JP2986239B2 - 周波数安定化光源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レ−ザからのレ
−ザ光をドップラ−効果を利用して変調し、位相検波法
により原子あるいは分子の飽和吸収線中に存在するラム
ディプのピ−ク周波数にレ−ザ光の周波数を安定化させ
た周波数安定化光源に関する。

【０００２】産業上の利用分野としては、各種光計測用
の光源を始め、高精度光周波数基準光源、物理・化学計
測用の安定化光源、コヒ−レント光通信用の光源などに
幅広く利用される。

【０００３】

【従来の技術】半導体レ−ザは、注入電流と周囲温度を
変えることによってレ−ザ光の周波数を可変することが
できるという、他のレ−ザ光源にはない特徴を有してい
る。その可変率は、−数ＧHz／ｍＡ、−１０数ＧHz／Ｋ
である。しかし、この長所は反面、注入電流と周囲温度
の変動によって周波数が不安定になるという短所にもな
っている。この短所をなくすため従来においては、光吸
収セル（単に、吸収セルともいう。）を用いて所定の周
波数に安定化させる方法が用いられてきた。例えば、同
一出願人等による発明「波長安定化光源」（特開平２−
９６３８８号）の場合では、周囲温度を任意に設定した
温度の±０．１〜１ｍＫ程度の範囲内まで安定に保ち、
その上で周波数を光吸収セル中のガスの光吸収スペクト
ルなどの周波数基準と比較し、その差分に対応した注入
電流を半導体レ−ザに負帰還させることによって周波数
を安定化させた。この場合、レ−ザ光を変調し位相検波
によりレ−ザ光の周波数と光吸収スペクトルとの差分を
出力させるのだが、変調の方法としては、注入電流を制
御する直接変調法と、音響光学素子等を用いた外部変調
法等がある。直接変調法では出力光の周波数に変調が乗
ってしまうという欠点があり、外部変調法では音響光学
素子の変調効率が温度等により変動し、出力光の周波数
にドリフトが発生するという欠点があった。 （参考文献） （１） 橋本 実，大津 元一；「⁸⁷Ｒｂ原子発振器の
ためのレ−ザ分光及び半導体レ−ザの周波数制御」，T.
IEE Japan,Vol.108-C No.9,'88pp. 706-712 （２） 橋本 実，小沢 英隆，大津 元一；「半導体
レ−ザ励起ルビジウム原子発振器」，電子情報通信学会
光・量子エレクトロニクス研究会(OQE) 資料 OQE 8
5-3 pp.15-22

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明に
おいては、レ−ザ光の周波数変調をドップラ−効果で行
うことにより、従来技術における下記の課題を解決する
ことを目的とする。周波数変調させるために、 （１） 直接変調法では、出力光の周波数に変調が残っ
てしまう。 （２） 音響光学素子等による外部変調法では、変調効
率に長期的なドリフトが発生してしまう。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、上
記の課題に対する解決の手段を、飽和吸収スペクトルの
ラムディップがもつ急峻なピ−クを利用し、ドップラ−
効果により周波数変調を行うことで、周波数安定度の高
い周波数安定化光源を実現するものである。

【０００６】

【作用】（１）外部変調法であるため出力光に変調が乗
らない。 （２）ドップラ−効果による周波数変調であるため変調
効率が短期、長期ともに安定である。という周波数安定
化光源が得られた。

【０００７】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す。半導体レ
−ザ１からの出力されたレ−ザ光は、１／２波長板２を
透過後、偏光ビ−ムスプリッタ３により水平偏波光はｂ
方向に、垂直偏波光はｃ方向に分岐される。半導体レ−
ザ１からのレ−ザ光は直線偏光であるが、偏光方向を１
／２波長板２により回転させれば、ｂとｃ方向の分岐比
を調整することがてきる。光の進路を２本の実線で成る
矢印で示してある。ｃ方向に分岐されたレ−ザ光（垂直
偏波光）を出力光として利用し、ｂ方向のレ−ザ光（水
平偏波光）は１／４波長板４を透過させる。

【０００８】水平偏波光が１／４波長板４を透過する
と、右回りの円偏光となる。これが反射されると、回転
方向が逆さまとなり、左回りの円偏光となって１／４波
長板４を逆方向から透過する。このとき円偏光が再び直
線偏光にもどるが、その偏光方向は垂直偏波となる。そ
のため偏光ビ−ムスプリッタ３においてｄ方向にのみ出
射される。

【０００９】１／２波長板２、偏光ビ−ムスプリッタ
３、１／４波長板４の組み合わせによる光路手段５によ
り、図中ａ方向から入射したレ−ザ光はｂ、ｃ方向に分
岐されるがｂ方向から戻ってきた戻り光は、ｄ方向にの
み出射される。

【００１０】図中ａ方向から入射したレ−ザ光のうち、
ｂ方向に出射されたレ−ザ光を吸収セル６に透過させ
る。吸収セル６中にはルビジウム、セシウム、アセチレ
ン等のガスが単体もしくは複数封入されており、特定の
光周波数において吸収スペクトルを有する。例えば、吸
収セル６にルビジウムを封入した場合、その封入圧力を
２０Torrとすると、レ−ザ光の周波数と吸収セルを透過
した透過光量との関係は図２に示すように光周波数３８
４ＴHzにおいて半値全幅５００ＭHzほどの吸収ピ−クが
４本存在する。

【００１１】吸収セル６を透過したレ−ザ光は、反射鏡
７で同一光路上に反射される。反射された反射レ−ザ光
は再び、吸収セル６、１／４波長板４、偏光ビ−ムスプ
リッタ３を透過した後、ｄ方向に出射される。この反射
レ−ザ光の強度を受光器８で電気信号に変換する。レ−
ザ光強度が充分に強ければ、吸収セル６に最初にレ−ザ
光が透過した時に吸収の飽和現象が起こる。

【００１２】レ−ザ光の周波数をＦLD、線形吸収ピ−ク
の周波数をＦｐとすると、レ−ザ光と反応できる原子の
速度Ｖatomは、ドップラ−効果により光軸方向にｃ×
（１−Ｆｐ／ＦLD）の速度を持つものだけとなる。この
レ−ザ光を反射させ、再び吸収セル６を透過させた場
合、反射レ−ザ光と反応できる原子の速度Ｖatomは、ｃ
×（１＋Ｆｐ／ＦLD）となる。ここで、ｃは光速を示
す。

【００１３】したがって、Ｆｐ≠ＦLDの場合、最初に透
過したレ−ザ光と反射したレ−ザ光（反射レ−ザ光）と
は異なる速度を持った原子が反応するためレ−ザ光の吸
収量は大きくなるが、Ｆｐ＝ＦLDの場合、最初にレ−ザ
光が透過したときに吸収の飽和が起こり、反射レ−ザ光
はほとんど吸収されずに透過してしまう。このため、受
光器８において透過光量をみると、線形吸収のピ−ク位
置にするどい突起が観測される。これがラムディップで
ある。

【００１４】レ−ザ光の周波数と受光器８で観測される
透過光量との関係を図３に示す。周波数ＦLDのレ−ザ光
を速度Ｖで移動している反射鏡７で反射させた場合、反
射レ−ザ光の周波数ＦrLD は（２Ｖ／ｃ）・ＦLDだけシ
フトされる。ここで、ｃは光速を示す。例えば、波長
０．７８μｍ（周波数３８４ＴHz）のレ−ザ光を１ｍ／
ｓで移動している反射鏡７で反射させた場合、その周波
数シフト量は２．５ＭHzとなる。レ−ザ光の周波数ＦLD
をラムディップのピ−ク周波数Ｆrp付近にあわせ、反射
鏡７を反射鏡振動器９で振動させる。

【００１５】反射鏡振動器９の振動部は、磁歪振動子で
構成されており、周波数源１０の信号を受けて反射鏡７
を振幅Ａ＝０．１mm, 周波数ｆm ＝１０ｋHzで振動させ
る。このときのレ−ザ光の周波数シフト量はｄｆ＝２．
５×sin(１０⁴ ｔ／２π）（ＭHz）となる。ここで、ｔ
は時間（ｓ）である。

【００１６】反射レ−ザ光の周波数ＦrLD と受光器８の
出力Ｖrの時間変化を図４に示す。図において、ＦLDは
レ−ザ光の周波数、Ｆrpはラムディップのピ−ク周波数
を示す。この図から分かるように、受光器８の出力Ｖr
はラムディップをなぞったかたちになる。この出力Ｖr
を、位相検波器１１により周波数ｆm で位相検波すれ
ば、レ−ザ光の周波数ＦLDにおけるラムディップ波形の
微分値出力Ｖd を得ることができる。

【００１７】レ−ザ光の周波数ＦLDと微分値出力Ｖd と
の関係を図５に示す。レ−ザ光の周波数ＦLDがラムディ
ップのピ−ク周波数Ｆrpの近傍にある場合、レ−ザ光の
周波数ＦLDと微分値出力Ｖd の間には直線関係があり、
微分値出力Ｖd を半導体レ−ザ制御電流源１２にフィ−
ドバックさせ、常に微分値出力Ｖd が零となるようにす
ればレ−ザ光の周波数ＦLDはラムディップのピ−ク周波
数Ｆrpに安定化されることになる。以上の方法を用いる
ことにより、周波数を安定化させた光源を実現すること
ができた。

【００１８】

【発明の効果】以上、述べたように、本発明による周波
数安定化光源は、ドップラ−効果を利用した外部変調法
と位相検波法を用いてラムディップのピ−ク周波数にレ
−ザ光の周波数を安定化することにより次に示すような
固有の効果を有する。（１）外部変調法であるため出力
光に変調が乗らない周波数安定化光源を実現できた。
（２）ドップラ−効果を利用した変調法であるため温度
ドリフトの少ない優れた長期安定度を有する周波数安定
化光源を実現できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の周波数安定化光源の一実施例の構成を
示した図。

【図２】ルビジウムの光吸収スペクトルを示した図。

【図３】ルビジウムのラムディップを示した図。

【図４】受光器７の出力Ｖｒの時間変化を示した図。

【図５】位相検波器出力のレ−ザ光周波数依存性を示し
た図。

【符号の説明】

１ 半導体レ−ザ。 ２ １／２波長板。 ３ 偏光ビ−ムスプリッタ。 ４ １／４波長板。 ５ 光路手段。 ６ 吸収セル。 ７ 反射鏡。 ８ 受光器。 ９ 反射鏡振動器。 １０ 周波数源。 １１ 位相検波器。 １２ 半導体レ−ザ制御電流源。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】特定の周波数をもつレ−ザ光を透過させる
   と、飽和吸収を起こす原子または分子を封入した吸収セ
   ル（６）と、該吸収セル内を透過させるレ−ザ光を発生
   する半導体レ−ザ（１）と、該吸収セルを透過したレ−
   ザ光を同一光路に反射し、その反射レ−ザ光を再び該吸
   収セルを透過させてラムディップを生じさせるための反
   射鏡（７）と、該反射鏡をレ−ザ光の光軸方向に振動さ
   せることにより該反射レ−ザ光の周波数をドップラ−シ
   フトさせる反射鏡振動器（９）と、該吸収セルを透過し
   た該反射レ−ザ光を前記半導体レ−ザと違う方向に出射
   させ、その戻り光を取り出す光路手段（５）と、該光路
   手段から出射された該反射レ−ザ光を受光し電気信号に
   変換して出力する受光器（８）と、前記反射鏡振動器を
   任意の周波数で振動させるための周波数源（１０）と、
   前記受光器から出力された電気信号と前記周波数源から
   出力された信号により位相検波を行い、前記レ−ザ光の
   周波数と前記ラムディップのピ−ク周波数の差に依存し
   た信号を出力する位相検波器（１１）と、該位相検波器
   から出力された信号を受けて、前記半導体レ−ザのレ−
   ザ光の周波数を該ラムディップのピ−ク周波数に安定化
   させるため前記半導体レ−ザを制御する半導体レ−ザ制
   御電流源（１２）とを備えた周波数安定化光源。