JP2567897B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 光通信に用いられるコヒーレントな光を発生する半導
体レーザ装置に関し、 波長が安定したレーザ光を発生することを目的とし、 半導体レーザと、原子発振器と、該レーザの出力光に
よりポンピングを受ける共鳴セルと、該原子発振器の出
力を位相変調し且つ該共鳴セルの遷移周波数に変換して
該共鳴セルの共鳴パターンを狭くする周波数合成部と、
該共鳴セルの２倍波出力を検出して該検出値が最大とな
るように該半導体レーザを制御する検出部と、で構成す
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体レーザ装置に関し、特に光通信に用
いられるコヒーレントな光を発生する半導体レーザ装置
に関するものである。

通信分野においては、益々光通信が盛んになって来て
いるが、これは、光通信が大容量通信を可能にするため
である。

ところが、現在まで光通信の光源としては、コヒーレ
ント光が実現していないために光通信の性能の一部を活
用しているに過ぎない。

このため、研究所、大学、メーカー等では、光通信の
光源用として半導体レーザの波長安定化について種々開
発が進められている。

〔従来の技術〕

第５図は従来の半導体レーザ装置の一例を示したもの
で、この装置では、起動装置（図示せず）により起動さ
れた半導体レーザ１は、ハーフミラー11を介して光変調
器12に入力する。この光変調器12は低周波発振器13から
の低周波信号によって入力レーザ光を位相変調して吸収
セル14に送る。この吸収セル14は例えばアンモニアで構
成したもので、レーザ光の波長を吸収し、その他の波長
を通過させるので、この吸収セル14から出力される光は
第６図の特性曲線Ａに示すように、レーザ光の波長付近
で最小となる。吸収セル14の出力は光検出器15で検出さ
れ、発振器13の低周波出力の基本波成分と位相比較器16
で位相比較される。この位相比較器16の出力は第７図に
示すようになり、この位相比較器16の出力がゼロ電圧に
なるようにレーザ１を電流制御する。

このようにしてレーザ光の波長の安定化を図ってい
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような従来の半導体レーザ装置では、吸収セルを
用いていたために、第６図に示す特性曲線が示すスペク
トル幅、即ち共鳴パターンのＱ（選択度）が大きいため
に、発振器13の低周波信号の２倍波の出力が正確に検出
できず、光検出出力と低周波出力（基本波成分）とを位
相比較する必要がある。このため、レーザ光の波長の安
定性が悪いという課題があった。

従って、本発明の目的は、波長が安定したコヒーレン
トなレーザ光を発生することのできる半導体レーザ装置
を実現することである。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は上記の目的を達成するための本発明の半導体
レーザ装置を概念的に示した図で、１は半導体レーザ、
２は原子発振器、３はレーザ１の出力光によりポンピン
グを受ける共鳴セル、４は原子発振器２の出力を位相変
調し且つ共振セル３の遷移周波数に変換して共鳴セル３
の共鳴パターンを狭くする周波数合成部、５は共鳴セル
３の２倍波成分出力を検出して該検出値が最大となるよ
うに半導体レーザ１を制御する検出部である。

〔作用〕

第１図に示す本発明の半導体レーザ装置においては、
出力周波数の安定した原子発振器２から出力されたマイ
クロ波は周波数合成部４で位相変調された後、更に共鳴
セル３の遷移周波数に相当する周波数に変換されて共鳴
セル３に与えられる。これにより共鳴セル３の共鳴パタ
ーン（Ｑ）は先鋭なものとなり、入力光の吸収選択度が
大きくなる。

ここで、レーザ光がレーザ１より共鳴セル３に入力さ
れると共鳴セル３はポンピング作用によりエネルギーレ
ベルが上がるとともにレーザ光を吸収する。その結果、
検出部５の入力は、共鳴セル３の遷移周波数を中心とし
て大きくなる。

この場合、第２図に示すように、共鳴パターンはレー
ザ光の波長（周波数）をパラメータとしており、共鳴パ
ターンの吸収選択度を示す値Ｂはレーザ光の波長が共鳴
セル３内の原子の共鳴周波数に一致した時に最大とな
り、従って位相変調信号の２倍波成分出力も最大とな
る。そして、レーザ光の波長がずれてその共鳴周波数と
の差が大きくなればなる程、共鳴セル３からの２倍波は
小さくなる。

従って、検出部５では共鳴セル３からの２倍波を検出
し且つその検出値が、第３図に示すように最大となるよ
うにレーザ１を制御する。

これにより、レーザ光の波長は共鳴セル３の共鳴周波
数に一致する。

〔実 施 例〕

以下、本願発明に係る半導体レーザ装置の実施例を説
明する。

第４図は、第１図の半導体レーザ装置の一実施例を示
したもので、この実施例では、第１図に示した周波数合
成部４は、低周波発振器41と、原子発振器２のマイクロ
波出力を低周波発振器41から出力される低周波信号によ
り位相変調する変調器42と、この変調器42の出力を共鳴
セル３の遷移（共鳴）周波数まで高める周波数変換器43
と、で構成されている。また、検出部５は共鳴セルの光
出力を電気信号に変換する光検出器51と、この光検出器
51の出力のうち２倍波成分のみを抽出してそのピーク値
を検出するピーク検出器52とで構成されている。

次に上記の実施例の動作を説明する。

例えば、ルピジウムを用いた原子発振器２の場合、そ
のマイクロ波周波数は５〜10MHz程度であり、これを変
調器42で低周波による位相変調をかけた後、周波数変調
器43で共鳴セル３の超微細構造の遷移周波数に近い6.3G
Hz程度の高い周波数に変換して共鳴セル３に与える。

これにより、共鳴セル３の共鳴パターンのＱは大きく
なるので、従来ではそのＱが小さかったために、２倍波
成分のみに着目した制御ができなかったが、本発明では
これが可能になる。

即ち、レーザ１からのレーザ光は共鳴セル３に入力さ
れると、そのエネルギーは、ポンピングを起こすことに
より吸収されて共鳴セル３からのレーザ光出力は小さく
なるが、第２図に示したように、レーザ光の波長が共鳴
周波数に近づけば近づく程、共鳴セル３の出力は小さく
なり、その遷移周波数に一致したとき光検出器51の入力
は最小となる。そして、この時、発振器41の低周波信号
による揺らぎに起因してピーク値検出器52で検出される
２倍波成分は、第２図に示すように遷移周波数を中心と
する特性曲線の傾きが最大となるために、レーザ光の波
長と遷移周波数とが一致しない時に比べて最大となる。

従って、ピーク値検出器52では絶えず２倍波成分を検
出し、これが最大となるようにレーザ１に帰還して、レ
ーザ光と共鳴セル３の共鳴周波数とが一致するように制
御している。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の半導体レーザ装置によれば、
周波数の安定した原子発振器を用い、この出力マイクロ
波を位相変調し且つ共鳴セルの遷移周波数まで高めて共
鳴セルの共鳴パターンを狭くし、レーザ光を共鳴セルで
ポンピングした時の光出力の２倍波成分のみ検出してレ
ーザ光の周波数を制御するように構成したので、共鳴パ
ターンの先鋭化によりレーザ光の周波数をより正確に制
御することができ、安定した波長のレーザ光を発生する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る半導体レーザ装置の原理ブロック
図、 第２図及び第３図は本発明の原理を説明するためのグラ
フ図、 第４図は本発明に係る半導体レーザ装置の一実施例を示
すブロック図、 第５図は従来の半導体レーザ装置の一例を示した図、 第６図は従来の半導体レーザ装置の吸収セル出力と位相
変調波との関係を示すグラフ図、 第７図は従来の半導体レーザ装置の位相比較動作を示す
グラフ図、である。 第１図において、 １……レーザ、 ２……原子発振器、 ３……共鳴セル、 ４……周波数合成部、 ５……検出部。 尚、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−252984（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−95736（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザ（１）と、原子発振器（２）
   と、該レーザ（１）の出力光によりポンピングを受ける
   共鳴セル（３）と、該原子発振器（２）の出力を位相変
   調し且つ該共鳴セル（３）の遷移周波数に変換して該共
   鳴セル（３）の共鳴パターンを狭くする周波数合成部
   （４）と、該共鳴セル（３）の２倍波成分出力を検出し
   て該検出値が最大となるように該半導体レーザ（１）を
   制御する検出部（５）と、を備えたことを特徴とする半
   導体レーザ装置。