JP2965383B2 - レーザ光の波長安定化における誤差信号発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光の波長安定化
の際に用いられる目標値と現在値の差即ち誤差信号発生
装置に関し、特に、レーザ光と波長変換素子との相互作
用を利用して誤差信号を得る誤差信号発生装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光の波長安定化は、光計測におけ
る精度の向上、光通信における大容量化、高速化に不可
欠な技術であり、一般に、レーザ光の波長を安定化する
方法は、現在の発振波長と基準波長との差を誤差信号と
して取り出し、この誤差信号をゼロにするようにレーザ
光の発振波長を制御することによって、発振波長を基準
波長に安定化させる方法が考えられる。

【０００３】従来、原子や分子の吸収線や光共振器の共
振波長を基準波長として利用し、誤差信号を発生させて
いた。以下、原子や分子の吸収線を用いる方法について
説明する。図７ａは、半導体レーザの波長安定化によく
用いられるルビジウムの吸収線（Ｒｂ−Ｄ２線のうちの
一本（波長７８０．０ｎｍ））である。図７ｂは、吸収
線の透過光量を波長で微分した微分信号であり、これを
誤差信号として用いる。

【０００４】図６は、この半導体レーザの波長安定化の
ための光学系及び信号処理ブロック図である。図６にお
いて、１は半導体レーザ、２０はＲｂセルで気体状のＲ
ｂが封入されている、３は光電変換器、４は発振器、５
はロックインアンプ、６は制御器、７は加算器である。
半導体レーザ１の発振波長の制御は、半導体レーザ１へ
の注入電流を制御することによって行うことができる。
そこで、レーザ光をＲｂセル２０に入射して、その透過
光ビーム強度を光電変換器３で測定しながら、注入電流
を掃引すると、図７ａに示すＲｂの吸収線が観測でき
る。

【０００５】次に、レーザ光の波長安定化における誤差
信号の発生について説明する。発振器４の出力の一部を
加算器７を用いて制御器６の出力に重畳することによ
り、注入電流の直流成分に比べて十分に小さい交流成分
を加算して、注入電流を振幅変調すると、レーザ光の発
振波長に極微少な波長変調がかかる。波長変調が行われ
た状態で、注入電流を掃引しながら、光電変換器３の出
力をロックインアンプ５を用いて、発振器４の出力であ
る変調周波数で同期検波すると、図７ｂに示すＲｂ吸収
線の微分信号が得られる。この微分信号は、いわゆるゼ
ロクロス信号であって、波長安定化用の誤差信号とな
る。

【０００６】制御器６は、この誤差信号がゼロになるよ
うに半導体レーザ１の注入電流を制御して、波長安定化
のフィードバック制御を行う。このように、半導体レー
ザ１の発振波長を図７ｂのゼロクロス点（波長＝７８０
ｎｍ）に安定化することができる。なお、上記の例にお
いて、変調周波数が５ｋＨｚで、ロックインアンプの時
定数が１００ｍｓｅｃの時に、１０^-13 の波長安定度が
得られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、原子や
分子の吸収線を用いて波長安定化を行う場合は、原子や
分子の吸収線の数は有限で離散的に存在するため、安定
化すべき波長が吸収線の波長に限定されてしまい、任意
の波長に対してレーザ光の波長安定化を行うことが困難
であるという課題があった。

【０００８】また、光共振器の共振波長を基準波長とし
て用いる場合は、その共振器の調整が難しく、また基準
波長を変化させる機構が複雑になるという課題があっ
た。本発明は、レーザ光と波長変換素子との相互作用を
利用することにより、レーザ光の波長安定化のための誤
差信号を、任意の波長について発生させることができ
る、レーザ光の波長安定化における誤差信号発生装置を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第１番目のレーザ光の波長安定化における
誤差信号発生装置は、レーザ光の波長を変調する手段
と、波長変換素子及び波長変換された光ビームを検出す
る光電変換器を備えた誤差信号発生装置であって、前記
波長変換素子が位相整合がとれていない状態であること
を特徴とする。

【００１０】次に本発明の第２番目のレーザ光の波長安
定化における誤差信号発生装置は、波長変換素子と、レ
ーザ光と前記波長変換素子との相互作用長を変調する手
段、及び波長変換された光ビームを検出する光電変換器
を備えた誤差信号発生装置であって、前記波長変換素子
が位相整合がとれていない状態であることを特徴とす
る。

【００１１】次に本発明の第３番目のレーザ光の波長安
定化における誤差信号発生装置は、レーザ光を２本の光
ビームに分割するビーム分割器と、波長変換素子と、波
長変換された各光ビームを検出する２つの光電変換器、
及び前記光電変換器の各出力の差信号を得る減算器を備
え、前記ビーム分割器により分割された２本の光ビーム
と前記波長変換素子との相互作用長が各々異なるように
配置することを特徴とする。

【００１２】

【作用】以下、本発明に係るレーザ光の波長安定化にお
ける誤差信号発生装置の原理を説明する。レーザ光が、
ＬｉＮｂＯ₃ 、ＫＨ₂ ＰＯ₄ 、ＫＴｉＯＰＯ₄ 、ＫＮｂ
Ｏ₃ 等の波長変換材料からなる波長変換素子に入射する
と、波長変換されたレーザ光が発生する。なお、波長変
換されるためには、位相整合がとれていない状態、即
ち、（数１）に示す例においてΔｋ≠０の条件、が必要
である。

【００１３】波長変換されたレーザ光の強度は、入射し
たレーザ光と波長変換素子との相互作用長を変化させる
ことにより、一定の周期で正弦波状に振動する現象が現
れる。この周期は一般に「コヒーレント長」と称され
る。コヒーレント長は、波長変換素子の屈折率の波長分
散と、入射するレーザ光の波長によって変化する。逆
に、相互作用長を一定に保ち、入射するレーザ光の波長
を変化させても、波長変換されたレーザ光の強度は正弦
波状に変化する。

【００１４】これらの現象を理解するために、第２次高
調波発生を例にとって数式に表したものが（数１）であ
る。なお、理解容易のために、波長λの代わりに角周波
数ωで表現している（ω＝２π・ｃ／λ）。

【００１５】

【数１】

【００１６】なお、２ωとωが波長変換素子の共鳴周波
数から離れている場合、光２ωにおける波長変換材料の
屈折率と光ωにおける波長変換材料の屈折率の差（ｎ₂
ω−ｎω）は、一定とみなすことができる。

【００１７】図１は、縦軸に光２ωのパワーをとり、横
軸に角周波数ωをとって表した（数１）のグラフであ
る。図１において、相互作用長ｌをパラメータとして、
破線１はｌ＝ｌ_aの場合、実線２はｌ＝ｌ_b（ｌ_a＜ｌ_b）
の場合のグラフである。図１の正弦波状の信号が波長安
定化の基準となり、この微分信号が、レーザ光の波長安
定化における誤差信号となる。また、相互作用長ｌを変
化させることによって、波長基準を任意に設定すること
ができる。

【００１８】従って、本発明の構成によれば、波長変換
素子へレーザ光を入射させて、レーザ光の波長を変調す
ることにより、レーザ光の角周波数ωが変調されて、図
１の例えば実線のグラフの微分信号が得られる。この微
分信号は、直流成分の無い正弦波状の信号であって、複
数のゼロクロス点が存在する。そこで、相互作用長ｌの
調整により、負のフィードバックになる傾きを有するゼ
ロクロス点を選択して、その点の角周波数ωを基準角周
波数として採用することにより、基準波長が決定され
て、レーザ光の波長安定化における誤差信号を得ること
ができる。

【００１９】また、レーザ光の波長を変調しないで、入
射したレーザ光と波長変換素子との相互作用長を変化さ
せることにより、波長変換されたレーザ光の強度が、一
定の周期で正弦波状に振動する現象が現れる。図２は、
縦軸に光２ωのパワーをとり、横軸に相互作用長ｌをと
って表した（数１）のグラフである。なお、λは入射レ
ーザ光の波長である。

【００２０】従って、レーザ光と前記波長変換素子との
相互作用長を変調することにより、図２のグラフの微分
信号が得られ、上述と同様に、複数のゼロクロス点の中
から、負のフィードバックになる傾きを有するゼロクロ
ス点を選択して、その点の相互作用長ｌを基準値として
採用することにより、基準波長が決定されて、レーザ光
の波長安定化における誤差信号を得ることができる。

【００２１】また、レーザ光を２本の光ビームに分割し
て波長変換素子へ入射し、各光ビームと波長変換素子と
の相互作用長が各々異なるように配置して、波長変換さ
れた各光ビームを検出する２つの光電変換器からの各出
力の差信号を発生させることにより、図１に示す破線１
のグラフと実線２のグラフとの差信号が得られる。この
差信号は、破線１と実線２の交点におけるゼロクロス点
が複数存在する。そこで、相互作用長ｌの調整により、
負のフィードバックになる傾きを有するゼロクロス点を
選択して、その点の角周波数ωを基準角周波数として採
用することにより、基準波長が決定されて、レーザ光の
波長安定化における誤差信号を得ることができる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明に係る、レーザ光の波長安定化
における誤差信号発生装置の実施例を説明する。 （実施例１）図３は、本発明に係る誤差信号発生装置の
一実施例の光学系及び信号処理ブロック図である。図３
において、１は半導体レーザ、２は波長変換素子であっ
て、図に示すようにくさび形状に形成され、Ｘ方向に移
動させることによって相互作用長ｌを変化させることが
できる。３は光電変換器、４は発振器、５はロックイン
アンプ、６は制御器、７は加算器、８は角周波数２ωの
光を透過し角周波数ωの光を遮断するフィルタ、９は波
長変換素子２をＸ方向に移動させるＸ軸ステージであ
る。

【００２３】半導体レーザの注入電流の直流成分に、十
分に小さい交流成分を加算して、注入電流を振幅変調す
ることにより、レーザ光に極微少な波長変調がかかる。
このレーザ光を波長変換素子２に入射し、波長変換され
た角周波数２ωのレーザ光の検出信号をロックインアン
プ５で同期検波すると、図１の例えば実線のグラフを微
分した微分信号が得られる。この微分信号はいわゆるゼ
ロクロス信号で制御用の誤差信号となる。

【００２４】制御器６は、この誤差信号を入力してロッ
クインアンプ５の出力がゼロになるように半導体レーザ
１の注入電流を制御することによって、レーザ光の波長
を安定化することができる。また、Ｘ軸ステージ９で波
長変換素子２をＸ方向に移動させて相互作用長ｌを調整
することにより、安定化させるレーザ光の波長を任意に
設定することができる。なお、変調周波数は、ロックイ
ンアンプの使用可能な範囲に設定され、数Ｈｚから約５
０ＭＨｚの範囲が好ましい。

【００２５】（実施例２）図４は、本発明に係る誤差信
号発生装置の他の実施例の光学系及び信号処理ブロック
図である。図４において、１０は波長変換素子２をＸ方
向に極微小な振幅で振動させることができるピエゾ素子
などの振動子である。波長変換素子２がＸ方向に極微少
な振幅で振動しているので、相互作用長ｌが変調されて
いることになる。これは、図１の例えば実線のグラフが
角周波数ω方向に振動していることに相当する。この信
号をロックインアンプ５で同期検波することによって、
実施例１で得られたのと同様なゼロクロス信号である制
御用の誤差信号を得ることができる。

【００２６】制御器６は、この誤差信号を入力してロッ
クインアンプ５の出力がゼロになるように半導体レーザ
１の注入電流を制御することによって、レーザ光の波長
を安定化することができる。

【００２７】なお、具体的な実施例として、波長変換素
子２に底辺２ｍｍ、上辺１．９６ｍｍ、高さ２０ｍｍの
台形状断面のものを使用し、ピエゾ素子で０．１ｍｍの
振幅で振動させると、相互作用長ｌの変位量が０．２μ
ｍとなる。これは、レーザ光の発振波長が８３０ｎｍの
場合、光の周波数が約３．６×１０¹⁴Ｈｚに対して約３
６ＧＨｚの周波数で振幅変調することに相当する。ま
た、変調周波数は、ピエゾ素子の駆動力と波長変換素子
の質量等に依存するが、５ｋＨｚから６ｋＨｚ程度が好
ましい。

【００２８】本実施例は、実施例１と違い、誤差信号発
生の際にレーザ光に波長変調をかける必要がない。レー
ザ光に波長変調がかけられていると、波長安定化がなさ
れたレーザ光に変調周波数成分の波長変動が残存してい
るため、計測、通信等に利用する際に精度、速度、容量
等の見地から利用対象が制限される傾向にある。従っ
て、この意味から本実施例は実用上大きな利点がある。

【００２９】（実施例３）図５は、本発明に係る誤差信
号発生装置の他の実施例の光学系及び信号処理ブロック
図である。図５において、１１はビーム分割器、１２は
反射ミラー、１３、１４は光電変換器、１５は光電変換
器１３、１４の各出力の差信号を得る減算器である。ビ
ーム分割器１１を透過したレーザ光と波長変換素子２と
の相互作用長はｌ_bで、ビーム分割器１１で反射したレ
ーザ光と波長変換素子２との相互作用長はｌ _aである。
従って、光電変換器１３、１４の出力は、それぞれ図１
に示す実線のグラフ２、破線のグラフ１に対応する。こ
の光電変換器１３、１４の各出力の差信号を減算器１５
を用いて得ることによって、実施例１で得られたのと同
様なゼロクロス信号である制御用の誤差信号を得ること
ができる。

【００３０】制御器６は、この誤差信号を入力して減算
器１５の出力がゼロになるように半導体レーザ１の注入
電流を制御することによって、レーザ光の波長を安定化
することができる。

【００３１】なお、具体的な実施例として、波長変換素
子２に底辺２ｍｍ、上辺１．９６ｍｍ、高さ２０ｍｍの
台形状断面のものを使用し、２つのビーム間隔を１ｍｍ
に設定すると、ｌ_aとｌ_bの差が約２μｍとなる。これを
図１に適用すれば、具体的な誤差信号を求めることがで
きる。

【００３２】本実施例も、実施例２と同様に、誤差信号
発生の際にレーザ光に波長変調をかける必要がないた
め、本実施例は実用上大きな利点がある。なお、上述の
実施例では、半導体レーザの波長安定化について説明し
たが、ガスレーザ、固体レーザ、液体レーザ等の波長安
定化についても同様に適用することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明を用いること
により、レーザ光の波長安定化のための誤差信号を、任
意の波長について発生させることができる。従って、簡
単な構成で、任意の波長について、レーザ光の波長を安
定化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】縦軸に光２ωのパワーをとり、横軸に角周波数
ωをとって表した（数１）のグラフである。

【図２】縦軸に光２ωのパワーをとり、横軸に相互作用
長ｌをとって表した（数１）のグラフである。

【図３】本発明に係る誤差信号発生装置の一実施例の光
学系及び信号処理ブロック図である。

【図４】本発明に係る誤差信号発生装置の他の実施例の
光学系及び信号処理ブロック図である。

【図５】本発明に係る誤差信号発生装置の他の実施例の
光学系及び信号処理ブロック図である。

【図６】従来の半導体レーザの波長安定化のための光学
系及び信号処理ブロック図である。

【図７】図７ａは、従来の半導体レーザの波長安定化に
用いられるルビジウムの吸収線（Ｒｂ−Ｄ２線のうちの
一本（波長７８０．０ｎｍ））であり、図７ｂは、吸収
線の透過光量を波長で微分した微分信号である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ 波長変換素子 ３ 光電変換器 ４ 発振器 ５ ロックインアンプ ６ 制御器 ７ 加算器 ８ 角周波数２ωの光を透過し、角周波数ωの光を遮断
するフィルタ ９ Ｘ軸ステージ １０ 振動子 １１ ビーム分割器 １２ 反射ミラー １３、１４ 光電変換器 １５ 減算器 ２０ Ｒｂセル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 峯本 尚 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 脇田 克也 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 尾崎 祐介 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−155878（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−238885（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−125482（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−158591（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−263227（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−34484（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18 H01S 3/108 - 3/109

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光の波長を変調する手段と、波長
   変換素子、及び波長変換された光ビームを検出する光電
   変換器を備えた誤差信号発生装置であって、前記波長変
   換素子が位相整合がとれていない状態であることを特徴
   とするレーザ光の波長安定化における誤差信号発生装
   置。
2. 【請求項２】 波長変換素子と、レーザ光と前記波長変
   換素子との相互作用長を変調する手段、及び波長変換さ
   れた光ビームを検出する光電変換器を備えた誤差信号発
   生装置であって、前記波長変換素子が位相整合がとれて
   いない状態であることを特徴とするレーザ光の波長安定
   化における誤差信号発生装置。
3. 【請求項３】 レーザ光を２本の光ビームに分割するビ
   ーム分割器と、波長変換素子と、波長変換された各光ビ
   ームを検出する２つの光電変換器、及び前記光電変換器
   の各出力の差信号を得る減算器を備え、前記ビーム分割
   器により分割された２本の光ビームと前記波長変換素子
   との相互作用長が各々異なるように配置する、レーザ光
   の波長安定化における誤差信号発生装置。