JP2687557B2 - 周波数安定化半導体レーザー装置 - Google Patents

周波数安定化半導体レーザー装置

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JP2687557B2 JP1065492A JP6549289A JP2687557B2 JP 2687557 B2 JP2687557 B2 JP 2687557B2 JP 1065492 A JP1065492 A JP 1065492A JP 6549289 A JP6549289 A JP 6549289A JP 2687557 B2 JP2687557 B2 JP 2687557B2
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義彦 立川
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/0687Stabilising the frequency of the laser

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> この発明は、半導体レーザーを制御してその出力光の
周波数を安定化する周波数安定化半導体レーザー装置に
関し、特に周波数の安定化と発振スペクトルの狭帯域化
とを同時に実現出来る周波数安定化半導体レーザー装置
に関するものである。
<従来技術> 半導体レーザーは小型でかつ信頼性が高いという特徴
があるが、その出力の周波数が周囲条件等によって変化
し、また光スペクトルの半値幅が広いという欠点があ
る。第6図でこの様な半導体レーザーの欠点を改良する
波長安定化装置を説明する。第6図において、半導体レ
ーザーLDは恒温槽に入れられ、その周囲温度が制御され
る。恒温槽は温度コントローラTCで制御される。この半
導体レーザーLDの出力光はレンズLで集束され、ハーフ
ミラーHMで2つに分岐される。ハーフミラーHMの透過光
は出力光として外部に出力され、反射光は1/2λ波長板
Zを透過して偏光ビームスプリッタPBSに入射され、2
つに分岐される。分岐された一方の光は第1の光電変換
素子PD1でその強度が電気信号に変換され、第1の増幅
器G1で増幅され、この第1の増幅器G1の出力は積分器B
に入力される。偏光ビームスプリッタPBSで分岐された
他方の光はファブリペロー干渉計等の波長選択素子Eに
入射され、その透過光は第2の光電変換素子PD2で電気
信号に変換されて積分器Bに入力される。積分器Bは入
力された2つの光電変換素子の信号の差を積分する。積
分器Bの出力は第2の増幅器G2で増幅され、その出力は
半導体レーザーLDの駆動電流を制御してその出力光の波
長を変化させる。この様な構成では、半導体レーザーLD
の出力光の波長を波長選択素子Eの透過光強度の波長特
性のスロープの位置に制御するので、その波長を安定化
する事が出来る。また、半導体レーザーLDの出力光を2
つに分岐し、波長選択素子Eを透過した光と透過しない
光の差で半導体レーザーLDを制御するようにしたので、
半導体レーザーLDの出力光強度が変化しても動作点がず
れないという特徴もある。
<発明が解決すべき課題> しかしながら、このような半導体レーザーの波長安定
化装置には次のような課題がある。波長選択素子として
はファブリペロー干渉計又はRbのような特定の波長の光
のみ吸収する標準物質を封入した吸収セル等を用いる
が、ファブリペロー干渉計を使用する場合光スペクトル
の狭帯域化を行うことは出来るが、その透過光の強度特
性は2つの半透鏡の間隔によって決まるので長期的に安
定化する事は困難であった。また光の速度は空気の屈折
率によって変化するので、周波数を安定化する事が出来
なかった。一方、吸収セルは原子の吸収特性を利用して
いるので長期的な安定性は十分あるが、吸収セル自身が
ノイズを発生するので出力光のスペクトルを狭帯域化す
ることが出来なかった。
<発明の目的> この発明の目的は、周波数の安定化と出力光のスペク
トルの狭帯域化が同時に行える周波数安定化半導体レー
ザー装置を提供する事にある。
<課題を解決する為の手段> 前記課題を解決する為に本発明は、半導体レーザーの
出力光を吸収セルとファブリペロー干渉計に入射し、こ
の吸収セル及びファブリペロー干渉計の透過光の強度を
第1の光検出器、第2の光検出器で検出して、これらの
検出器の出力に基づいて制御手段により前記半導体レー
ザーの出力光の周波数を制御する構成であって、前記第
1の光検出器の出力を低周波数帯域に制限して前記制御
手段に入力すると共に、前記第2の光検出器の出力を高
周波数帯域に制限して前記制御手段に入力するようにし
たものである。
<実施例> 第1図に本発明に係る周波数安定化半導体レーザー装
置の一実施例を示す。第1図において、1は半導体レー
ザーであり、恒温槽2内に配置されている。この恒温槽
2は温度制御器3により、その内部の温度が精密に制御
される。4はアイソレータであり、レンズによって平行
化された半導体レーザー1の出力光が入力される。アイ
ソレータ4は戻り光を遮断して半導体レーザー1を安定
に動作させるために用いる。5はハーフミラーであり、
アイソレータ4の透過光が入射され、この光を2つに分
岐する。6はハーフミラーであり、ハーフミラー5を透
過した光が入射され、この光を2つに分岐する。ハーフ
ミラー6を透過した光は出力光として外部に出力され
る。7はハーフミラーであり、ハーフミラー6で反射し
た光が入射され、この光を2つに分岐する。8は吸収セ
ルであり、ハーフミラー7を透過した光が入射される。
吸収セル8の内部にはRbのような特定の周波数の光を吸
収する標準物質が封入されている。吸収セル8は温度に
よってその吸収強度が変化しないように恒温槽9内に配
置され、その温度を一定にする。この恒温槽9は温度制
御器10により制御される。11は第1の光検出器であり、
吸収セル8の透過光が入射され、その光強度を電気信号
に変換する。12はローパスフィルタであり、第1の光検
出器11の出力が入力される。13は制御手段であり、ロー
パスフィルタ12の出力が入力される。制御手段13の出力
はAC結合により半導体レーザー1に入力され、その注入
電流を制御する。14はファブリペロー干渉計であり、ハ
ーフミラー5で反射した光が入射される。15は第2の光
検出器であり、ファブリペロー干渉計14の透過光が入射
され、その光強度を電気信号に変換する。16はハイパス
フィルタであり第2の光検出器15の出力が入力される。
ハイパスフィルタ16の出力は制御手段13に入力される。
17は光検出器であり、ハーフミラー7で反射された光が
入射され、その光強度を電気信号に変換する。光検出器
17の出力は制御手段13に入力される。制御手段13はロー
パスフィルタ12とハイパスフィルタ16の出力を加算した
信号から光検出器17の出力を減算した信号に基づいて半
導体レーザー1を制御する。
次に、この実施例の動作を説明する。半導体レーザー
1の出力光はハーフミラー5、6、7で4つに分岐さ
れ、それらはファブリペロー干渉計14、吸収セル8、光
検出器17に入射され、また外部に出力される。吸収セル
8は特定の周波数の光のみ吸収し、ファブリペロー干渉
計14は特定の周波数の光のみ透過させるので、これらの
透過光強度が一定になるように半導体レーザー1の注入
電流等を制御してその出力光の周波数を変化させること
により、その周波数を一定に制御する。この実施例で
は、吸収セル8の透過光強度を表わす第1の光検出器11
の出力をローパスフィルタ12でその高周波成分をカット
し、またファブリペロー干渉計14の透過光強度を表わす
第2の光検出器15の出力をハイパスフィルタ16でその低
周波成分をカットしてこれらの和信号により半導体レー
ザー1を制御しているので、短周期の制御はファブリペ
ロー干渉計14により行われ、長周期の制御は吸収セル8
によって行われる。その為、吸収セル8が発生するノイ
ズ及びファブリペロー干渉計14の半透鏡の間隔や空気の
屈折率が変化する事による透過特性の変動による影響を
除去することが出来、光スペクトルの狭帯域化と周波数
の変動の抑制が同時に行える。例えば、ファブリペロー
干渉計のみで周波数安定度を10-8にするためには、ファ
ブリペロー干渉計14のスペーサとしてZERODUR等の低膨
脹係数の材料を用いたとしても温度変動を±0.2℃以下
にしなければならず、エアギャップエタロンでは空気の
屈折率変動を押さえるために±0.01℃以下に制御しなけ
ればならない。しかしながら、この実施例では長期的な
安定性は吸収セル8によって制御されるので、ファブリ
ペロー干渉計14は第2図に示す透過光のピーク18の肩の
部分にあればよいから、肩の部分に相当するΔf程度の
変動は許される。通常のファブリペロー干渉計ではこの
Δfは400MHz程度あるので、1.1×10-6の安定度があれ
ばよい。この為には、低膨脹率材料を用いたとすると±
21℃程度の温度変動は許容され、エアギャップエタロン
でも±1℃の制御を行えばよい。
第3図に半導体レーザー1、第1、第2の光検出器1
1、15、光検出器17、ローパスフィルタ12、ハイパスフ
ィルタ16、制御手段13の具体的な構成の一例を示す。な
お、第1図と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略
する。第3図において、光検出器17の出力は増幅器19で
反転増幅され、第1の光検出器11の出力と加算される。
ローパスフィルタ12は増幅器20とその帰還側に接続され
た抵抗及びコンデンサにより構成されている。また、第
2の光検出器15の出力は増幅器21とコンデンサで構成さ
れたハイパスフィルタ16に入力される。ハイパスフィル
タ16とローパスフィルタ12の出力は2つのトランジスタ
で構成された制御手段13に入力され、半導体レーザー1
の注入電流を制御する。半導体レーザー1はローパスフ
ィルタ12とハイパスフィルタ16の加算出力で駆動され
る。第4図にさらに他の実施例を示す。光検出器17の出
力は増幅器19で反転増幅され、第1の光検出器11の出力
と共にローパスフィルタ12に入力される。第2の光検出
器15の出力はコンデンサ22で低周波成分がカットされ、
増幅器23でローパスフィルタ12の出力と加算されて制御
手段13に入力される。
なお、第5図に示すように、吸収セルの透過光特性の
ピーク24の単調変化部分fWに半導体レーザー1の出力光
の周波数をロックするようにすると周波数の変化が光強
度の変化に変換されるので、ロックインアンプ等の装置
を使わずに簡単な装置で周波数を安定化することが出来
る。
また、ローパスフィルタ12、ハイパスフィルタ16、制
御手段13は一体にして構成してもよい。
<発明の効果> 以上実施例に基づいて具体的に説明したように、この
発明では半導体レーザーの出力光を吸収セル及びファブ
リペロー干渉計に入射し、吸収セルの透過光強度信号を
ローパスフィルタを通した信号と、ファブリペロー干渉
計の透過光強度信号をハイパスフィルタに通した信号に
より、前記半導体レーザーを制御するようにした。その
為、光スペクトルの狭帯域化と周波数の安定化が同時に
出来るという効果がある。
また、ファブリペロー干渉計の温度制御を厳密にする
必要がないので、装置の構成が簡単になるという効果も
ある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る周波数安定化半導体レーザー装置
の一実施例を示す構成図、第2図はファブリペロー干渉
計の特性を示す特性曲線図、第3図及び第4図は具体的
な構成を示す図、第5図は吸収セルの特性を示す特性曲
線図、第6図は従来の波長安定化半導体レーザー装置の
構成を示す構成図である。 1……半導体レーザー、5〜7……ハーフミラー、8…
…吸収セル、11……第1の光検出器、12……ローパスフ
ィルタ、13……制御手段、14……ファブリペロー干渉
計、15……第2の光検出器、16……ハイパスフィルタ、
17……光検出器。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体レーザーと、この半導体レーザーの
    出力光が入射される吸収セルと、この吸収セルの透過光
    の強度を検出する第1の光検出器と、前記半導体レーザ
    ーの出力光が入射されるファブリペロー干渉計と、この
    ファブリペロー干渉計の透過光の強度を検出する第2の
    光検出器と、この第2の光検出器及び前記第1の光検出
    器の出力が入力され前記半導体レーザーの出力光の周波
    数を制御する制御手段とを有し、前記第1の光検出器の
    出力を低周波数帯域に制限して前記制御手段に入力する
    と共に、前記第2の光検出器の出力を高周波数帯域に制
    限して前記制御手段に入力するようにしたことを特徴と
    する周波数安定化半導体レーザー装置。
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