JP2831429B2 - 高感度光周波数弁別装置 - Google Patents

高感度光周波数弁別装置

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はファブリペロー共振器を用いた高感度の光周
波数弁別装置に関する。
(従来の技術) 上記ファブリペロー共振器は光の周波数を強度に変換
する弁別器としての機能を有している。
そのため、光周波数弁別器として発光素子の中心周波
数の揺らぎや周波数雑音の測定、制御に利用されてい
る。
従来、この光周波数弁別器を用いた測定、制御装置と
しては、ファブリペロー共振器の構成を直接用いたもの
が存在する。
この使用法はファブリペロー共振器の透過または反射
スペクトルの曲線の肩を基準にして、発光素子の中心周
波数の揺らぎや周波数雑音の測定、制御に用いるもので
ある。
第8図は上記装置の一例を示すもので、ファブリペロ
ー共振器の透過、反射共振特性を光周波数弁別器として
用いた例である(田淵他、87年春期応物学会、31p−ZH
−13半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化III)。
この図の(a)はファブリペロー共振器の透過および
反射スペクトルの強度−光周波数の特性を、(b)は装
置の概略ブロック図をそれぞれ示している。
半導体レーザを出射したレーザ光をアイソレータ,半
透過型ミラーを介してファブリペロー共振器に入射さ
せ、その反射光出力を受光素子に入射させ、周波数制御
部によって発光素子を制御することにより反射光出力の
中間に半導体レーザの中心周波数を安定化させている。
また、ファブリペロー共振器の透過光出力を受光素子
に入射させ、位相補償ネットワークによって半導体レー
ザの周波数雑音を測定し、半導体レーザの駆動電流に負
帰還をかけることにより発振線幅の狭窄を実現させてい
る。
この他にファブリペロー共振器を光の周波数弁別器に
用いるものとしては、ファブリペロー共振器の反射スペ
クトルと前面ミラーの反射光との干渉を利用したものが
ある。
第9図はこの方法を利用した例(T.W.HANSCH,B.COVIL
LAUD OPTICS COMMUNICATIONS Dec.1980 Vol.35 No.3)
であり、同図(a)は装置の概略斜視図、同図(b)は
その分散曲線をそれぞれ示している。
発光素子より出射したレーザ光の直線偏光はミラーを
介してファブリペロー共振器に入射する。
ファブリペロー共振器は、入射光の直線偏光に対し主
軸がθ゜(45゜)傾いた偏光板が挿入されており、偏光
板の主軸方向の偏光成分に対してのみ共振器の反射スペ
クトルが得られるようになっている。また、偏光板の主
軸に対し垂直な方向の偏光成分に対してはM1が単にミラ
ーとして働くようになっている。
よって、発光素子の光の周波数が共振周波数と一致し
た場合のみ直線偏光となり、それ以外は右回りまたは左
回りの楕円偏光となる。
共振器の出射光は1/4波長板に入射する。
1/4波長板のFAST軸(またはSLOW軸)は発光素子の偏
波面と45゜傾いており、直線偏光が入射したときは円偏
光に、円偏光が入射したときは直線偏光に変化するよう
に配置されている。1/4波長板を出た光は偏光ビームス
プリッタに入射する。共振器の反射スペクトルと前面ミ
ラーの反射光は偏光ビームスプリッタで偏波面が一致す
る成分毎に干渉し、それぞれ光検出器に受光される。2
個の受光素子の出力は位相が180゜ずれており(正負が
逆転している)、差動回路によってその差が増幅され、
通常の出力の2倍の出力が得られる。この差動回路出力
はファブリペロー共振器の分散曲線(光周波数弁別曲
線)となる。
(発明が解決しようとする課題) ところで、ファブリペロー共振器を光周波数弁別装置
として発光素子の中心周波数の揺らぎや周波数雑音の測
定、制御に直接用いる前者の例では次のような問題があ
った。
・中心周波数の測定、制御を行う際、ファブリペロー共
振器出力の任意の点を基準としているため、発光素子の
強度が変化するとそれを周波数の変化としてとらえてい
た。すなわち、発光素子の強度雑音の影響を受けやすか
った。
・中心周波数の制御を行う際、外乱により発光素子の中
心周波数がファブリペロー共振器の1自由スペクトル域
(C/2L、Cは光速度、Lは共振器長)以上変化した場
合、復帰特性がなくなってしまう。すなわち、中心周波
数復帰特性が良好でなかった。
・周波数雑音の測定、制御を行う際、周波数−強度変換
特性におけるゲイン特性が小さく、また、第8図(b)
では位相特性が180゜回ってしまうために広帯域の制御
ができなかった。
また、後者の光学系から得られる分散曲線を利用する
方法では以下の問題があった。
・前者と同様に中心周波数の制御を行う際、中心周波数
復帰特性が1自由スペクトル域しかなく狭かった。
・ファブリペロー共振器の中に偏光板を入れているた
め、損失が増加してフィネスが低下する。このため周波
数雑音の制御を行う際、制御利得が減少していた。
本発明の目的は上述の諸問題を解決するもので、発光
素子の強度雑音の影響を受けることがなく、広範囲な中
心周波数復帰特性を有し、周波数−強度変換特性におけ
るゲインの大きい広帯域制御ができ、さらに制御利得も
低下することのない高感度光周波数弁別装置を提供する
ことにある。
(課題を解決するための手段) 前記目的を達成するために本発明による高感度光周波
数弁別装置は入射光の偏波面を回転させる偏光素子を光
路に挿入したファブリペロー共振器と、前記ファブリペ
ロー共振器より出射する2つの異なる偏光成分を持つ出
射光と発光素子からの入射光を異なる方向に分離する第
1の光学素子と、前記第1の光学素子で分離された2つ
の異なる偏光成分を持つ出射光の一方に光路差を与える
第2の光学素子と、前記第2の光学素子を通過した光を
偏波面が一致する成分毎に干渉させて異なる方向に分離
する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッ
タにより分離された干渉光をそれぞれ受光する2個の受
光素子と、前記2個の受光素子出力の差動出力を得る差
動回路とから構成してある。
このような構成によれば、上述の問題はすべて解決さ
れる。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明をさらに詳しく説明す
る。
第1図は本発明による高感度光周波数弁別装置の第1
の実施例を示す概略ブロック図である。
発光素子1の光出力はビームスプリッタ11を透過して
ファブリペロー共振器7に入射する。
ファブリペロー共振器7は対面して配置した透過型ミ
ラー7aおよびミラー7cと、これらミラー間に挿入された
偏光素子である1/4波長板7cとから構成されている。
1/4波長板7cは光がミラー間を一往復するとその偏波
面を90゜回転させるように配置されている。
ファブリペロー共振器7の反射出力側から偏波面が直
交した2つの光が出射される。偏波面が直交した2つの
反射出力光はビームスプリッタ11に戻り、ビームスプリ
ッタ11で反射出力光は入射光に対し直角方向に反射され
る。
進路を変更された反射出力光は1/4波長板2に導かれ
る。
1/4波長板2は、直交した偏波面の2つの光の間にπ/
2の光路差を生じさせる。
1/4波長板2で光路差を与えられた直交した偏波面の
2つの光は偏光ビームスプリッタ3に入射する。
偏光ビームスプリッタ3は1/4波長板2のFAST軸に対
し偏波軸が45゜ずれており、光の偏波面が一致する成分
ごとに干渉するように作用する。
偏光ビームスプリッタ3で分離された2つの干渉光は
受光素子4および5にそれぞれ導かれる。
受光素子4および5の出力は差動回路6の正入力端子
および反転入力端子に接続されており、差動出力が取り
出される。
受光素子4および5の出力は位相が180゜ずれ(正負
が逆転している)ているので、差動回路6からは通常の
出力の2倍の出力が得られる。
この差動回路6の出力がファブリペロー共振器の分散
曲線(光周波数弁別曲線)となる。
第5図はこの分散曲線の特性を示す図である。図中、
横軸が光周波数、縦軸が回路出力であり、曲線は中心を
0とした対称形となっている。
この分散曲線を中心周波数の測定、制御に使用する
と、差動出力のため発光素子の強度が変化してもその影
響を受けることはない。
また、2自由スペクトル域分の広い制御範囲を持つこ
とも明らかである。
第6図はこの分散曲線とファブリペロー共振器の透過
光、反射光も用いたときの周波数−強度変換特性を示す
図である。
図中、横軸がファブリペロー共振器の半値幅で規格化
した周波数、縦軸が位相とゲインである。
ΔVFPはファブリペロー共振器の半値全幅である。
(a)は第1図のファブリペロー共振器の分散曲線,
(b)はファブリペロー共振器の反射光出力,(c)は
ファブリペロー共振器の透過光出力をそれぞれ示してお
り、Aがゲイン特性,Bが位相特性をそれぞれ示してい
る。
本発明による装置の分散曲線はゲイン特性,位相特性
ともに優れていることが分る。
また、偏光素子は偏光板のように損失はなく、ミラー
の反射率で決る高いフィネスが維持でき、周波数雑音の
制御を行う際の制御利得も低下しない。
第2図は本発明の第2の実施例を示す概略ブロックで
ある。
この実施例はフレネルロム板の両端をミラーとして用
いてファブリペロー共振器を作成した例である。他の構
成は第1図のものと同様で、同一の構成要素には同一の
番号を付してある。
共振器内部の偏光素子はフレネルロム板17がその役割
を果たし、光が一往復したときに偏波面が90゜回転する
ようにフレネルロム板17の角度αを調節してある。フレ
ネルロム板17からは偏波面が直交する2つの光が取り出
される。この光は第1図と同様に1/4波長板2に入射さ
れ、同様な処理がなされる。
第3図は本発明の第3の実施例を示す概略ブロック図
である。
本実施例のファブリペロー共振器は第1の実施例とは
異なり進行波型を用いており、他の構成要素は同じであ
る。なお、第1図におけるビームスプリッタ11の役割は
進行波型ファブリペロー共振器の半透過型ミラー8aが果
している。
第1の実施例と同じ構成要素には同一の符号を付して
ある。
進行波型ファブリペロー共振器8は半透過型ミラー8a
を含む合計4枚のミラー8a〜8dをそれぞれ対角線上に対
向するように正方形の各頂点に配置し、半透過型ミラー
8aより入射する光はこれらミラーによって光共振ループ
を形成する。
ミラー8cと8dとの間には偏光素子である1/2波長板8e
が挿入されている。
入射光はこの1/2波長板8eを通過しひと回りするごと
にその偏波面が90゜回転する。
したがって、半透過型ミラー8aの入射光に対して90゜
異なる方向には偏波面が直交する2つの光が取り出され
る。
この偏波面が直交する2つの光は、第1図と同様1/4
波長板2に入射され、同様な処理がなされる。
第1および第3の実施例はファブリペロー共振器に挿
入される偏光素子として波長板を用いているが、この他
の素子としてファラデー回転素子を用いても良い。
第4図は本発明の第4の実施例を示す概略ブロック図
である。
本実施例のファブリペロー共振器はさらに他のタイプ
であるリング型を用いている。第1図におけるビームス
プリッタ11の役割はリング型ファブリペロー共振器の光
ファイバ方向性結合器9cが果している。また、発光素子
2からの光を方向性結合器9cの光ファイバに集光して入
射するため、発光素子2と光ファイバ方向性結合器9cと
の間に光学レンズ10が、同様に方向性結合器9cの光ファ
イバから出射した光を1/4波長板2に入射するため方向
性結合器9cと1/4波長板2との間に光学レンズ12がそれ
ぞれ配置されている。他の構成要素は第1図と同様であ
り、同じ符号を用いている。
リング型ファブリペロー共振器9は光ファイバをルー
プ状にし、光ファイバ9aのループに上述の光ファイバ方
向性結合器9を結合し、さらに他の光路上に偏波面を90
゜回転させる偏光素子を挿入して構成されている。
なお、光ファイバに偏波面保存光ファイバを用いる場
合は、偏光素子の代わりにファイバを90゜回転させた融
着接続部構成とすることができる。光がループを一回り
するごとに偏波面が90゜回転する。
光ファイバ方向性結合器9cの光学レンズ12に結合する
端子には偏波面が直交する2つの光が取り出される。
この偏波面が直交する2つの光は光学レンズ12を介し
て1/4波長板2に入射され、以降は第1の実施例と同様
の処理がなされる。
第7図は半導体レーザの線幅狭窄のシステムに第1図
の光周波数弁別装置を適用した応用例である。
半導体レーザの光はレンズ15,アイソレータ14を介し
て光周波数弁別装置のビームスプリッタ11に入射する。
差動制御回路13の出力端には半導体レーザの中心周波
数の揺らぎと周波数雑音に応じた電圧が出力される。
半導体レーザ発光素子1には、差動制御回路13の出力
電圧が入力され、半導体レーザ駆動電流に負帰還がかけ
られる。
このように負帰還ループを形成することにより、中心
周波数の揺らぎを光周波数弁別曲線の0に安定化し、周
波数揺らぎを抑圧した装置を構成できる。すなわち、半
導体レーザの中心周波数を共振点に抑え、発振線幅を狭
窄した装置を実現できる。なお、この図で半導体レーザ
に負帰還をかけないで、スペクトラムアナライザに光周
波数弁別装置出力を接続すれば、ゲインの高い半導体レ
ーザの周波数雑音測定装置が構成される。
(発明の効果) 以上、説明したように本発明によれば、発光素子の強
度雑音の影響を受けることなく、中心周波数復帰特性が
良好で、周波数−強度変換特性のゲインが大きく位相回
りの小さい広帯域制御ができ、また、損失が少ないため
制御利得も低下することのない高感度光周波数弁別装置
を実現できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による高感度光周波数弁別装置の第1の
実施例を示す概略ブロック図、第2図,第3図および第
4図は本発明の第2,第3および第4の実施例をそれぞれ
示す概略ブロック図、第5図は第1図の分散曲線の特性
を示す図、第6図は第1図の分散曲線とファブリペロー
共振器の透過光、反射光を用いたときの周波数−強度変
換特性を示す図、第7図は第1図の実施例の応用例を示
す概略ブロック図、第8図は従来の光周波数弁別装置の
一例を示す図で、同図(a)は装置に用いている共振器
の透過スペクトルと反射スペクトルの特性図、同図
(b)は装置の概略ブロック図をそれぞれ示している。
第9図は従来の光周波数弁別装置の他の例を示す図で、
同図(a)は装置の概略斜視図、同図(b)は装置の分
散曲線特性図をそれぞれ示している。 1……発光素子 2……1/4波長板(第2の光学素子) 3……偏光ビームスプリッタ 4,5……受光素子 6……差動回路 7……ファブリペロー共振器 8……進行波型ファブリペロー共振器 9……リング型ファブリペロー共振器 10,12,15……光学レンズ 11……ビームスプリッタ(第1の光学素子) 13……差動制御回路 14……アイソレータ 17……フレネルロム板で構成したファブリペロー共振器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−128126(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01J 9/00 H01S 3/10

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入射光の偏波面を回転させる偏光素子を光
    路に挿入したファブリペロー共振器と、前記ファブリペ
    ロー共振器より出射する2つの異なる偏光成分を持つ出
    射光と発光素子からの入射光を異なる方向に分離する第
    1の光学素子と、前記第1の光学素子で分離された2つ
    の異なる偏光成分を持つ出射光の一方に光路差を与える
    第2の光学素子と、前記第2の光学素子を通過した光を
    偏波面が一致する成分ごとに干渉させて異なる方向に分
    離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリ
    ッタにより分離された干渉光をそれぞれ受光する2個の
    受光素子と、前記2個の受光素子出力の差動出力を得る
    差動回路とから構成した高感度光周波数弁別装置。
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