JP3165193B2 - 狭線幅周波数安定化光源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザを用いた
狭線幅周波数安定化光源に関する。更に、詳しく述べれ
ば、例えば原子又は分子を封入した吸収セルを用いて原
子又は分子の線形吸収スペクトル線を検出し、この線形
吸収スペクトル線のスロープ部に半導体レーザの発振周
波数を安定化させておき、同時に、この周波数安定化さ
れた半導体レーザから出射された出射レーザ光を再度半
導体レーザ内に戻すことによって自己注入同期効果を発
生させて、発振スペクトル線幅を狭くした狭線幅周波数
安定化光源に関する。本発明は、各種光計測用光源を始
め、高精度光周波数基準光源、物理・化学計測用安定化
光源、コヒーレント光通信用光源等に利用される。

【０００２】

【従来技術】従来技術として、大津元一による「周波数
変調可能な狭スペクトル線幅半導体レーザ」（電子情報
通信学会技術研究報告ＯＱＥ８７―１３５、ｐ．３５〜
ｐ．４０）がある。これは、共焦点共振器（confocal r
esonator) を用いて、半導体レーザの発振周波数を安定
化し、且つ発振スペクトル線幅を狭くしたものである。
すなわち、半導体レーザから出射されたレーザ光を共焦
点共振器に入射させ、共鳴したレーザ光だけが半導体レ
ーザ内に帰還するように光学系を組む。半導体レーザ
は、外部からレーザ光が注入されることにより、その注
入されたレーザ光の光周波数に発振周波数が引き込まれ
ると同時に、発振スペクトル線幅が狭くなる自己注入同
期という現象が発生するため、半導体レーザの発振周波
数を共焦点共振器の共鳴周波数に安定化し、且つ、発振
スペクトル線幅を狭くすることができる。

【０００３】この際、半導体レーザ内の光の位相と帰還
されるレーザ光の位相を揃えるために、帰還されるレー
ザ光の光路長を調整する必要があるが、従来の技術では
この調整を、共焦点共振器からの透過光量を検知して、
位相条件のズレをモニターし、帰還されるレーザ光の光
路中に置いたコーナーミラーの位置をピエゾ素子により
変化させ、光路長を自動調整できる機構を設けることで
行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明においては、従
来の技術における、次の課題を解決した狭線幅周波数安
定化光源を提供することを目的とする。 （１）共焦点共振器で共鳴したレーザ光を半導体レーザ
に帰還する場合、機械的な劣化によって自己注入同期に
よる半導体レーザの発振スペクトル線幅の狭窄度の変動
が低減され、同時に、共焦点共振器を用いているため光
学系が複雑かつ高価になる。 （２）半導体レーザの発振周波数を共焦点共振器の共鳴
周波数に安定化させる場合、周囲の温度変化や振動又は
機械的な劣化によって、周波数基準となる共焦点共振器
の共鳴周波数が変化してしまうため、半導体レーザの発
振周波数において長期周波数安定性及び再現性が得られ
ない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明では、上述した
（１）、（２）の課題に対して、つぎの技術的手段を講
じた。 （１）周波数弁別器の周波数特性のスロープ部を用い
て、半導体レーザの発振周波数を安定化させる第１の帰
還系を採用した。 （２）位置変調をかけた平面鏡を用いた第２の帰還系を
採用し、これで半導体レーザから出射された出射レーザ
光を受け、そのＦＭ雑音の振幅強度を特定帯域周波数で
検出し、ＦＭ雑音を最も抑圧して自己注入同期系を安定
化させるように平面鏡に位置変調をかけるため、変調信
号源から出射された変調信号でＦＭ雑音の振幅強度を位
相検波することによって、平面鏡の位置を制御する制御
手段を採用した。

【０００６】

【作用】これらの技術的手段を採用したことで、次に示
すような特有の作用を持つ。 （１）周波数基準として、周波数弁別器の周波数特性の
スロープ部を用いて半導体レーザの発振周波数を安定化
したことにより、共焦点共振器の代わりに平面鏡を用い
ることができるようになり、これによって周囲の温度変
化や振動又は機械的な劣化に対する許容度が増大し、自
己注入同期による半導体レーザの発振スペクトル線幅の
狭窄度の変動が低減され、同時に、光学系が簡易且つ安
価になった。 （２）平面鏡を用いて半導体レーザ内にレーザ光を帰還
するような光学系を採用したことにより、周波数弁別器
として原子又は分子を封入した吸収セルのように半導体
レーザの発振周波数に対して長期周波数安定性及び再現
性を与えるような周波数基準を採用することができるよ
うになった。

【０００７】

【実施例】本発明に係る狭線幅周波数安定化光源の一実
施例を図１に示す。半導体レーザ１で２方向ａ、ｂに出
射されたレーザ光のうち、ａ方向に出射されたレーザ光
は、第１の分岐手段２で２方向ｃ、ｄに分岐される。ｃ
方向に分岐されたレーザ光は、半導体レーザ１から出射
されたレーザ光の周波数変動を光強度変動に変換する周
波数弁別器３に入射する。

【０００８】周波数弁別器３には、原子又は分子の吸収
特性を利用した装置やエタロンを用いる。本実施例で
は、周波数弁別器３としては、特定の周波数帯域のレー
ザ光を吸収する原子又は分子を封入した吸収セルを用い
る。この吸収セルを透過したレーザ光は光検出器４にお
いて電気信号に変換され、図２に示すような原子又は分
子の線形吸収スペクトル線ａが出力される。

【０００９】ｄ方向に出射したレーザ光は、基準信号発
生手段６として用いる光検出器で電気信号Ｖに変換され
る。その変換された電気信号Ｖは、半導体レーザ１の発
振周波数を安定化させる特定周波数ｆｓに対応した基準
電圧値信号として用いられ、差動アンプ５に入力する。
光検出器４により出力された電気信号は差動アンプ５に
入力する。差動アンプ５に入力した２つの信号の電圧値
の差が零になるように半導体レーザ駆動電流源７に電気
的負帰還をかけて半導体レーザ１への注入電流を制御す
ることにより、半導体レーザ１の発振周波数は、前記吸
収セル内に封入された原子又は分子の線形吸収スペクト
ル線のスロープ部に安定化されることになる。

【００１０】以上に示したように、周波数弁別器３と光
検出器４と基準信号発生手段６とを備えた周波数安定化
手段８を含む、半導体レーザ１の発振周波数を安定化す
る第１の制御系９の周波数制御帯域はＤＣ〜１０ｋHz程
度であり、このように半導体レーザ１の発振周波数を安
定化させる方法を差動型周波数安定化法という。

【００１１】また、半導体レーザ１からｂ方向に出射さ
れたレーザ光は、第２の分岐手段１０により２方向ｅ、
ｆに分岐される。ｅ方向に出射したレーザ光は、光帰還
手段１１によって同一光路上に反射され、半導体レーザ
１内に帰還される。通常、この光帰還手段１１として
は、平面鏡を用いる。ｆ方向に分岐されたレーザ光は、
出力光として利用される。

【００１２】この際、原子又は分子の線形吸収スペクト
ル線のスロープ部によりＦＭ／ＡＭ変換された光周波数
雑音は、光検出器４において出力されるが、光帰還手段
１１によって第２の分岐手段１０を通して半導体レーザ
１内に帰還されるレーザ光の位相を調整すると、自己注
入同期が発生して前記光周波数雑音が抑圧され、半導体
レーザ１の発振スペクトル線幅を狭くすることができ
る。

【００１３】このように、半導体レーザ１と光帰還手段
１１によって自己注入同期系が構成されている。半導体
レーザ１内に帰還されるレーザ光の位相調整について、
詳しく述べる。光帰還手段１１の後方に帰還光路長調整
器１２を付け、帰還光路長調整器制御器１３により帰還
光路長調整器１２を制御することによって光帰還手段１
１をレーザ光軸方向に動かし、半導体レーザ１と光帰還
手段１１の間の距離を可変する。

【００１４】通常、帰還光路長調整器１２にはピエゾ素
子を用い、帰還光路長調整器制御器１３にはピエゾ素子
制御器を用いる。光帰還手段１１を掃引させると、光検
出器４では、光周波数雑音の振幅強度は周期的に大小を
繰り返す。この光検出器４における出力を図３に示す。
光帰還手段１１の位置を調整することによって自己注入
同期がかかると発振スペクトル線幅は狭くなるが、この
状態は、図３における光周波数雑音の振幅強度が小の部
分に対応し、自己注入同期がはずれた状態は光周波数雑
音の振幅強度が大の部分に対応する。したがって、自己
注入同期がかかった状態を保持するためには、光帰還手
段１１の位置を制御する必要がある。

【００１５】本発明では、光検出器４の出力を２つに分
岐し、一方はレーザ周波数の安定化用に前述した差動ア
ンプ５に入力し、他方は検波手段１４に入力する。この
検波手段１４は、光周波数雑音のうち自己注入同期がか
かっている時と自己注入同期がはずれている時との振幅
強度の変化を、Ｓ／Ｎ比良く検出できる周波数帯域１Ｍ
Hz〜１００ＭHzの光周波数雑音に対応する電気信号のみ
を透過させるフィルタ１５と、このフィルタ１５を透過
した光周波数雑音の振幅強度に対応する値を出力するレ
ベルメータ１６とから成る。

【００１６】フィルタ１５を透過した特定の帯域の光周
波数雑音は、レベルメータ１６に入り、その光周波数雑
音の振幅強度がレベルメータ出力VLとして得られる。こ
こで、フィルタ１５を用いないと、レベルメータ１６に
おいては半導体レーザ１の全光周波数雑音量が検出され
るが、この全光周波数雑音量は半導体レーザ１の発振ス
ペクトル線幅を狭くする前後で同量であるため、自己注
入同期がかかり光周波数雑音が最も低減される状態を保
持することができない。したがって、検出手段１４にお
いてフィルタ１５は不可欠な構成要素である。

【００１７】図４（ａ）は光帰還手段１１の位置を表
し、図４（ｂ）は光帰還手段１１の位置に対する光周波
数雑音を表し、図４（ｃ）はレベルメータ１６で出力さ
れる光帰還手段１１の位置に対応した光周波数雑音の振
幅強度ＶＬ、図４（ｄ）は光帰還手段１１に位置変調を
かける変調信号源１７からの変調信号で、光周波数雑音
の振幅強度を位相検波することによって位相検波器１８
で得られるレベルメータ出力ＶＬの微分値出力ＶＲを表
している。図４から解るように、位相検波器１８の微分
値出力ＶＲが零（図４（ｄ）中のＤ１、Ｄ２、Ｄ３に対
応）になるように帰還光路長調整器制御器１３に電気的
負帰還をかけると、光周波数雑音が最も抑圧されること
になる。位相検波について、以下に詳しく述べる。

【００１８】変調信号源１７から出力された変調信号で
光帰還手段１１の位置Ｄｈを変調すると、レベルメータ
１６では図５、図６、図７に示すような出力Ｖｈが得ら
れる。すなわち、レベルメータ１６の出力Ｖｈは、光帰
還手段１１の位置Ｄｈがレベルメータの出力が最小にな
る位置Ｄ１の右側にある場合には、図５のようになり、
光帰還手段１１の位置Ｄｈがレベルメータ出力が最小に
なる位置Ｄ１の左側にある場合には、図６のようにな
る。光帰還手段１１の位置ＤｈがＤ１に合致したときに
は図７のようになる。

【００１９】このレベルメータ１６の出力Ｖｈを、変調
信号源１７からの変調信号と位相検波器１８で位相検波
して、位置変調される光帰還手段１１の中心位置Ｄｈに
対する振幅の異なる２種類の山の振幅差をモニターする
と、位相検波器１８ではレベルメータ１６で出力される
光帰還手段１２の位置変化に対する光周波数雑音の振幅
強度の微分値出力が得られる。光帰還手段１１の位置Ｄ
ｈがレベルメータ出力が最小になる位置Ｄ１の近傍にあ
るとき、光帰還手段１１の位置Ｄｈとレベルメータ出力
が最小になる位置Ｄ１との差と、位相検波器出力ＶＲと
の間には、直線関係があり、この位相検波器出力ＶＲを
帰還光路長調整器制御器１３に電気的負帰還を行い、位
相検波器出力ＶＲが零になるようにすれば、光帰還手段
１１の位置Ｄｈはレベルメータ出力が最小になる位置Ｄ
１に安定化されることになり、光周波数雑音は最も抑圧
されることになる。

【００２０】このように帰還光路長調整器制御器１３と
変調信号源１７と位相検波器１８とから成る制御手段１
９によって半導体レーザ１の光周波数雑音を抑圧するこ
とができる。この制御手段１９を含む第２の制御系２０
により、半導体レーザ１から光帰還手段１１までの光路
長Ｌを制御すれば、ＤＣからＣ／２Ｌ［Hz］（Ｃは空気
中における光速を表す）までの周波数雑音を抑圧するこ
とができる。このような自己注入同期系においては、半
導体レーザ１から光帰還手段１１までの光路長Ｌを大き
くするにしたがって半導体レーザ１の発振スペクトル線
幅は狭くなる。

【００２１】また、この実施例においては、光帰還手段
１１により半導体レーザ１からの出射レーザ光を反射さ
せて半導体レーザ１内に帰還させていたが、図８に示す
ように、この出射レーザ光を一端がミラーコーティング
されたファイバ２１内に入射し、このコーティング面に
より反射させ、再び半導体レーザ１内に帰還させること
も可能である。この場合、帰還光路長調整器１２のまわ
りにファイバ２１を巻き付け、該帰還光路長調整器１２
を帰還光路長調整器制御器１３で制御することにより、
ファイバ２１中の導波路を光路とした光路長を調整し、
帰還させるレーザ光の位相を調整することで自己注入同
期を発生させ、半導体レーザ１の発振スペクトル線幅を
狭くすることもできる。

【００２２】このように、原子又は分子の線形吸収スペ
クトル線のスロープ部に半導体レーザ１のレーザ周波数
を安定化させ、同時に、原子又は分子の線形吸収スペク
トル線のスロープ部に周波数安定化された半導体レーザ
１からの出射レーザ光を半導体レーザ１内に帰還するこ
とにより、発振スペクトル線幅を狭くした狭線幅周波数
安定化光源を実現した。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明による狭線幅
周波数安定化光源は、レーザ光の周波数変動量を光強度
変動量に変換する周波数弁別器として、例えば原子又は
分子の吸収線を使うこともできるため、このような吸収
線に光周波数を安定化し、且つ周波数安定化された出射
レーザ光を半導体レーザに帰還する際に、光周波数雑音
が最も抑圧される位置に光帰還手段を合わせることで自
己注入同期を発生させ、半導体レーザの発振スペクトル
線幅を狭くすることにより、次に示すような効果を有す
る。 （１）周波数基準として周波数弁別器の周波数特性のス
ロープ部を用いて半導体レーザの発振周波数を安定化し
たことにより、共焦点共振器の代わりに平面鏡を用いる
ことが出来るようになり、これによって周囲の温度変化
や振動又は機械的な劣化に対する許容度が増大し、自己
注入同期による半導体レーザの発振スペクトル線幅の狭
窄度の変動が低減され、同時に光学系が簡易且つ安価に
なった。 （２）平面鏡を用いて半導体レーザ内にレーザ光を帰還
する光学系を採用したことにより、周波数弁別器として
原子又は分子を封入した吸収セルのように半導体レーザ
の発振周波数に対して長期周波数安定性及び再現性を与
えるような周波数基準を採用することが出来るようにな
った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る狭線幅周波数安定化光源の構成の
一実施例を示す。

【図２】光検出器で出力される、吸収セル内に封入され
た原子又は分子の線形吸収スペクトル線を示す。

【図３】光帰還手段の位置を可変した時、原子又は分子
の線形吸収スペクトル線のスロープ部によりＦＭ／ＡＭ
変換された光周波数雑音の様子を示す。

【図４】（ａ）光帰還手段の位置を表す。 （ｂ）光帰還手段の位置に対する光周波数雑音を表す。 （ｃ）光周波数雑音の振幅強度を表す。 （ｄ）位相検波器で得られるレベルメータ出力の微分波
形を表す。

【図５】光帰還手段の位置Ｄｈが、レベルメータの出力
が最小になる位置Ｄ１の右側にあるときのレベルメータ
出力波形を示す。

【図６】光帰還手段の位置Ｄｈが、レベルメータの出力
が最小になる位置Ｄ１の左側にあるときのレベルメータ
出力波形を示す。

【図７】光帰還手段の位置Ｄｈが、レベルメータの出力
が最小になる位置Ｄ１に一致したときのレベルメータ出
力波形を示す。

【図８】半導体レーザから出射されたレーザ光をファイ
バに入射し、コーティング面で反射させて、再度半導体
レーザ内に入射させることにより、半導体レーザの発振
スペクトル線幅を狭くする光学系を示す。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ２ 第１の分岐手段 ３ 周波数弁別器（吸収セル） ４ 光検出器 ５ 差動アンプ ６ 基準信号発生手段 ７ 半導体レーザ駆動電流源 ８ 周波数安定化手段 ９ 第１の制御系 １０ 第２の分岐手段 １１ 光帰還手段 １２ 帰還光路長調整器 １３ 帰還光路長調整器制御器 １４ 検波手段 １５ フィルタ １６ レベルメータ １７ 変調信号源 １８ 位相検波器 １９ 制御手段 ２０ 第２の制御系 ２１ ファイバ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザ（１）と、該半導体レーザ
   の発振周波数を安定化させる少なくとも該半導体レーザ
   から出射されたレーザ光の周波数変動を光強度変動に変
   換する周波数弁別器（３）と該周波数弁別器を透過した
   レーザ光強度を電気信号に変換出力する光検出器（４）
   とを有する周波数安定化手段（８）と、前記半導体レー
   ザより出射されたレーザ光の一部を受けてこのレーザ光
   を前記半導体レーザに戻す光帰還手段（１１）と、前記
   半導体レーザより出射されたレーザ光が前記光帰還手段
   を経て該半導体レーザへ帰還するまでの光路長を可変さ
   せる帰還光路長調整器（１２）と、前記光検出器から出
   力された電気信号から所定の帯域の電気信号のみを透過
   させ、この透過した電気信号の振幅強度を測定する検波
   手段（１４）と、変調信号を出力する変調信号源（１
   ７）と前記変調信号と前記検波手段の出力とを受けて光
   周波数雑音の振幅強度を位相検波する位相検波器（１
   ８）と該位相検波器の出力と前記変調信号とを受けて前
   記光路長を変化させる変調信号を前記帰還光路長調整器
   に送るとともに前記位相検波器の出力が零になるように
   前記帰還光路長調整器を制御する帰還光路長調整器制御
   器（１３）とを有する制御手段（１９）とを備えたこと
   を特徴とする狭線幅周波数安定化光源。
2. 【請求項２】 前記周波数弁別器（３）が、所定の周波
   数において吸収を呈する原子又は分子を封入した吸収セ
   ルであることを特徴とする請求項１に記載の狭線幅周波
   数安定化光源。