JP2519335B2 - レ―ザ発振波長安定化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光通信及び光計測における波長基準として
用いられるレーザ光の発振波長を、原子または気体分子
の共鳴吸収線の波長を基準として安定化するレーザ発振
波長安定化装置に関するものである。

（従来の技術） 第２図は、従来のレーザ発振波長安定化装置の構成図
である。

第２図において、１は所定の波長で発振する半導体レ
ーザ、２はレンズ、３はビームスプリッタ、４は音響光
学変調器、５は光吸収性気体を封入したガラス管からな
る吸収セル、６は受光器、７はロックインアンプ、８は
高周波発振器、９はスイッチ、10は低周波発振器、11は
PID制御回路である。

このような構成において、半導体レーザ１の片端面か
らの出射光は、レンズ２により平行光とされ、ビームス
プリッタ３を通過後、音響光学変調器４に入射される。
この入射光は音響光学変調器４において、高周波発振器
８による変調信号で周波数f_mだけ周波数がシフトされ
る。その際、スイッチ９がオンのとき１次変調光Ｆが得
られ、オフのとき無変調光（０次変調光）Ｚが得られ
る。０次変調光Ｚと１次変調光Ｆは、両者とも吸収セル
５を通過して受光器８に到達し、ここで、光電変換され
る。

吸収セル５においては、その透過率の周波数依存性に
よって、光の周波数変化が光の強度変化に変換される。
このとき、低周波変調器10により、０次変調光Ｚと１次
変調光Ｆを周波数f₀で切り替えることによって、変調周
波数f₀で変調幅f_m/2の変調光が得られる。この変調光が
吸収セル５に入射され、受光器６で光電変換された信号
は、ロックインアンプ７でロックイン検出される。

その出力は、０次変調光Ｚと１次変調光Ｆの平均周波
数（波長）と吸収セル５のピーク周波数（波長）との周
波数差に相当している。この誤差信号がPID制御回路11
を介してレーザの注入電流に帰還されることにより、レ
ーザの発振波長が安定化される。安定化された出力光S0
がビームスプリッタ３の片面側から出力される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来の装置では、音響光学変調器
４の０次変調光Ｚ及び１次変調光Ｆの両方を数cmの長さ
をもつ吸収セル５中を伝搬させ、同一の受光器６で受光
しなければならない。そのとき、１次変調光Ｆは０次変
調光Ｚに対してある角度をもった光となるため、吸収セ
ル５の幅を広くしなければ必要な光路が得られず、ま
た、受光器６の受光面を大きくしなければ受光できない
という問題があった。

また、０次変調光Ｚと１次変調光Ｆとは光強度が異な
り、また、吸収セル５内での光路の違いにより光の吸収
量も異なるため、受光面では周波数変調だけでなく強度
変調も受けた光となる。これは前述した誤差信号に対し
て致命的な雑音となり、レーザの発振周波数の安定性に
悪影響を及ぼす。さらに、音響光学変調器４の出力光
は、０次変調光Ｚと１次変調光Ｆだけでなく、２次、３
次変調光等の高周波成分も出力され、この成分も雑音と
なり安定なレーザ光が得られないという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、
その目的は、光学系の安定性に優れた実用的なレーザ発
振波長安定化装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明では、半導体レーザ
と、該半導体レーザからのレーザ光を変調する変調信号
を間欠的に発生する変調信号発生手段と、該間欠的な変
調信号によって駆動され、前記半導体レーザからのレー
ザ光を変調して変調光と無変調光とをそれぞれ異なるポ
ートから出射する光周波数変調手段と、該周波数変調光
の所定の波長の光のみを吸収する光吸収媒体と、該光吸
収媒体の出力光を検出する光検出手段とからなる光学系
を備え、前記半導体レーザを前記光吸収媒体の吸収波長
に同期させて発振させるレーザ発振波長安定化装置にお
いて、前記光周波数変調手段から出射された変調光と無
変調光との強度が等しくなるように調整する強度調整手
段と、等強度の変調光と無変調光とを重ね合わせ、前記
光吸収媒体に入射させる光合波手段とを設けた。

（作用） 本発明によれば、半導体レーザを出射した光は、光周
波数変調手段に入射される。光周波数変調手段には変調
信号発生手段からレーザ光を変調する間欠的な変調信号
が入力されており、入射されたレーザ光に対して所定の
周波数変調が間欠的にかけられる。光周波数変調手段か
らは、この周波数変調光及び無変調光が、それぞれ異な
るポートから出射される。

光周波数変調手段から出射された変調光と無変調光
は、強度変調手段にて互いの強度が等しくなるように調
整される。強度が等しくなった変調光と無変調光は、光
合波手段で重ね合わせられた後、光吸収媒体に入射され
る。

光吸収媒体に入射された光は、所定の波長を有する光
のみ吸収され、その媒体の吸収波長のピーク値と入射光
の中心周波数との誤差が検出されるが、このとき、変調
光と無変調光は光吸収媒体の同一光路を通過するので、
光路の違いによる光の吸収量の相違に基づく誤差が含ま
れることはなく、また、幅の広い光吸収媒体を必要とす
ることもない。

この光吸収媒体から出射された光は、光検出手段にて
検出され、この検出に伴う誤差信号に基づいて、半導体
レーザの発振波長を吸収波長に同期させることにより、
極めて安定化された光出力が得られる。

（実施例） 第１図は、本発明に係るレーザ発振波長安定化装置の
一実施例を示す構成図である。

第１図において、101は半導体レーザモジュール（以
下、単に半導体レーザという）、102は光分岐手段とし
ての光ファイバカップラ（以下、光カップラという）、
103は音響光学変調器、104は光合波手段としての光カッ
プラ、105は強度調整手段としての光可変減衰器、106は
レンズ、107は吸収セル、108は受光器、109は高周波発
振器、110はスイッチ、111は低周波発振器、112はロッ
クインアンプ、113はPID制御回路、FB₁,FB₂,FB₃,FB₄,FB
₅,FB₆は光ファイバである。

半導体レーザ101は、例えば波長1.5500μｍで発振す
るInGaAsP系の分布帰還型半導体レーザ（DFB型LD）から
構成されている。また、光ファイバにより出力が取り出
せるように、光ファイバ用出力端子（図示せず）を備え
ている。

光カップラ102は、半導体レーザ101と音響光学変調器
103間に挿入され、入力端が光ファイバFB₁を介して半導
体レーザ101の出力端子に、一の出力端が光ファイバFB₂
を介して音響光学変調器103の入力端子にそれぞれ接続
されており、半導体レーザ101の出射光を２分岐し、他
の出力端から光ファイバFB₃を介して当該装置の出力光S
0を出力する。

音響光学変調器103は、半導体レーザ101の出射光に対
して所定の周波数変調をかける。具体的には、高周波発
振器109による変調信号で周波数f_mだけ周波数がシフト
される。その際、スイッチ110がオンのとき１次変調光
を得るとともに、オフのとき無変調光（０次変調光）を
得、１次変調光と０次変調光をそれぞれ異なるポートか
ら出射する。また、光ファイバによる入出力が行えるよ
うに、光ファイバ用入出力端子（図示せず）を備えてい
る。

光カップラ104は、二つの入力端子が光ファイバFB₄,F
B₅を介して音響光学変調器103の１次変調光及び０次変
調光用の各ポートと、それぞれ接続され、入射した１次
変調光と０次変調光とを重ね合わせ、この光を出力端子
に接続された光ファイバFB₆、さらにレンズ106を介して
吸収セル107に入射させる。

光可変減衰器105は、光ファイバFB₄に挿入され、音響
光学変調器103による０次変調光の強度を減衰させるこ
とによって、光ファイバFB₅を伝搬する１次変調光の強
度と等しくなるように調整する。

レンズ106は、例えばセルフォックスレンズ等から構
成され、光ファイバFB₆を介して入射した光カップラ104
の出射光を平行光に変換して吸収セル107に入射する。

吸収セル107は、例えばセル長が5cmで、吸収気体とし
て同位体置換アセチレンガス（¹³C₂H₂を10Torr封入し
た、1.5495μｍの吸収線（半値全幅800MHz、吸収強度10
％）を有するセルから構成されている。

また、第３図は、吸収セル107の入力光周波数に対す
る透過光強度特性を示すグラフであって、横軸が光周波
数（波長）を、縦軸が透過光強度をそれぞれ表してい
る。

受光器108は、吸収セル107の出力光を受光して電気信
号に変換し、この電気信号をロックインアンプ112に出
力する。

ロックインアンプ112は、受光器108による電気信号
を、低周波発振器111による低周波信号で同期検波し,0
次変調光と１次変調光の平均周波数（波長）と吸収セル
107のピーク周波数（波長）との差に応じた誤差信号ES
をPID制御回路113に出力する。

PID制御回路113は、ロックインアンプ112による誤差
信号ESを入力し、半導体レーザ101の発振波長を吸収線
ピークに同期するよう、制御した注入電流を半導体レー
ザ101に供給する。

次に、上記構成による動作を説明する。

まず、所定の波長（1.5500μｍ）で発振した半導体レ
ーザ101の出射光は、光ファイバFB₁を導波後、光カップ
ラ102に入射され、ここで２分岐される。光カップラ102
の一の分岐光は光ファイバFB₂を導波後、音響光学変調
器103に入射され、他の分岐光は光ファイバFB₃を介し
て、当該装置の出力光S0として出力される。

音響光学変調器103への入射光は、高周波発振器109に
よる変調信号で周波数f_mだけ周波数がシフトされる。そ
の際、スイッチ110がオンのとき１次変調光が得られ、
オフのとき０次変調光（無変調光）が得られる。このよ
うにして、得られた０次変調光は光ファイバFB₄に導波
され、一方、１次変調光は光ファイバFB₅に導波され
る。

０次変調光は、光ファイバFB₄を介して光可変減衰器1
05に入射され、ここで光ファイバFB₅に導波された１次
変調光強度と等しくなるように減衰作用を受けた後、光
カップラ104に入射される。また、光カップラ104へは光
ファイバFB₅を介して１次変調光も入射される。

光カップラ104では、強度が等しくなるように調整さ
れた０次変調光と１次変調光が重ね合わされ、このいわ
ゆる合波光が光ファイバFB₆に導波される。光ファイバF
B₆を介した合波光は、次にレンズ106に入射され、ここ
で平行光に変換されて吸収セル107に入射される。

吸収セル107に入射した光は、ある特定の周波数にお
ける光吸収を生じさせる。このとき、吸収セル107を透
過した光強度は、第３図に示すような特性を示す。吸収
セル107の透過光は、受光器108にて受光され、ここで光
電変換され、電気信号がロックインアンプ112に出力さ
れる。

この電気信号は、ロックインアンプ112にて同期検波
される。このとき、この電気信号は，音響光学変換器10
3において微小量周波数変調されているので、吸収セル1
07の吸収特性の一次微分形に相当する誤差信号ESが発生
される。次に、この誤差信号ESは、PID制御回路113に入
力される。

PID制御回路113は、入力した誤差信号ESに基づき、半
導体レーザ101への注入電流を制御する。これにより、
吸収セル107の吸収線ピークに半導体レーザ101の発振波
長が同期され、半導体レーザ101の発振波長は、この波
長に安定化される。

この波長安定光は、光カップラ102にて２分岐され、
光ファイバFB₃を介して当該装置の出力光S0として出力
される。

実際、第１図の構成において、半導体レーザ101の中
心発振波長の変動を、１×10^-5nm（光周波数にして1MH
z）以下に抑えることができた。

また、第１図の構成において、吸収セル107の周囲温
度を変化させることによって、吸収セル107の封入ガス
の温度を変化させた。このとき、吸収セル107の半値全
幅は数十％変化したが、その中心周波数に関しては測定
精度10MHzの範囲内で変化はみられなかった。

以上説明したように本実施例によれば、音響光学変調
器103から出射された１次変調光と０次変調光（無変調
光）のうち、強度の強い０次変調光を光可変減衰器105
で減衰させることにより、１次変調光と０次変調光の強
度を等しくなるように調整しながら、さらにこれらを光
カップラ104で重ね合わせた後、吸収セル107に入射する
ように構成したので、誤差信号に対する雑音の影響を抑
止でき、安定な出力が得られる。また、受光器108の受
光面を大きくすることなく、０次、１次変調光を的確に
入射できることから、受光器108の小型化を図れる利点
がある。

なお、本実施例においては、吸収セル107への封入ガ
スとして同位体置換アセチレンガスを用いたが、これに
限定されるものではなく、通常のアセチレンガス、アン
モニアガス、メタンガス、二酸化炭素等を用いても、上
記したと同様の作用効果を得ることができる。

また、光周波数変調手段として音響光学変調器103を
用いたが、電気光学変調器等、他の構成の変調器を光フ
ァイバ入出力型にして用いることもできる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、光周波数変調
手段から出射された変調光と無変調光との強度が等しく
なるように調整する強度調整手段と、等強度の変調光と
無変調光とを重ね合わせ、光吸収媒体に入射させる光合
波手段とを設けたので、変調光と無変調光を光吸収媒体
の同一光路を通過させることができ、光路の違いによる
光の吸収量の相違に基づく誤差を含まない、光吸収媒体
の吸収波長のピーク値と入射光の中心周波数との誤差を
正確に検出でき、半導体レーザの発振波長を高精度で所
定の波長に同期させ、安定化することができる。また、
変調光と無変調光は光吸収媒体の同一光路を通過するた
め、幅の広い光吸収媒体を必要とすることもなく、ま
た、受光面の大きな光検出手段を必要とすることもな
く、光吸収媒体及び光検出手段の小型化を図れ、ひいて
は装置の小型化を図れる等の利点がある。

また、本装置は、光学系の安定性に優れ、小型化を図
れ、また、光学系を全てファイバにて構成できるため、
コヒーレント光通信における波長標準光源や光計測にお
ける光源として利用できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザ発振波長安定化装置の第１
の実施例を示す構成図、第２図は従来のレーザ発振波長
安定化装置の構成図、第３図は本発明に係る吸収セルの
入出力特性図である。 図中、101…半導体レーザ、102,104…光ファイバカップ
ラ、103…音響光学変調器、105…光可変減衰器、107…
光波長基準用吸収セル、108…受光器、112…ロックイン
アンプ、113…PID制御回路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザと、該半導体レーザからのレ
   ーザ光を変調する変調信号を間欠的に発生する変調信号
   発生手段と、該間欠的な変調信号によって駆動され、前
   記半導体レーザからのレーザ光を変調して変調光と無変
   調光とをそれぞれ異なるポートから出射する光周波数変
   調手段と、該周波数変調光の所定の波長の光のみを吸収
   する光吸収媒体と、該光吸収媒体の出力光を検出する光
   検出手段とからなる光学系を備え、前記半導体レーザを
   前記光吸収媒体の吸収波長に同期させて発振させるレー
   ザ発振波長安定化装置において、 前記光周波数変調手段から出射された変調光と無変調光
   との強度が等しくなるように調整する強度調整手段と、 等強度の変調光と無変調光とを重ね合わせ、前記光吸収
   媒体に入射させる光合波手段とを設けた ことを特徴とするレーザ発振波長安定化装置。