JP3109622B2 - レーザ周波数安定化装置およびレーザ周波数安定化方法 - Google Patents

レーザ周波数安定化装置およびレーザ周波数安定化方法

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JP3109622B2 JP04155331A JP15533192A JP3109622B2 JP 3109622 B2 JP3109622 B2 JP 3109622B2 JP 04155331 A JP04155331 A JP 04155331A JP 15533192 A JP15533192 A JP 15533192A JP 3109622 B2 JP3109622 B2 JP 3109622B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば大容量の周波数
分割多重光通信における送信源として用いられるレーザ
の周波数安定化装置および周波数安定化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のレーザ周波数安定化装置は、図8
に示すように、半導体レーザ101と、リング共振器1
07と、受光器103と、制御回路104と、レンズ1
05,106で構成されている。
【0003】半導体レーザ101からの出射光はレンズ
105を経て、所定の周波数の光を吸収しまたは透過さ
せるリング共振器107を透過し、レンズ106を経て
受光器103で受光され、光電変換される。制御回路1
04は、半導体レーザ101の出射光の周波数が光リン
グ共振器107の共振ピークの1つの周波数に一致する
ように、受光器103で光電変換された電気信号に応じ
て半導体レーザ101を制御する。
【0004】ここで、半導体レーザ101の発振周波数
の温度依存性は約−10GHz/℃であるから±0.0
1℃以下に温度が安定化したとしても±100MHz以
下の周波数ゆらぎが存在する。したがって、共振周波数
2.5GHzのリング共振器を用いたとして共振ピーク
の線幅は200MHz程度必要であり、フィネス(共振
周波数間隔/共振ピークの線幅)は12.5となる。こ
れで、周波数引き込み範囲は200MHzであり、レー
ザの安定性は、線幅の1/100の±1MHz程度が達
成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のレーザ周波数安定化装置では、レーザの引き込
み範囲は200MHzであり、±0.01℃という高精
度の温度安定化が絶対的に必要であり、その光周波数の
絶対値も光周波数計などによって±100MHz程度ま
で事前に測定する必要があり、また、その安定性は、共
振ピークの線幅の1/100程度に制限されてしまうと
いう問題点があった。
【0006】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、その目的は、より広範囲の周波数
引き込みを実現し、かつ、安定後は、極めて高安定に動
作する実用的なレーザ周波数安定化装置およびレーザ周
波数安定化方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のレーザ周波数安
定化装置は、リング共振器の結合化が可変になってい
る。
【0008】また、本発明のレーザ周波数安定化方法
は、前記レーザ周波数安定化装置を用い、リング共振器
の結合比を調整し、共振ピークを広くし、安定化するレ
ーザの周波数引き込み範囲を広くするステップと、レー
ザの発振周波数をリング共振器の共振ピークに引き込
み、該共振ピークの中心周波数に安定化するステップ
と、リング共振器の結合比を調整し、共振ピークを狭く
し、レーザ出力の周波数の安定性を向上させるステップ
とを含む。
【0009】
【作用】本発明は、リング共振器の光結合器の結合比を
可変することによって、共振ピーク幅を可変できるよう
にしたもので、これによりこれまでには到達できなかっ
た、広い周波数引き込み範囲を実現でき、しかも高安定
なレーザ周波数安定化装置を実現できる。
【0010】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【0011】図1は本発明の一実施例のレーザ周波数安
定化装置のブロック図である。
【0012】本実施例のレーザ周波数安定化装置は、半
導体レーザ101と、光結合比を可変できるリング共振
器102と、受光器103と、制御回路104と、レン
ズ105,106からなる。
【0013】このようなレーザ周波数安定化装置におい
て、まず、リング共振器102の結合比を調整し、共振
ピークを広くし、安定化するレーザの周波数引き込み範
囲を広くする。半導体レーザ101の出射光をリング共
振器102に透過させ、リング共振器102の透過光を
受光器103で受光し、半導体レーザ101からの出射
光の周波数がリング共振器102の共振ピークの中心周
波数に一致するように、光電変換された電気信号に応じ
て、半導体レーザ101を制御回路104によって制御
し、レーザの発振周波数をリング共振器102の共振ピ
ークに引き込み、共振ピークの中心周波数に安定化す
る。最後に、リング共振器102の結合比を調整し、共
振ピークを狭くし、レーザ出力110の周波数の安定性
を向上させる。
【0014】図2はリング共振器102の形状を示す図
で、同図(A)は平面図、同図(B)はAA’線に沿っ
た断面を拡大して示す図である。このリング共振器10
2は、シリコン基板1上に配置され、周長Lの閉ループ
を構成しているリング形状導波路2と、入力光導波路3
aと、出力光導波路3bとから主になる。リング形状導
波路2と入力光導波路3a、出力光導波路3bとの光結
合器を、破線11および21で囲って示されているマッ
ハツェンダ光干渉計回路によって構成することによって
光結合比が可変になっている。
【0015】マッハツェンダ光干渉計回路11では、方
向性結合器12aおよび12bが長さが互いにΔLだけ
異なる2本の光導波路13aおよび13bにより連結さ
れている。なお、ここで光導波路13aはリング形状導
波路2の一部を共用し、光導波路13bは入力光導波路
3aの一部を共用している。位相器14aおよび14b
として薄膜ヒータがそれぞれ光導波路13aおよび13
bのコア部の上方のクラッド層1a上に配置されてい
る。
【0016】マッハツェンダ光干渉計回路21では、マ
ッハツェンダ光干渉計回路11と同様に、方向性結合器
22aおよび22bが長さが互いにΔLだけ異なる2本
の光導波路23aおよび23bにより連結されている。
なお、ここで光導波路23aはリング形状導波路2の一
部を共用し、光導波路23bは出力光導波路3bの一部
を共用している。位相器24aおよび24bとして薄膜
ヒータがそれぞれ光導波路23aおよび23bのコア部
の上方のクラッド層1a上に配置されている。マッハツ
ェンダ光干渉計回路11および21を構成している光導
波路の一方(ここでは光導波路13aおよび23a)お
よびリング形状導波路2の中で光導波路13aと23a
と共用していない部分の光導波路2上には、位相器とし
て薄膜ヒータ5、偏波補償器6がそれぞれ配置されてい
る。
【0017】図3は図2のリング共振器102の動作を
説明する周波数特性図である。図3(A)から(D)
は、位相器である薄膜ヒータ14aおよび24aの消費
電力をそれぞれ0.3W,0.5W,0.7Wおよび
0.9Wとしたものである。図3(E)は薄膜ヒータ1
4aおよび24bの消費電力を0.7Wとしたものであ
る。図4は薄膜ヒータ14aおよび24aに同じ電力を
消費させたときのフィネスの変化を示すグラフである。
図5は、フィネスと共振ピークでの透過率の関係を示し
たものであるが、斜線の範囲が薄膜ヒータ14a,14
b,24aおよび24bを変化させて得られることが可
能な値である。
【0018】図6は、図2のマッハツェンダ光干渉計回
路11と21を1つのマッハツェンダ光干渉計回路11
で置き換えた構成となっている。
【0019】次に、本実施例のレーザ周波数安定化装置
の動作を図1にしたがって説明する。図1の装置構成に
おいて、半導体レーザ1として例えば波長1.55μm
帯で発振するInGaAsP系の分布帰還型半導体レー
ザ(DFB型LD)を用いた。リング共振器102に
は、図6で示す石英系導波路形リング共振器を用いた。
共振ピーク間隔は2.5GHzである。光導波路2,3
a,13a,13bなどは、厚さ60μm程度のクラッ
ド層1a内に埋設されており、光導波路2,3a,13
a,13bなどのコア部寸法は8μm×8μm程度、コ
ア部・クラッド部の比屈折率差は0.3%程度である。
薄膜ヒータ14a,14bおよび5として、ここではC
r金属薄膜(幅50μm、厚さ0.3μm)を真空蒸着
技術により、長さ約5mmにわたって形成した。さら
に、アモルファスシリコン薄膜6(幅200μm、厚さ
9μm)をスパッタ技術により、長さ約1.6mmにわ
たって形成し、垂直偏波(TM偏波)と水平偏波(TE
偏波)で共振特性を一致させた。
【0020】まず、リング共振器102のフィネスが
2.5になるように薄膜ヒータ14a,14bにより光
結合比を調整した後(図7(A))、半導体レーザ10
1の100KHzの変調光をリング共振器102に入射
し、制御回路104で共振ピークの1つからのずれを検
出し、半導体レーザ101に帰還した。この場合、レー
ザの周波数引き込み範囲は±500MHzあり、レーザ
の温度安定度は±0.05℃で十分である。このときレ
ーザの発振周波数は±5MHz以下に安定化された。安
定化帯域は10msである。次に、レーザを安定化した
まま、薄膜ヒータ14a,14bでリング共振器102
のフィネスが50になるように光結合比を調整すると
(共振ピーク幅50MHz)(図7(B))、半導体レ
ーザ101の出力110の周波数安定性は±250KH
zにまで向上した。
【0021】なお、図1では半導体レーザ101の周波
数の変調に直接変調を用いたが、音響光学変調器、電気
光学変調器などの、他の構成の変調器を用いて変調して
も同様の効果を得ることができる。また、リング共振器
の光結合器の結合比を調整して信号強度を大きくするこ
ともできる。
【0022】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能
であることは言うまでもない。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、下記の
ような効果がある。 (1)請求項1の発明は、リング共振器の光結合器の結
合比を可変することによって、共振ピーク幅を可変でき
るようにし、これまでには到達できなかった、広い周波
数引き込み範囲を実現でき、また信号強度を大きくする
ことができる。 (2)請求項2の発明は、リング共振器の結合比を調整
して、レーザ出力の周波数の安定性を向上させることに
より、高安定なレーザ周波数安定化装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のレーザ周波数安定化装置の
ブロック図である。
【図2】図1中のリング共振器102の構造を説明する
ための図である。
【図3】リング共振器102の位相器14a,14b,
24a,24bの消費電力を変えたときの光周波数特性
を示す図である。
【図4】消費電力に対するフィネスの変化を示す図であ
る。
【図5】設定可能なフィネスと共振ピークでの透過率の
関係を示す図である。
【図6】リング共振器102の他の例の構造図である。
【図7】共振ピーク幅を可変したときの光共振特性を示
す図である。
【図8】従来のレーザ周波数安定化装置のブロック図で
ある。
【符号の説明】
1 シリコン基板 1a クラッド層 2 リング形状導波路 3a 入力光導波路 3b 出力光導波路 5 薄膜ヒータ 6 偏波補償器 11,21 マッハツェンダ光干渉計回路 12a,12b,22a,22b 方向性結合器 13a,13b,23a,23b 光導波路 14a,14b,24a,24b 位相器 101 半導体レーザ 102,107 リング共振器 103 受光器 104 制御回路 105,106 レンズ 110 レーザ出力
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−110927(JP,A) 特開 昭63−164377(JP,A) 特開 昭63−34990(JP,A) 特開 昭64−15992(JP,A) 特開 平4−110927(JP,A) 特開 平4−307983(JP,A) PROCEEDING SPIE V ol.1141(ECIO’89)pp.52− 58 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ光源と、光結合器とリング形状導
    波路からなり、所定の周波数の光を吸収しまたは透過さ
    せるリング共振器と、該リング共振器を透過した、前記
    レーザ光源の出射光を電気信号に変換する受光器と、前
    記レーザ光源の出射光の周波数が前記リング共振器の所
    定の共振ピーク周波数に一致するように、該電気信号に
    応じて前記レーザ光源を制御する制御回路を備えたレー
    ザ周波数安定化装置において、 前記リング共振器の光結合器の結合比が可変になってい
    ることを特徴とするレーザ周波数安定化装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のレーザ周波数安定化装
    置を用い、レーザの発振周波数を安定化するレーザ周波
    数安定化方法であって、 前記リング共振器の結合比を調整し、共振ピークを広く
    し、安定化するレーザの周波数引き込み範囲を広くする
    ステップと、 レーザの発振周波数を前記リング共振器の共振ピークに
    引き込み、該共振ピークの中心周波数に安定化するステ
    ップと、 前記リング共振器の結合比を調整し、共振ピークを狭く
    し、レーザ出力の周波数の安定性を向上させるステップ
    とを含むレーザ周波数安定化方法。
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