述の第２実施形
態で述べるＷＤＭ用コム周波数安定化光源に好適のガス
であるが、毒性の強いガスであるので、取扱いには注意
を要する。

【００４１】次に、追従制御手段Ｂについて説明する
と、マスターレーザ１２からの出力光とスレーブレーザ
１３の出力光を合波するビームスプリッタ１４（光合波
手段）と、ビームスプリッタ１４が合波した光して電気
信号（ビート信号）に変換（検波）する受光器１５（検
波手段）と、オフセット周波数信号を発振する基準発振
器２４と、上記受光器１５が検波したビート信号と基準
発振器２４からのオフセット周波数信号と入力する周波
数変換器２２と、周波数変換器２２の出力をバンドパス
フィルタ２５を介して入力する周波数弁別器１６と、周
波数弁別器１６の出力を入力し当該入力値に応じたフィ
ードバックをスレーブレーザ１３に行うフィードバック
回路２０とから構成される。

【００４２】本実施形態の上記周波数変換器２２は、ミ
キサー２２ａから構成されて、周波数誤差信号Δｆ（
＝ｆ_BEAT −ｆ_SY）を出力する。すなわち、周波数変換
器２２は、基準発振器２４の基準周波数（基準周波数か
らのオフセット量）を用いて、ビート信号を周波数弁別
器１６の零点周波数ｆ_C近傍の周波数に周波数変換す
る。

【００４３】ここで、マスターレーザ１２の発振周波数：ｆ_MA スレーブレーザ１３の発振周波数：ｆ_SL ビート信号の周波数：ｆ_BEAT＝｜ｆ_MA −ｆ_SL
｜周波数弁別器１６の零点周波数：ｆ_C 基準発振器２４の発振周波数：ｆ_SY である。

【００４４】周波数弁別器１６は、周波数変換器２２か
らの周波数誤差信号を、ＦＭ−ＡＭ変換する。変換した
ＡＭ誤差信号は、フィードバック回路２０を介してスレ
ーブレーザ１３にフィードバックされる。本実施形態の
周波数弁別器１６は、ミキサ１６ａ及び遅延回路１６ｃ
（遅延線）を備え、入力した信号を方向性結合器１６ｂ
により分岐し、一方の信号をそのままミキサ１６ａに入
力すると共に分岐した他の信号は遅延回路１６ｃを介し
て上記ミキサ１６ａに入力する構成となっている。

【００４５】ここで、上記各受光器５，１５としては、
例えば当該受光器のフォトダイオード（ＰＤ）の帯域が
６０ＧＨｚ程度のものを使用する。上記追従制御手段Ｂ
では、基準発振器２４からのオフセット周波数信号に基
づきビート信号ｆ_BEATを周波数変換した周波数誤差信号
Δｆを周波数弁別器１６に入力することにより、任意の
周波数へのオフセットロックを容易に実現することがで
きる。

【００４６】そして、オフセットロックされたスレーブ
レーザ１３の発振周波数は上述の式に従う。つまり、マ
スターレーザ１２及びスレーブレーザ１３の各発振周波
数の差周波信号であるビート信号ｆ_BEATの周波数と基準
発振器２４の発振周波数（基準信号）との差である周波
数誤差信号△ｆを周波数変換器２２から発生させ、周波
数弁別器１６の零点周波数ｆｃに安定化させてやること
で、スレーブレーザ１３の発振周波数は、絶対周波数に
安定化されたマスターレーザ１２の発振周波数から、オ
フセット周波数だけオフセットした任意の周波数で安定
化できる。

【００４７】ただし、各々の周波数ｆ_MA、ｆ_SL、
ｆ_BEAT、ｆ_SYの関係で、周波数弁別特性の極性を変えね
ばならない。図９に示す特性では、（１）ｆ_SL＞ｆ_MA、
且つｆ_BEAT＞ｆ_SY、若しくは（２）ｆ_SL＜ｆ_MA、且つｆ
_BEAT＜ｆ_SYの場合に有効である。これ以外では、図９の
逆特性が必要になる。すなわち、（３）ｆ_SL＜ｆ_MA、且
つｆ _BEAT＞ｆ_SY、若しくは（４）ｆ_SL＞ｆ_MA、且つｆ
_BEAT＜ｆ_SYの場合には、図１７に示す実測値のような周
波数弁別特性を有するダブルバランスドミキサからなる
周波数弁別器１６が必要となる。

【００４８】ここで、上記ミキサ１６ａ及び遅延回路１
６ｃを使用した周波数弁別器１６の動作について説明す
る。周波数変換器２２から出力され、周波数弁別器１６
に入力される信号をｃｏｓ（ω０・ｔ）とすると、遅延
回路１６ｃを用いる場合のミキサ１６ａ動作は、遅延位
相をφとして低周波側のみの出力を利用し、かつ周波数
弁別器１６の出力をＶとすると、Ｖ＝ｃｏｓ（ω０・ｔ）・ｃｏｓ（ω０・ｔ＋φ）＝［ｃｏｓ（２ω０・ｔ＋φ）＋ｃｏｓφ］／２〜（ｃ
ｏｓφ）／２となる。

【００４９】つまり、遅延位相φだけで周波数弁別特性
が決定される。遅延位相φは入力側の周波数に依存する
ため、そのままＦＭ−ＡＭ変換器として使用できること
になる。すなわち、遅延回路１６ｃの長さをｄ、屈折率
をｎ、電気の真空中の波長をλ、周波数をｆ、光の真空
中の速度をｃとすると、 φ＝２πｎｄ／λ＝２πｎｄｆ／ｃとなる。

【００５０】所望の周波数弁別特性の零点周波数をｆ_c
とすると、 φ＝２πｎｄｆ_c／ｃ＝（π／２）＋ｍπ （ｍ：
整数）と表される。したがって、例えば７５０ＭＨｚを零点周
波数ｆ_cにし、細工のしやすい長さの遅延回路１６ｃの
構成を考えると、φ＝３π／２が都合よく、ｄ＝３ｃ／４ｎｆ_c〜１８（ｃｍ）となる。これが図１７の結果を与えている。

【００５１】ここで、温度と電流を変化させて１．５５
１μｍで発振する半導体レーザ１を２つ準備し、一方を
吸収線に安定化させてマスターレーザ１２とし、他のレ
ーザをスレーブレーザ１３とした。これによりアラン分
散の平方根の値がマスターレーザ１２では〜１０^-11と
なり、これにスレーブレーザ１３を安定化させてみると
〜１０^-10が得られた。１．５５０μｍにおいてもほぼ
同様の結果が得られた。

【００５２】この場合、零点周波数ｆ_cは方向性結合器
１６ｂの帯域に合わせており、変更は可能である。利用
可能なビート周波数の帯域は、ミキサ１６ａ、基準発振
器２４、受光器１５の帯域に制限されることになり、現
状ではミキサ１６ａで決定され、２０ＧＨｚ程度までで
ある。表１および表２では、１，５３２μｍ帯、１．５
５μｍ帯での吸収線実測値を示したが、¹²Ｃ₂Ｈ₂の吸
収線は１．５１〜１．５４μｍで、¹³Ｃ₂Ｈ₂の吸収線
は１．５２〜１．５５μｍで各々５０数本が同じ条件で
観測された。

【００５３】それぞれの周波数で安定化されたマスター
レーザ１２に、本発明に基づく実施形態で示した手法で
スレーブレーザ１３をオフセットロックすると、１．５
１〜１．５５μｍの任意周波数で周波数安定化光源が実
現できる。なお、吸収線の間隔が、ミキサ１６ａの帯域
を越える場合は、スレーブレーザ１３にオフセットロッ
クする別のスレーブレーザ１３を用いる。簡便にはこれ
を繰り返してもよいが、むしろ後に示す２次周波数基準
を用いるのが望ましい。

【００５４】ここで、上記実施形態の基準出力光安定化
手段Ａでは、線形吸収セル３の吸収線の周波数にマスタ
ーレーザ１２の出力光を安定化する場合で例示している
が、図１２に示すような構成で基準出力光安定化手段Ａ
を構成して、非線形吸収セル４の吸収線の周波数にマス
ターレーザ１２の出力光を安定化するようにしても良
い。

【００５５】また、上記実施形態では、外部変調器１７
で変調しているが、マスターレーザ１２の中心周波数に
微小な周波数変調を施す直接周波数変調を施す直接周波
数変調方式を採用しても良い。また、上記実施形態で
は、マスターレーザ１２の出力光を基準出力光安定化手
段Ａで安定化させているが、基準出力光安定化手段Ａで
安定化させなくても良い。但し、基準出力光安定化手段
Ａで安定化させないと、その分、スレーブレーザ１３の
出力光の安定度が悪くなる。

【００５６】次に、第２実施形態を図面を参照しつつ説
明する。なお、上記実施形態等と同様な部品などについ
ては同一の符号を付して説明する。本実施形態は、図１
３に示したような、吸収セル３による絶対周波数基準が
多数得られない場合や、多数の絶対周波数基準が得られ
ても当該絶対周波数基準間隔が広くその位置における周
波数の離れた位置で安定化光源が必要な場合に好適な装
置である。

【００５７】図１４は、本実施形態の装置構成を示す図
であって、マスターレーザ１２が第１マスターレーザ３
０と第２マスターレーザ３１とから構成され、第１マス
ターレーザ３０の出力光を安定化させる基準出力光安定
化手段Ａと、ファブリペロ干渉計やリング共振器などの
光共振器から構成される２次周波数基準３９と、２次周
波数基準安定化手段Ｃと、２次基準出力光安定化手段Ｄ
と、スレーブレーザ１３の出力光をマスターレーザ１２
の出力光に追従させてオフセットロックする追従制御手
段Ｂとを備える。

【００５８】基準出力光安定化手段Ａは、上記第１実施
形態と同様の構成であって、発振器２、外部変調器１
７、線形吸収セル３、受光器５、ロックインアンプ６、
フィードバック回路７を備える。外部変調器１７は、音
響光学変調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から
構成されて、発振器２からの基準信号に基づき、入力し
た第１マスターレーザ３０の出力光を、周波数変調ある
いは位相変調して周波数基準の中心周波数近傍で微少変
調させ、その変調させた変調信号を参照信号として、線
形吸収セル３に出力する。外部変調器１７からの光は、
線形吸収セル３を透過する際に固有の周波数の光が吸収
された後に、受光器５（光検波器）に入力され、該受光
器５で電気信号に変換される。その電気信号は、ロック
インアンプ６によって上記位相基準信号を基準に同期検
波されて、フィードバック回路７に出力される。フィー
ドバック回路７は、その同期検波された信号が一定にな
るように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：
Ｄ）を行い上記第１マスターレーザ３０の駆動電流等を
制御する。これによって、第１マスターレーザ３０の出
力光は、線形吸収セル３で特定される周波数基準（原子
や分子の吸収線など絶対周波数に準じるもの）に安定化
される。

【００５９】次に、２次周波数基準安定化手段Ｃについ
て説明する。２次周波数基準安定化手段Ｃは、受光器３
６、ロックインアンプ３２及び、２次周波数基準３９で
ある光共振器のミラー間隔若しくは光路長をフィードバ
ック制御するフィードバック回路３３、及び上記第１マ
スターレーザ３０の出力光の一部を２次周波数基準３９
に入力にする光路を備える。そして、上記光路によっ
て、第１マスターレーザ３０の出力光を２次周波数基準
３９に入射し、該２次周波数基準３９からの透過光を受
光器３６によって電気信号に変換してロックインアンプ
３２に出力する。ロックインアンプ３２は、上記電気信
号を上記発振器２からの位相基準信号を基準に同期検波
してフィードバック回路３３に出力される。フィードバ
ック回路３３では、その同期検波された信号が一定とな
るように２次周波数基準３９のミラー間隔若しくは光路
長をフィードバック制御して、２次周波数基準３９の基
準周波数の一つを第１マスターレーザ３０の周波数に安
定化させる。

【００６０】上記光共振器からなる２次周波数基準３９
は、光を透過する透過周波数が周期的に存在する透過特
性を有し、その周期的に存在する透過周波数が周波数基
準となるもので、上記のように、２次周波数基準３９の
周波数基準（透過周波数）の一つが第１マスターレーザ
３０の周波数に安定化することで、２次周波数基準３９
の全ての周波数基準（透過周波数）が安定化する。

【００６１】次に、２次基準出力光安定化手段Ｄについ
て説明する。２次基準出力光安定化手段Ｄは、上記安定
化された２次周波数基準３９の複数の基準周波数の一つ
に第２マスターレーザ３１の出力光を安定化させるもの
であって、発振器３５、外部変調器３４、上記２次周波
数基準３９、受光器４０、ロックインアンプ３７、フィ
ードバック回路３８とを備える。

【００６２】外部変調器３４は、音響光学変調器（Ａ
Ｏ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成されて、発振
器３５からの基準信号に基づき、入力した第２マスター
レーザ３１の出力光を、周波数変調あるいは位相変調し
て２次周波数基準３９の中心周波数近傍で微少変調さ
せ、その変調させた変調信号を参照信号として、２次周
波数基準３９に出力する。２次周波数基準３９からの透
過光は受光器４０（光検波器）に入力され、該受光器４
０で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックイ
ンアンプ３７によって上記位相基準信号を基準に同期検
波されて、フィードバック回路３８に出力される。フィ
ードバック回路３８は、その同期検波された信号が一定
になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微
分：Ｄ）を行い上記第２マスターレーザ３１の駆動電流
等を制御する。これによって、第２マスターレーザ３１
の出力光は、２次周波数基準３９の周期的に存在する複
数の周波数基準のうちの所望の周波数基準に安定化され
る。

【００６３】上記２次基準出力光安定化手段Ｄによって
安定化された第２マスターレーザ３１の出力光は、ビー
ムスプリッタ４１で分光され、その一部が追従制御手段
Ｂに入射される。追従制御手段Ｂは、上記第１実施形態
で説明した構成と同じ構成であって、安定化された第２
マスターレーザ３１の出力光とスレーブレーザ１３の出
力光との合波によるビート信号ｆ_BEAT及び基準発振器２
４からの基準信号に基づいて、第２マスターレーザ３１
の出力光に対して基準発振器２４のオフセット周波数分
だけオフセットした周波数に、スレーブレーザ１３の発
振周波数をオフセットロックして安定化する。

【００６４】すなわち、第２マスターレーザ３１とスレ
ーブレーザ１３との間の安定化は、上記第１実施形態と
同様に、受光帯域内（ミキサ２２ａの帯域）に存在する
程度の周波数差のものに限り、ビート信号ｆ_BEATを周波
数変換器２２（ミキサ２２ａ）に入力し、基準発振器２
４を用いて周波数弁別器１６の零点周波数近傍にビート
信号ｆ_BEATを周波数変換する。これを、例えば上述のミ
キサ１６ａに遅延回路１６ｃ（遅延線）を設けて構成さ
れる周波数弁別器１６に入力すると、周波数誤差信号が
ＦＭ−ＡＭ変換される。

【００６５】この変換されたＡＭ誤差信号をスレーブレ
ーザ１３にフィードバックしてやると、スレーブレーザ
１３は周波数弁別器１６の零点周波数で安定化されるこ
とになる。つまり、スレーブレーザ１３の周波数を所望
の値にすると、第２マスターレーザ３１とスレーブレー
ザ１３との間の周波数差、つまりビート周波数が決定さ
れるが、基準発振器２４の信号周波数の設定によっては
ビート信号ｆ_BEATの中心周波数を周波数弁別器１６の零
点周波数に一致させることができるため、ＡＭ誤差信号
をスレーブレーザ１３にフィードバックした段階で任意
の周波数におけるオフセットロックが実現できる。

【００６６】したがって、２次周波数基準３９に誘電体
薄膜製品を用いる場合、受光する信号のＳ／Ｎにも依存
するが、わずかな反射、透過の特性を利用して複数の周
波数帯域（むしろ波長帯域と述べるべきかも知れない）
での安定化が可能になる。これにより、任意の波長帯
域、周波数帯域でのオフセットロックが光学部品の選定
しだいで実現できることになる。なお、このような周波
数安定化手法は、これまでに前例がない。

【００６７】ここで、上記実施形態では、第１及び第２
マスターレーザ３０，３１の出力光の安定化に外部変調
器１７、３４を使用しているが、図１５に示すように、
マスターレーザ１２を直接周波数変調して第１及び第２
マスターレーザ３１の出力光を安定化する構成としても
良い。また、図１６に示すように、第１マスタレーザの
出力光の安定化に、マスターレーザ１２の周波数安定度
向上に向け、線形吸収セル３の代わりに飽和吸収分光を
応用した非線形吸収セル４を用いた場合であっても良
い。

【００６８】いずれも第１マスターレーザ３０の出力光
の安定化において、吸収線近傍での微少変調を用いて位
相検波し、吸収線の中心周波数に安定化される。そし
て、それぞれ一部が２次周波数基準３９の安定化に使用
される。なお、図１３は、２次周波数基準３９にキャビ
ティーの透過特性をイメージした図を示しているが、反
射特性でも同様に使用できる。反射特性の場合は、透過
特性と上下反転対称になり、透過特性極大値が反射特性
極小側になり、周波数基準にはこの極点が周波数確度か
らも望ましい。また、当然のことながらそれぞれのレー
ザの出力光は独立に使用可能であり、２次周波数基準３
９の周波数設定の確度で充分な場合は、特にスレーブレ
ーザ１３が不要になることもあり得る。

【００６９】ここで、２次周波数基準３９として、透
過、反射周波数間隔を比較的簡単に調整できるファブリ
ペロ干渉計の場合について説明する。透過、反射周波数
間隔はフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）で表され、ＦＳＲ＝ｃ／２ｎＬとなる。

【００７０】ここで、ｃは光速、Ｌはミラー間隔、ｎは
ミラー間の屈折率である。ＦＳＲが２５ＧＨｚの場合、
ミラー間隔は６ｎｍ、５０ＧＨｚの場合は３ｍｍ、１０
０ＧＨｚの場合は１．５ｍｍ、２００ＧＨｚの場合は
０．７５ｍｍとなり、簡側に調整できるサイズとなって
いる。リング共振器の場合も同様に利用可能となるが、ＦＳＲ＝ｃ／ｎＬとなる。

【００７１】これは反射部の間隔でＦＳＲが決定される
ことを考えれば理解しやすい。なお、コンフォーカルキ
ャビティーの場合、ＦＳＲはｃ／４ｎＬとなる。当然の
ことながら、コンフォーカルキャビティーも使用可能で
あるが、このサイズでは調整上、やや使いにくい。本実
施形態の装置構成を採用すると、いずれかの周波数で第
１マスターレーザ３０の発振周波数が安定化すると、そ
の第１マスターレーザ３０の安定化周波数を含み、２次
周波数基準３９の光の周波数特性が確保されれば、任意
の周波数でのオフセットロックが実現される。

【００７２】このため、本実施形態の周波数安定化半導
体レーザ装置を使用することで、ＷＤＭ用コム周波数安
定化光源が実現できるという利点が生じる。周波数コム
に関しては、アンカー周波数を、エルビウムドープファ
イバ増幅器（ＥＤＦＡ）のフラットゲイン帯域（幅は約
２ＴＨｚで２５ｎｍに相当）の中央１９３１００ＧＨｚ
（１５５２．５ｎｍ）とし、周波数グリッドを２５ＧＨ
ｚに設定することが提案されている（例えば、Ｍ．Ｔｅ
ｓｈｉｍａ，Ｍ．Ｋｏｇａ，ａｎｄＫ．Ｓａｔｏ，Ｏ
ｐｔ．Ｌｅｔｔ．２２，１２６（１９９７）参照）。周
波数グリッドに関しては、他に５０ＧＨｚ、１００ＧＨ
ｚ、２００ＧＨｚが提案されている。

【００７３】次に、第３実施形態について図面を参照し
つつ説明する。なお、上記実施形態等と同様な部品など
については同一の符号を付して説明する。本実施形態
は、第１実施形態に基づくコム周波数安定化用の周波数
安定化半導体レーザ装置の例である。本実施形態では、
５０〜１００波程度の安定化が容易となる。

【００７４】図１８が、本実施形態に係る周波数安定化
半導体レーザ装置を示す構成図である。図１２に示され
るように、マスターレーザ１２とスレーブレーザ１３と
の組を複数組有し、各組におけるマスターレーザ１２の
出力光とスレーブレーザ１３の出力光とが個別の光ファ
イバカップラ５０（光合波手段）で合波されて個別の受
光器１５（検波手段）で検波され、各受光器１５で検波
されたビート信号ｆ_BEATは、個別の追従制御手段Ｂによ
って各スレーブレーザ１３の出力光の発振周波数が、そ
れぞれ個別に各マスターレーザ１２の出力光の発振周波
数にオフセットロックして安定化される。

【００７５】各追従制御手段Ｂは、上記第１実施形態で
説明した構成となっている。また、各マスターレーザ１
２の出力光についても、第１実施形態で説明した基準出
力光安定化手段Ａで安定化することで、各スレーブレー
ザ１３の安定化が向上する。このとき、吸収セルのガス
として、アセチレンガス（¹²Ｃ₂Ｈ₂、¹³Ｃ₂Ｈ₂）や
シアンガス（Ｈ¹²ＣＮ、Ｈ¹³ＣＮ）を用い、これらの吸
収線にレーザを安定化すれば、前述のＥＤＦＡフラット
ゲイン周波数近傍でのマスターレーザ１２群が得られ
る。これにスレーブレーザ１３をオフセットロックすれ
ば、ＷＤＭ用のコム周波数安定化光源が実現できる。得
られる周波数安定度はそれぞれ前述のとおりである。

【００７６】ちなみにこの場合は、周波数基準の数にコ
ム周波数の数が制限されることになるが、前述のよう
に、第１マスターレーザ３０に複数の第２マスターレー
ザ３１を複数オフセットロックすれば、この問題はある
程度回避できる。また、各マスターレーザ１２単位に周
波数基準となる吸収セルを異ならしても良い。また、次
に述べるよう第４実施形態のように、第２周波数基準を
用いれば、この問題からは解放される。

【００７７】次に、第４実施形態について図面を参照し
つつ説明する。本実施形態は、上記第２実施形態をコム
周波数安定化用の周波数安定化半導体レーザ装置に適用
した実施例である。この方法では、図１３の周波数関係
が成り立つ。図１９が本実施形態を示す構成図であっ
て、２つのＡＷＧ波長合分波器５１，５１（Ａｒｒａｙ
ｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇｓ）を２次
周波数基準３９の前後に挿入することにより、多波長一
括周波数安定化光源を実現可能とするものである。

【００７８】すなわち、１個の第１マスターレーザ３０
と、一群の複数の第２マスターレーザ３１と、光共振器
からなる２次周波数基準３９、２次周波数基準３９を第
１マスターレーザ３０の出力光に安定化する２次周波数
基準安定化手段Ｃと、上記一群の複数の第２マスターレ
ーザ３１の発振周波数を上記２次周波数基準３９に安定
化させる２次基準複数出力光安定化手段Ｅと、一群のス
レーブレーザ１３と、上記２次周波数基準３９の前後の
光路に介挿されて上記２次基準複数出力安定化手段の一
部である２つのＡＷＧ波長合分波器５１，５３と、ＡＷ
Ｇ波長合分波器５１で合波された一群の第２マスターレ
ーザ３１の出力光を分波する第３のＡＷＧ波長合分波器
５４と、光ファイバカップラ５０と、各スレーブレーザ
１３を対応する第２マスターレーザ３１の出力光にオフ
セットロックする複数の追従制御手段Ｂと、を備える。

【００７９】上記２次周波数基準安定化手段Ｃは、上記
実施形態で説明した構成と同じ構成となっていて、第１
マスターレーザ３０の発振周波数に２次周波数基準３９
の基準周波数の一つを安定化させる。また、２次基準複
数出力光安定化手段Ｅは、上記安定化された２次周波数
基準３９の複数の基準周波数の各々に一群の第２マスタ
ーレーザ３１の出力光をそれぞれ安定化させるものであ
って、２つのＡＷＧ波長合分波器５１，５３、発振器３
５、外部変調器３４、上記２次周波数基準３９、受光器
４０、ロックインアンプ３７、フィードバック回路３８
とを備える。

【００８０】一群の第２マスターレーザ３１の出力光
は、全て第１のＡＷＧ波長合分波器５１に入力する。Ａ
ＷＧ波長合分波器５１からの出力は、光ファイバカップ
ラ５２で分光され、その一部は外部変調器３４を介して
２次周波数基準３９に透過させて当該２次周波数基準３
９の光学特性（透過あるいは反射特性）のおのおの異な
る極値に安定化する。

【００８１】すなわち、外部変調器３４は、音響光学変
調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成され
て、発振器３５からの基準信号に基づき、入力した出力
光を、周波数変調あるいは位相変調して２次周波数基準
３９の中心周波数近傍で微少変調させ、その変調させた
変調信号を参照信号として、２次周波数基準３９に出力
する。２次周波数基準３９からの透過光は、第２のＡＷ
Ｇ波長合分波器５３で分波され、その各出力光は、それ
ぞれ受光器４０（光検波器）に入力され、該受光器４０
で電気信号に変換される。その各電気信号は、ロックイ
ンアンプ３７によって上記位相基準信号を基準に同期検
波されて、フィードバック回路３８に出力される。フィ
ードバック回路３８は、その同期検波された信号が一定
になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微
分：Ｄ）を行い、それぞれ対応する第２マスターレーザ
３１の駆動電流等を制御する。これによって、第２マス
ターレーザ３１の出力光は、それぞれ２次周波数基準３
９の周期的に存在する複数の周波数基準の光学特性（透
過あるいは反射特性）のおのおの異なる極値に安定化さ
れる。

【００８２】ここで、２次周波数基準３９の極値を示す
周波数は、コム周波数間隔に一致させておく。また、上
記一群の第２マスターレーザ３１の出力光をカップラ５
２で分光した他方は、第３のＡＷＧ波長合分波器５４に
入力し、一群の第２マスターレーザ３１の出力光に分波
される。その分波した各出力光は、それぞれ光ファイバ
カップラ５０によって各スレーブレーザ１３の出力光と
合波された後に個別の受光器１５で電気信号（ビート信
号ｆ_BEAT）に変換されて、それぞれ個別の追従制御手段
Ｂによって任意の周波数にオフセットロックされる。

【００８３】各追従制御装置Ｂの構成は、上記実施形態
と同様である。なお、一群の第２マスターレーザ３１の
出力光だけを、周波数安定化半導体レーザ装置の出力と
して使用することも可能であるが、ＷＤＭ用光源にする
ためには、それぞれ周波数の微調整が必要であり、上述
のようなオフセットロックが不可欠となる。これがスレ
ーブレーザ１３を必要とする理由である。第２周波数基
準の光学特性が観測できさえすれば、どの周波数であろ
うと任意の場所にオフセットロックが可能になる。

【００８４】ちなみに、このような構成をとると、２次
周波数基準３９の光耐性内での１００波入力でないと、
系そのものが実現困難となることが懸念されるが、それ
ぞれの光のパワーが−２０〜−１０ｄＢｍで充分動作す
ることが確認できているので、問題はない。また、ＡＷ
Ｇ波長合分波器の透過中心周波数の調整は、３ｄＢパス
バンド幅が０．３〜１．３ｎｍと広く、透過中心周波数
の温度依存性が〜１０^-5mm／℃であるため、使用前の温
度設定だけで充分機能する。

【００８５】なお、第１マスターレーザ３０の出力光
は、上述の基準出力安定化手段で周波数を安定化してお
く。次に、第５実施形態について図面を参照しつつ説明
する。図２０は、本実施形態に係る周波数安定化半導体
レーザ装置を示す構成図である。

【００８６】本実施形態は、上記第４実施形態の簡易版
であって、光共振器の代わりに、第２のＡＷＧ波長合分
波器５３そのものを２次周波数基準とするものである。
ＡＷＧ波長合分波器は、３ｄＢパスバンド幅が広いた
め、安定度は低くなってしまうが、ファブリペロ干渉計
など、２次周波数基準としてのキャビティの使用を省略
できる利点がある。

【００８７】第１マスターレーザ３０の出力光を、一群
の第２マスターレーザ３１と同様に第１のＡＷＧ波長合
分波器５１に入力した後、その出力光を光ファイバカッ
プラ５２で分光し、その２つの出力光を次段の２つのＡ
ＷＧ波長合分波器５３，５４にそれぞれ入力する。上記
ＡＷＧ波長合分波器５１の出力の一方は、外部変調器３
４で周波数（位相）変調した後に第２のＡＷＧ波長合分
波器５３に入力し、上記出力の他方は、無変調で第３の
ＡＷＧ波長合分波器５４に入力するものとする。

【００８８】変調が施された出力光は位相検波し、第２
のＡＷＧ波長合分波器５３の温度制御に用い、第１マス
ターレーザ３０の発振周波数に第２ＡＷＧ波長合分波器
５３の透過周波数の一つを安定化する。なお、本実施形
態では、第２マスターレーザ３１の安定化のための光路
と、２次周波数基準としての第２のＡＷＧ波長合分波器
５３の安定化のための光路を同一としているが、別光路
としても良い。

【００８９】第２マスターレーザ３１の周波数安定化
は、第１マスターレーザ３０がＡＷＧ波長合分波器５３
の安定化を行ったのと同様に位相検波し、その出力をレ
ーザの電流にフィードバックして実現する。ここで、第
１のＡＷＧ波長合分波器５１、発振器３５、ロックイン
アンプ６、受光器５、フィードバック回路６０が合分波
器安定手段Ｆを構成し、第１及び第２のＡＷＧ波長合分
波器５１，５３、発振器３５、及び、各第２マスターレ
ーザ３１に対応するロックインアンプ３７、受光器４
０、フィードバック回路３８が、第２の２次基準複数出
力光安定化手段Ｇを構成している。

【００９０】一方、第３のＡＷＧ波長合分波器５４から
出力される無変調の出力光はスレーブレーザ１３のオフ
セットロックに利用される。スレーブレーザ１３のオフ
セットロック、つまり追従制御手段Ｂは、上記第４実施
形態と同様であるので省略する。これにより得られる安
定度は１０^-9程度である。

【００９１】ちなみに、第２のＡＷＧ波長合分波器以外
のＡＷＧ波長合分波器は、使用前の温度設定だけでよ
い。

【００９２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、任意の発振周波数にスレーブレーザをオフセットロ
ックすることが可能となる。このとき、請求項２の発明
を採用すると、原子や分子の絶対周波数を基準とした高
精度な周波数安定度が得られる。

【００９３】また、２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００Ｇ
Ｈｚ、２００ＧＨｚといった一定の周波数間隔で周波数
安定化光源が得られるため、ＷＤＭ用のコム周波数安定
化光源が実現できる。また、マスターレーザと波長が倍
程、異なるスレーブレーザ１３についても、何の差し障
りもなくオフセットロックが実現できる。

【００９４】さらに、単独の周波数安定化のみならず、
５０〜１００波長の一括周波数安定化が可能となる。光
の周波数スイーパにオフセットロックされて追従する光
源や、所望の光の周波数を、絶対周波数基準にオフセッ
トロックし、すべて、あるいは一部の光源を用いて、コ
ム周波数を構成することが可能になる。特に、波長多重
通信（ＷＤＭ）用の周波数安定化光源に密接に関わり、
エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）に代表さ
れる光ファイバ増幅器（ＯＦＡ）と共に用いることがで
きる。

【００９５】例えば、ＥＤＦＡゲインフラット周波数の
中央から、高周波、低周波の双方で等周波数間隔で発振
するコム周波数光源が簡単に実現できる。また、周期分
極反転（ＰＰＬＮ）技術を用いた波長変換技術が注目さ
れているが、光源の安定度が変換光にそのまま影響する
ため、波長多重度が増せば増す程、安定度に要求される
精度は厳しくなる。励起光と信号光を独立した光源から
供給する場合には、特に本発明が有効となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構
成図であって、線形吸収セルを使用すると共に、半導体
レーザを直接変調方式の図である。

【図２】従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構
成図であって、非線形吸収セル４を使用すると共に、半
導体レーザを直接変調方式の図である。

【図３】従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構
成図であって、光共振器を使用すると共に、半導体レー
ザを直接変調方式の図である。

【図４】従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構
成図であって、マスターレーザを周波数基準として使用
する図である。

【図５】従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構
成図であって、線形吸収セルを使用すると共に、半導体
レーザを外部変調器で変調する方式の図である。

【図６】従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構
成図であって、非線形吸収セルを使用すると共に、半導
体レーザを外部変調器で変調する方式の図である。

【図７】従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構
成図であって、光共振器を使用すると共に、半導体レー
ザを外部変調器で変調する方式の図である。

【図８】従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構
成図であって、マスターレーザを周波数基準として使用
する図である。

【図９】周波数弁別特性の模式及び帰還周波数幅を示す
図である。

【図１０】周波数基準の中心周波数とレーザ安定化後の
発振周波数を説明する図である。

【図１１】本発明に基づく第１実施形態に係る周波数安
定化半導体レーザ装置の構成図である。

【図１２】本発明に基づく第１実施形態に係る周波数安
定化半導体レーザ装置の別の構成図である。

【図１３】周波数基準の中心周波数とレーザ安定化後の
発振周波数を説明する図である。

【図１４】本発明に基づく第２実施形態に係る周波数安
定化半導体レーザ装置の構成図である。

【図１５】本発明に基づく第２実施形態に係る周波数安
定化半導体レーザ装置の別の構成図である。

【図１６】本発明に基づく第２実施形態に係る周波数安
定化半導体レーザ装置の別の構成図である。

【図１７】ダブルバランスドミキサを使用した周波数弁
別器における周波数弁別特性の実測例を示す図である。

【図１８】本発明に基づく第３実施形態に係る多波長一
括周波数用の安定化半導体レーザ装置の構成図である。

【図１９】本発明に基づく第４実施形態に係る多波長一
括周波数用の安定化半導体レーザ装置の構成図である。

【図２０】本発明に基づく第５実施形態に係る多波長一
括周波数用の安定化半導体レーザ装置の構成図である。

【符号の説明】

１半導体レーザ１２発振器３線形吸収セル４非線形吸収セル５受光器６ロックインアンプ７フィードバック回路８偏光ビームスプリッタ９１／４波長板１０ミラー１１光共振器１２マスターレーザ１３スレーブレーザ１４ビームスプリッタ１５受光器１６周波数弁別器１６ａミキサ１６ｂ方向性結合器１６ｃ遅延回路１７外部変調器２０フィードバック回路２１ビームスプリッタ２２周波数変換器２２ａミキサ２３スペクトラムアナライザ２４基準発振器２５バンドパスフィルタ（またはローパスフィルタ）３０第１マスターレーザ３１第２マスターレーザ３２ロックインアンプ３３フィードバック回路３４外部変調器３５発振器３６受光器３７ロックインアンプ３８フィードバック回路３９２次周波数基準４０受光器４１ビームスプリッタ５０光ファイバカップラ５１第１のＡＷＧ波長合分波器５２光ファイバカップラ５３第２のＡＷＧ波長合分波器５４第３のＡＷＧ波長合分波器Ａ基準出力光安定化手段Ｂ追従制御手段Ｃ２次周波数基準安定化手段Ｄ２次基準出力光安定化手段Ｅ２次基準複数出力光安定化手段Ｆ合分波器安定化手段Ｇ第２の２次基準複数出力光安定化手段ｆ_MA マスターレーザの発振周波数ｆ_SL スレーブレーザの発振周波数ｆ_BEAT ビート信号の周波数ｆ_C 周波数弁別器の零点周波数ｆ_SY 基準発振器の発振周波数

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木博之東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 EA03 FA01 GA03 GA13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基準となるマスターレーザと、スレーブ
レーザと、上記マスターレーザからの出力光とスレーブ
レーザの出力光とを合波する光合波手段と、該光合波手
段で合波された信号を検波してビート信号を出力する光
検波手段と、スレーブレーザの発振周波数がマスターレ
ーザの発振周波数から所定周波数だけオフセットした周
波数となるように、上記ビート信号に基づきスレーブレ
ーザの発振周波数をマスターレーザの発振周波数に追従
制御する追従制御手段とを備えた周波数安定化半導体レ
ーザ装置において、上記追従制御手段は、オフセット周波数信号を出力する
基準発振器と、基準発振器からの信号と上記ビート信号
とを入力する周波数変換器と、周波数変換器の出力を入
力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出力する誤差信
号をスレーブレーザにフィードバックするフィードバッ
ク回路とを備えることを特徴とする周波数安定化半導体
レーザ装置。
【請求項２】上記マスターレーザの発振周波数を、原
子や分子の遷移を利用した１次周波数基準に安定化する
基準出力光安定化手段を備えることを特徴とする請求項
１に記載した周波数安定化半導体レーザ装置。
【請求項３】上記マスターレーザを、第１マスターレ
ーザと第２マスターレーザとから構成し、上記光合波手
段は、第２マスターレーザの出力光とスレーブレーザの
出力光を合波する構成にすると共に、上記第１マスターレーザの発振周波数を、原子や分子の
遷移を利用した１次周波数基準に安定化する基準出力光
安定化手段と、光共振器で構成される２次周波数基準
と、２次周波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波
数のいずれか一つを第１マスターレーザの発振周波数に
安定化する２次周波数基準安定化手段と、上記第２マス
ターレーザの出力光の発振周波数を、上記２次周波数基
準の光学特性の極値を示す複数の周波数のいずれか一つ
に安定化する２次基準出力光安定化手段とを備えること
を特徴とする請求項１に記載した周波数安定化半導体レ
ーザ装置。
【請求項４】上記請求項１〜請求項３のいずかの構成
からなる複数の周波数安定化半導体レーザ装置の組から
なり、各組におけるマスターレーザの出力光とスレーブ
レーザの出力光とは、それぞれ光合波手段を構成する光
ファイバカップラで合波されることを特徴とする周波数
安定化半導体レーザ装置。
【請求項５】第１マスターレーザと、複数の第２マス
ターレーザと、複数のスレーブレーザと、光共振器から
なる２次周波数基準と、２次周波数基準の光学特性の極
値を示す複数の周波数のいずれか一つを第１マスターレ
ーザの発振周波数に安定化する２次周波数基準安定化手
段と、上記複数の第２マスターレーザの出力光の発振周
波数を、上記２次周波数基準の光学特性の極値を示す複
数の周波数のそれぞれに安定化する２次基準複数出力光
安定化手段と、上記複数の第２マスターレーザの出力光
と上記複数のスレーブレーザの出力光とをそれぞれ合波
する複数の光合波手段と、各光合波手段からビート信号
に基づき対応するスレーブレーザの発振周波数を対応す
る第２マスターレーザの発振周波数に追従制御する複数
の追従制御手段とを備え、上記各追従制御手段は、それぞれ、オフセット周波数信
号を出力する基準発振器と、基準発振器からの信号と上
記ビート信号とを入力する周波数変換器と、周波数変換
器の出力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出
力する誤差信号をスレーブレーザにフィードバックする
フィードバック回路とを備えることを特徴とする周波数
安定化半導体レーザ装置。
【請求項６】第１マスターレーザと、複数の第２マス
ターレーザと、複数のスレーブレーザと、上記複数の第
２マスターレーザからの出力光を合波する第１のＡＷＧ
波長合分波器と、第１のＡＷＧ波長合分波器の出力を入
力し２次周波数基準を構成する第２のＡＷＧ波長合分波
器と、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力を入力する
第３のＡＷＧ波長合分波器と、上記第２のＡＷＧ波長合
分波器の透過周波数を第１マスターレーザの発振周波数
に安定化する合分波器安定化手段と、上記第２のＡＷＧ
波長合分波器の複数の透過周波数に基づき上記各第２マ
スターレーザの出力光の発振周波数を安定化させる第２
の２次基準複数出力光安定化手段と、上記第３のＡＷＧ
波長合分波器から出力される複数の出力光と対応するス
レーブレーザからの出力光とをそれぞれ合波する複数の
光合波手段と、各光合波手段からビート信号に基づき対
応するスレーブレーザの発振周波数を対応する第２マス
ターレーザの発振周波数に追従制御する複数の追従制御
手段とを備え、上記各追従制御手段は、それぞれ、オフセット周波数信
号を出力する基準発振器と、基準発振器からの信号と上
記ビート信号とを入力する周波数変換器と、周波数変換
器の出力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出
力する誤差信号をスレーブレーザにフィードバックする
フィードバック回路とを備えることを特徴とする周波数
安定化半導体レーザ装置。