JP4124555B2 - 周波数安定化半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スレーブレーザの発振周波数をマスターレーザの発振周波数にオフセットロックすることで、出力する光の発振周波数を安定化する周波数安定化半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ（ＬＤ）を用いて周波数安定化光源を得る周波数安定化半導体レーザ装置の従来技術としては、例えば、図１〜図４に示す構成のものがある。
図１及び図２に示す装置は、原子や分子の吸収線（遷移）を周波数基準に用いるもの、つまり、半導体レーザ１からの出力光を吸収セル３，４（特定の気体を封入した容器）に入射すると上記気体に固有の周波数を有する光が吸収されることを利用して、半導体レーザ１からの出力光が上記気体に固有の周波数に一致するように、半導体レーザ１をフィードバック制御することで、出力する光の周波数の安定化を図るものである。
【０００３】
すなわち、図１に示す装置では、半導体レーザ１が、発振器２からの位相基準信号によって周波数変調された光を発振する。発振された光は、線形吸収セル３を透過する際に固有の周波数の光が吸収された後に、受光器５（光検波手段）に入力され、該受光器５で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックインアンプ６によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路７に出力される。フィードバック回路７は、その同期検波された信号が一定になるように、上記半導体レーザ１の駆動電流等を制御する。発振周波数の安定化された半導体レーザ１の光は、不図示の分岐手段を介して出力される。
【０００４】
図２の装置は、上記線形吸収セル３の代わりに、非線形吸収セル４を利用したものであり、原理は図１の装置と同様である。ここで、符号８は偏光ビームスプリッタを、符号９はλ／４板を、符号１０はミラーを示す。
また、図３の装置は、上記吸収セル３の代わりに、ファブリペロー干渉計やリング共振器等の光共振器１１を周波数基準としたものである。すなわち、光共振器１１が有する光学特性の極値に対応する特定の周波数を基準とし、当該特定の周波数に半導体レーザ１の発振周波数を安定化させるものである。
【０００５】
また、図４の装置は、マスターレーザ１２の発振周波数にスレーブレーザ１３の発振周波数を追従させて周波数を安定化させるものである。すなわち、周波数基準となるマスターレーザ１２からの出力光と、スレーブレーザ１３からの出力光とをビームスプリッタ１４で合波させ、その合波させた光を受光器１５に入力する。該受光器１５は、両出力光の周波数の差の周波数を有するビート信号（電気信号）を周波数弁別器１６を介してフィードバック回路７に出力し、上記ビート信号に基づき、スレーブレーザ１３からの出力光の周波数を、マスターレーザ１２からの出力光の周波数に追従制御して、スレーブレーザ１３からの出力光の周波数の周波数を、マスターレーザ１２からの出力光の周波数から所定周波数だけオフセットした周波数に安定化させる。なお、基準周波数から一定の周波数だけずらした発振周波数に安定化する上記制御方法をオフセットロック法と呼んでいる。
【０００６】
ここで、周波数基準自体の安定度、あるいはその中心周波数は、図１及び図２以外の装置では温度や機械的な環境条件によって一定ではない。つまり、図１や図２の装置が絶対周波数への安定化を目指しているのに対し、図３や図４の装置構成では、相対的な基準周波数への追従度の向上を図っている。
また、図１〜図３の装置では、すべて周波数基準近傍で周波数弁別特性を得るため、半導体レーザ１の中心周波数に微少な周波数変調を施す直接周波数変調方式を採用した例であるが、図５〜図７に示すように、外部変調器１７を使用して半導体レーザ１の出力光に変調を加えても良い。図５〜図７では、外部変調器１７として、音響光学素子（ＡＯ）、電気光学素子（ＥＯ）を用いた場合の例を示している。また、図８に示すように、マスターレーザ１２は、半導体レーザ１に限定されない。なお、外部共振器型半導体レーザは外部鏡による変調が可能であることから、敢えて図８におけるマスターレーザの対象となる。
【０００７】
上記全ての装置において、周波数安定化で不可欠な条件は、レーザの発振周波数が、図９に示すように、周波数基準の中心周波数ｆc を零点とする帰還周波数幅内で、好ましくはハッチングで示した領域にある周波数弁別幅内で一致していなければならないということである。
ここで、上記図３の装置では、干渉計のミラー間隔や光路長などで容易に周波数基準の中心周波数を変えることができ、図４の装置ではマスターレーザ１２自体の発振周波数を変更することで基準周波数を変えることができるが、図１の装置及び図２の装置では、縮退準位における電磁場スプリッティングがなければ変更できない。
【０００８】
すなわち、図１や図２の装置では、絶対周波数に安定化でき当該絶対周波数で発振するレーザ光は得られるものの、限られた原子や分子の吸収線における離散的な周波数にしか安定化させることができないという問題がある。
これに対して、図３や図４の装置では、上述のように周波数基準の中心周波数をレーザの発振周波数に近づけることが可能なので、レーザの発振周波数領域内でありさえすれば、原理的にはどの周波数にもレーザの発振周波数を安定化することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３や図４の装置であっても、あくまでもレーザの発振周波数は、周波数基準の周波数に追従するように制御されるだけであり、追従の安定化が高精度に達成されたとしても、周波数の安定度は、周波数基準の安定度に影響し当該周波数基準の安定度に応じたふらつきを取り除くことはできない。
【００１０】
また、図３の装置では周波数基準で決定されている限られた周波数間隔の各々の中心周波数でしか安定化ができないという問題がある。
また、図４の装置では、マスターレーザ１２とスレーブレーザ１３との発振周波数の差が、受光器１５の周波数帯域内に収まり、かつ周波数弁別器１６の零点周波数ｆc に一致する周波数でしか安定化できないという欠点をもっている。すなわち、受光器１５の周波数帯域などによってマスターレーザ１２の発振周波数からの周波数のオフセット量が制限され、且つ、周波数弁別器１６の零点周波数ｆc にオフセット周波数が限定されてしまい。任意のオフセット周波数に設定してオフセットロックを行うことができないという問題がある。
【００１１】
なお、周波数安定化に用いるフィードバック回路の信号は、フィードバックの対象が半導体レーザ１であれば直接注入電流とともに負帰還が可能になる。また、外部共振器型の半導体レーザや他のレーザをフィードバックの対象とする場合には、共振器を構成するミラーやグレーティング、あるいは共振器内に設置されたガラスブロック、干渉計、変調器、フィルタなど、光路長や光の位相に変調がかけられるものにフィードバック信号が負帰還される。これにより、周波数の安定化が達成されることになる。
【００１２】
本発明は、以上のような点に着目してなされたもので、従来では限られた周波数でしか行えなかった周波数安定化を、任意の周波数で行うことを可能とする周波数安定化半導体レーザ装置を提供することを課題としている。
これによって、等周波数間隔で同時安定化が可能な半導体レーザ装置を実現可能となったり、多波長一括周波数安定化法を供給し、ＷＤＭ用のコム周波数安定化光源を実現可能となったりする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、第１マスターレーザと、複数の第２マスターレーザと、複数のスレーブレーザと、光共振器からなる２次周波数基準と、２次周波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波数のいずれか一つを第１マスターレーザの発振周波数に安定化する２次周波数基準安定化手段と、上記複数の第２マスターレーザの出力光の発振周波数を、上記２次周波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波数のそれぞれに安定化する２次基準複数出力光安定化手段と、上記複数の第２マスターレーザの出力光と上記複数のスレーブレーザの出力光とをそれぞれ合波する複数の光合波手段と、各光合波手段からビート信号に基づき対応するスレーブレーザの発振周波数を対応する第２マスターレーザの発振周波数に追従制御する複数の追従制御手段とを備え、
上記各追従制御手段は、それぞれ、オフセット周波数信号を出力する基準発振器と、基準発振器からの信号と上記ビート信号とを入力する周波数変換器と、周波数変換器の出力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出力する誤差信号をスレーブレーザにフィードバックする第１のフィードバック回路とを備え、上記周波数弁別器が、ミキサと遅延回路と方向性結合器からなり、入力した信号を上記方向性結合器により分岐し、一方の信号をそのまま上記ミキサに入力するとともに分岐した他方の信号は上記遅延回路を介して上記ミキサに入力する構成を備えて、上記周波数変換器から入力される信号をＦＭ−ＡＭ変換して上記誤差信号として出力するものであり、
上記２次基準複数出力光安定化手段は、上記複数の第２マスターレーザの出力光を合波する第１のＡＷＧ波長合分波器と、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力光を周波数変調または位相変調して上記２次周波数基準の中心周波数近傍で微小変調させて上記２次周波数基準に出力する外部変調器と、上記外部変調器から出力されて上記２次周波数基準を透過した光を分波する第２のＡＷＧ波長合分波器と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器で分波された光をそれぞれ受光する複数の受光器と、上記複数の受光器の出力する信号をそれぞれ上記外部変調器を駆動する信号を基準に同期検波する同期検波手段と、同期検波された各信号をそれぞれ対応する上記第２マスターレーザにフィードバックする複数の第２のフィードバック回路とを備えることを特徴とする周波数安定化半導体レーザ装置を提供するものである。
【００１８】
次に、請求項２に記載した発明は、第１マスターレーザと、複数の第２マスターレーザと、複数のスレーブレーザと、上記複数の第２マスターレーザからの出力光を合波する第１のＡＷＧ波長合分波器と、第１のＡＷＧ波長合分波器の出力を入力し２次周波数基準を構成する第２のＡＷＧ波長合分波器と、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力を入力する第３のＡＷＧ波長合分波器と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器の透過周波数を第１マスターレーザの発振周波数に安定化する合分波器安定化手段と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器の複数の透過周波数に基づき上記各第２マスターレーザの出力光の発振周波数を安定化させる第２の２次基準複数出力光安定化手段と、上記第３のＡＷＧ波長合分波器から出力される複数の出力光と対応するスレーブレーザからの出力光とをそれぞれ合波する複数の光合波手段と、各光合波手段からビート信号に基づき対応するスレーブレーザの発振周波数を対応する第２マスターレーザの発振周波数に追従制御する複数の追従制御手段とを備え、
上記各追従制御手段は、それぞれ、オフセット周波数信号を出力する基準発振器と、基準発振器からの信号と上記ビート信号とを入力する周波数変換器と、周波数変換器の出力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出力する誤差信号をスレーブレーザにフィードバックする第１のフィードバック回路とを備え、上記周波数弁別器が、ミキサと遅延回路と方向性結合器からなり、入力した信号を上記方向性結合器により分岐し、一方の信号をそのまま上記ミキサに入力するとともに分岐した他方の信号は上記遅延回路を介して上記ミキサに入力する構成を備えて、上記周波数変換器から入力される信号をＦＭ−ＡＭ変換して上記誤差信号として出力するものであり、
上記第２の２次基準複数出力光安定化手段は、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力光を周波数変調または位相変調して上記２次周波数基準の中心周波数近傍で微小変調させて上記２次周波数基準に出力する外部変調器と、上記外部変調器から出力されて上記第２のＡＷＧ波長合分波器で分波された光をそれぞれ受光する複数の受光器と、上記複数の受光器の出力する信号をそれぞれ上記外部変調器を駆動する信号を基準に同期検波する複数の同期検波手段と、同期検波された各信号をそれぞれ対応する上記第２マスターレーザにフィードバックする複数の第２のフィードバック回路とを備えることを特徴とする周波数安定化半導体レーザ装置を提供するものである。
【００１９】
本発明によれば、周波数変換器及び周波数弁別器を設けることで、オフセットロックする周波数を、周波数弁別器の零点周波数と一致しない任意の周波数とすることが可能となる。
すなわち、周波数変換器により、ビート信号を基準発振器からの信号を用いて周波数弁別器の零点周波数近傍に周波数変換してから周波数弁別器に入力するようにしたので、その周波数変換器からの誤差信号が周波数弁別器の零点周波数に安定化するように、周波数弁別器の出力が一定となるようにフィードバック制御されることで、任意のオフセット周波数で安定化が可能となる。
【００２０】
ここで、基準発振器から出力するオフセット周波数信号の周波数が、マスターレーザの周波数からオフセットするオフセット周波数となる。
このとき、上記マスターレーザの発振周波数を、原子や分子の遷移を利用した１次周波数基準に安定化する基準出力光安定化手段を備えることを特徴とすると、直接変調、外部変調を問わず周波数変調（あるいは位相変調）された光を、周波数１次基準としての原子や分子の吸収線を介して位相検波することにより得られる周波数誤差信号をフィードバック信号として用いて絶対周波数に安定化されたマスターレーザの発振周波数を基準として、スレーブレーザの発振周波数を追従させてオフセットロックすることになる。すなわち、基準となるマスターレーザの発振周波数が安定化する。
ここで、上記原子や分子の遷移を利用した１次周波数基準とは、例えば公知の吸収セルにおける吸収線である。
【００２１】
また、上記周波数１次基準の使用できる周波数が少数の場合であっても、その１次周波数基準に安定化された第１マスターレーザの出力光で安定化した２次周波数基準を得ることができる。光共振器からなる２次周波数基準は、周期的に複数の基準となる周波数を有するので、所望の広い周波数帯域全体に亘って、スレーブレーザを安定化するための安定した複数の周期的な基準周波数を得ることができる。
【００２２】
ここで、分子や原子の遷移によって、絶対周波数基準からなる周波数基準が所望の広い周波数帯域全体に渡って多数得られる場合（Ａ）と、絶対周波数基準からなる周波数基準が１本ないし数本といった少数しかないような場合（Ｂ）の双方がある。
このとき、周波数基準が多数得られる場合（Ａ）であっても、従来にあっては、周波数弁別器の零点周波数を、これまでは任意の周波数にできず、限られた周波数でしか安定化ができなかった。
【００２３】
これに対して、図１０に示したように原子や分子の吸収線のように周波数基準が多数得られる場合には、これらのうちの一つの周波数に安定化された絶対周波数に安定化したマスターレーザの出力を多数入手できると同時に、請求項１に記載した作用により、隣り合う周波数基準の間で当該所定の周波数基準から任意にオフセットさせた周波数でスレーブレーザの発振周波数をオフセットロックすることが可能となる。これによって、隣り合う周波数基準の間隔が設定可能なオフセット周波数内であれば、いずれの周波数においても安定化が可能になる。
【００２４】
また、周波数基準が少数しか得られない場合（Ｂ）には、周波数基準とマスターレーザの発振周波数との周波数差に応じて、空白の周波数を埋める２次周波数基準が必要となる。この状態を図１３に示した。
【００２５】
すなわち、まず、絶対周波数に安定化されたマスターレーザの出力光を２次周波数基準に入力し、この２次周波数基準をマスターレーザに安定化する。第２マスターレーザをこの２次周波数基準に入力し、２次基準の一定間隔の透過あるいは反射特性の極点のうちの所望の周波数に安定化する。この段階で、２次周波数基準の使用波長帯で、一定の周波数間隔での第２マスターレーザの発振周波数の安定化が達成できる。次にスレーブレーザを準備し、第２マスターレーザとのビートをとり、このビートと基準発振器の信号とで周波数変換を行い、周波数弁別器の使用周波数においてＦＭ−ＡＭ変換を行い、スレーブレーザの第２マスターレーザに対する周波数誤差信号をフィードバック帯域にまで低周波化する。この低周波化された誤差信号をスレーブレーザにフィードバックすることにより、任意周波数でオフセットロックが実現できる。
【００２６】
以上を周波数基準の中心周波数とレーザの発振周波数との関係で図示したのが、上述の図１３である。
ここで、第２マスターレーザの安定化に関して、２次周波数基準への安定化の前にビート信号を利用した安定化を行うこともできるが、２次基準の安定化に関して、所望の安定化周波数が厳密になればなる程、周波数の微調整が必要になる。この場合は、スレーブレーザを２次基準に安定化した後にも新たに安定化を施した第２のスレーブレーザが必要となる場合がある。
【００２７】
以上のように、これまで限られた周波数でしか実現できなかった周波数安定化半導体レーザ装置を、絶対周波数で発振するマスターレーザに２次周波数基準や基準発振器からの信号を介してスレーブレーザをオフセットロックすることにより、所望の周波数での絶対周波数からのオフセットロックした周波数安定化半導体レーザ装置が実現できる。
【００２８】
第１マスターレーザの発振周波数は、原子、分子の吸収線を用いた絶対周波数に安定化され、第２マスターレーザの発振周波数は、第１マスターレーザの発振周波数から、２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ程度の２次周波数基準で決まる一定間隔の制限で利用できる任意周波数にオフセットロックされる。
ここで、スレーブレーザの発振周波数は、基準発振器を利用することにより任意の周波数に設定できるが、スレーブレーザのフィードバック回路に必要なビート信号の周波数変換器の帯域と、第２マスターレーザとスレーブレーザのビートを観測する受光器の周波数帯域で制限されることになる。しかしながら、受光器の周波数帯域は６０ＧＨｚ程度が可能なので、周波数変換器や周波数弁別器に用いるミキサーの帯域がむしろ現実には問題となる。ミキサー帯域が一般には２０ＧＨｚ程度なので、２次周波数基準の選定を考慮すれば、文字どおり任意周波数でのオフセットロックが実現できる。
【００２９】
勿論、それぞれのレーザの出力光は、分岐をしてやりさえすれば独立に使用できる。したがって、各々のレーザの組み合わせは、そのままＤＷＭ通信に不可欠なコム周波数光源となる。請求項１または請求項２の発明を使用することで、コム周波数各々が絶対周波数からオフセットロックされることにより、従来得られなかった周波数精度、確度が実現されることになる。
【００３０】
また、ＬｉＮｂＯ３に代表されるような疑似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子を用いてコム周波数を構成することも可能であるが、この場合、励起光と信号光の周波数安定化が不可欠となる。本発明はこの要求にも答えることになる。
ちなみに、マスターレーザを光スイーパにしたい場合は、オフセットロックがかかる状態ではスレーブレーザはマスターレーザに追随するだけになる。勿論、オフセットロック時に使用する基準発振器の発振周波数を掃引しても同様の結果が得られる。むしろこの場合にはオフセットロックの周波数が変化するだけで、周波数基準は絶対周波数から発生させていることになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、参考例１について図面を参照しつつ説明する。なお、上記従来例と同様な部品については同一の符号を付して説明する。
図１１は、本参考例の周波数安定化半導体レーザ装置の構成を示す図であり、マスターレーザ１２の出力光を安定化する基準出力光安定化手段Ａと、スレーブレーザ１３の出力光を、マスターレーザ１２の出力光に追従させてオフセットロックする追従制御手段Ｂとを備える。
【００３２】
マスターレーザ１２の出力光は、ビームスプリッタ２１によって分光され、一部がスレーブレーザ１３側の追従制御手段Ｂに入力されると共に、残りの光が基準出力光安定化手段Ａに入力される。
基準出力光安定化手段Ａは、発振器２、外部変調器１７、１次周波数基準を構成する線形吸収セル３、受光器５、ロックインアンプ６、フィードバック回路７を備える。
【００３３】
上記外部変調器１７は、音響光学変調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成される。その外部変調器１７は、発振器２からの位相基準信号に基づき、入力したマスターレーザ１２の出力光を、周波数変調あるいは位相変調して周波数基準の中心周波数近傍で微少変調させ、その変調させた変調信号を、線形吸収セル３に出力する。外部変調器１７からの光は、線形吸収セル３を透過する際に固有の周波数の光が吸収された後に、受光器５（光検波器）に入力され、該受光器５で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックインアンプ６によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路７に出力される。フィードバック回路７は、その同期検波された信号が一定になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：Ｄ）を行い上記マスターレーザ１２の駆動電流等を制御する。これによって、マスターレーザ１２の出力光は、線形吸収セル３で特定される所定の絶対周波数に安定化される。
【００３４】
ここで、上記説明では、ロックインアンプ６を使用した例であるが、ミキサーとフィルタを用いて位相検波器を構成しても良い（Ｔ．Ｙａｎａｇａｗａ，Ｓ．Ｓａｉｔｏ，Ｓ．Ｍａｃｈｉｄａ，Ｙ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，ａｎｄ Ｙ．Ｎｏｇｕｃｈｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４７，１０３６（１９８５）参照）。
【００３５】
また、上記吸収セル３の気体としては、吸収線が多数とれるもの、つまり周波数基準が多数得られる気体を採用すると良い。周波数基準が多数得られると、これらのうちの所望の一つの周波数に安定化することで周波数安定化用のマスターレーザ１２の出力光を多数入手できる。この結果、隣り合う周波数基準の間でスレーブレーザ１３のオフセットロックができれば、いずれの周波数においても安定化が可能になる。
【００３６】
上記のような吸収セル用の気体としては、例えばアセチレンガス（12Ｃ2 Ｈ2 ）や同位体置換アセチレンガス（13Ｃ2 Ｈ2 ）が例示できる。
表１に、セル長１０ｃｍ、ガス圧１３３３Ｐａの条件下で実測したアセチレンガス（12Ｃ2 Ｈ2 ）及び同位体置換アセチレンガス（13Ｃ2 Ｈ2 ）の吸収線の値（測定波長領域は、１５３５．０〜１５３５．５ｎｍである）を示す。また、表２に、１．５５μｍ帯における13Ｃ2 Ｈ2 の吸収線を示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
【表２】
【００３９】
これら吸収線毎の周波数差は、後述の周波数変換器２２や周波数弁別器１６を構成するミキサーとして帯域２０ＧＨｚのミキサーを用いる場合は、４０ＧＨｚまでの間隔までであるなら、任意周波数でオフセットロックが可能である。２０−２１、２２−２３、２３−２４、２４−２５、２５−２６間は４０ＧＨｚを越える周波数差があるので、これらの間については、その間隔に対応する広さの帯域を有するミキサーを採用するか、そうでなければ、後述の参考例２の装置を採用するか、本実施形態の基準周波数の安定化の手法を繰り返さざるを得ない。また、これらの波長より長波側では、１２Ｃ２Ｈ２や１３Ｃ２Ｈ２の吸収がないため、アセチレンを基本にするシステムでは後述の参考例２の装置に頼らざるを得ない。
【００４０】
なお、シアンガス（Ｈ１２ＣＮ、Ｈ１３ＣＮ）も１．５μｍ帯（１．５１９８〜１．５６７４μｍ）に多数の吸収量の大きい吸収線を有しており（Ｈ．Ｓａｓａｄａ ａｎｄ Ｋ．Ｙａｍａｄａ，Ａｐｐ１．Ｏｐｔ．２４，３５３５（１９９０）参照）、本参考例の手法に使用可能である。したがって、後述の参考例２で述べるＷＤＭ用コム周波数安定化光源に好適のガスであるが、毒性の強いガスであるので、取扱いには注意を要する。
【００４１】
次に、追従制御手段Ｂについて説明すると、マスターレーザ１２からの出力光とスレーブレーザ１３の出力光を合波するビームスプリッタ１４（光合波手段）と、ビームスプリッタ１４が合波した光して電気信号（ビート信号）に変換（検波）する受光器１５（検波手段）と、オフセット周波数信号を発振する基準発振器２４と、上記受光器１５が検波したビート信号と基準発振器２４からのオフセット周波数信号と入力する周波数変換器２２と、周波数変換器２２の出力をバンドパスフィルタ２５を介して入力する周波数弁別器１６と、周波数弁別器１６の出力を入力し当該入力値に応じたフィードバックをスレーブレーザ１３に行うフィードバック回路２０とから構成される。
【００４２】
本参考例の上記周波数変換器２２は、ミキサー２２ａから構成されて、周波数誤差信号Δｆ（ ＝ｆBEAT −ｆSY）を出力する。すなわち、周波数変換器２２は、基準発振器２４の基準周波数（基準周波数からのオフセット量）を用いて、ビート信号を周波数弁別器１６の零点周波数ｆC 近傍の周波数に周波数変換する。
【００４３】
ここで、
マスターレーザ１２の発振周波数：ｆMA
スレーブレーザ１３の発振周波数：ｆSL
ビート信号の周波数 ：ｆBEAT＝｜ｆMA −ｆSL｜
周波数弁別器１６の零点周波数 ：ｆC
基準発振器２４の発振周波数 ：ｆSY
である。
【００４４】
周波数弁別器１６は、周波数変換器２２からの周波数誤差信号を、ＦＭ−ＡＭ変換する。変換したＡＭ誤差信号は、フィードバック回路２０を介してスレーブレーザ１３にフィードバックされる。
本参考例の周波数弁別器１６は、ミキサ１６ａ及び遅延回路１６ｃ（遅延線）を備え、入力した信号を方向性結合器１６ｂにより分岐し、一方の信号をそのままミキサ１６ａに入力すると共に分岐した他の信号は遅延回路１６ｃを介して上記ミキサ１６ａに入力する構成となっている。
【００４５】
ここで、上記各受光器５，１５としては、例えば当該受光器のフォトダイオード（ＰＤ）の帯域が６０ＧＨｚ程度のものを使用する。
上記追従制御手段Ｂでは、基準発振器２４からのオフセット周波数信号に基づきビート信号ｆBEATを周波数変換した周波数誤差信号Δｆを周波数弁別器１６に入力することにより、任意の周波数へのオフセットロックを容易に実現することができる。
【００４６】
そして、オフセットロックされたスレーブレーザ１３の発振周波数は上述の式に従う。つまり、マスターレーザ１２及びスレーブレーザ１３の各発振周波数の差周波信号であるビート信号ｆBEATの周波数と基準発振器２４の発振周波数（基準信号）との差である周波数誤差信号△ｆを周波数変換器２２から発生させ、周波数弁別器１６の零点周波数ｆｃに安定化させてやることで、スレーブレーザ１３の発振周波数は、絶対周波数に安定化されたマスターレーザ１２の発振周波数から、オフセット周波数だけオフセットした任意の周波数で安定化できる。
【００４７】
ただし、各々の周波数ｆMA、ｆSL、ｆBEAT、ｆSYの関係で、周波数弁別特性の極性を変えねばならない。図９に示す特性では、（１）ｆSL＞ｆMA、且つｆBEAT＞ｆSY、若しくは（２）ｆSL＜ｆMA、且つｆBEAT＜ｆSYの場合に有効である。これ以外では、図９の逆特性が必要になる。すなわち、（３）ｆSL＜ｆMA、且つｆBEAT＞ｆSY、若しくは（４）ｆSL＞ｆMA、且つｆBEAT＜ｆSYの場合には、図１７に示す実測値のような周波数弁別特性を有するダブルバランスドミキサからなる周波数弁別器１６が必要となる。
【００４８】
ここで、上記ミキサ１６ａ及び遅延回路１６ｃを使用した周波数弁別器１６の動作について説明する。
周波数変換器２２から出力され、周波数弁別器１６に入力される信号を
ｃｏｓ（ω０・ｔ）とすると、遅延回路１６ｃを用いる場合のミキサ１６ａ動作は、遅延位相をφとして低周波側のみの出力を利用し、かつ周波数弁別器１６の出力をＶとすると、
Ｖ＝ｃｏｓ（ω０・ｔ）・ｃｏｓ（ω０・ｔ＋φ）
＝［ｃｏｓ（２ω０・ｔ＋φ）＋ｃｏｓφ］／２〜（ｃｏｓφ）／２
となる。
【００５１】
ここで、温度と電流を変化させて１．５５１μｍで発振する半導体レーザ１を２つ準備し、一方を吸収線に安定化させてマスターレーザ１２とし、他のレーザをスレーブレーザ１３とした。これによりアラン分散の平方根の値がマスターレーザ１２では〜１０-11 となり、これにスレーブレーザ１３を安定化させてみると〜１０-10 が得られた。１．５５０μｍにおいてもほぼ同様の結果が得られた。
【００５２】
この場合、零点周波数ｆc は方向性結合器１６ｂの帯域に合わせており、変更は可能である。利用可能なビート周波数の帯域は、ミキサ１６ａ、基準発振器２４、受光器１５の帯域に制限されることになり、現状ではミキサ１６ａで決定され、２０ＧＨｚ程度までである。
表１および表２では、１，５３２μｍ帯、１．５５μｍ帯での吸収線実測値を示したが、12Ｃ2 Ｈ2 の吸収線は１．５１〜１．５４μｍで、13Ｃ2 Ｈ2 の吸収線は１．５２〜１．５５μｍで各々５０数本が同じ条件で観測された。
【００５３】
それぞれの周波数で安定化されたマスターレーザ１２に、本参考例で示した手法でスレーブレーザ１３をオフセットロックすると、１．５１〜１．５５μｍの任意周波数で周波数安定化光源が実現できる。
なお、吸収線の間隔が、ミキサ１６ａの帯域を越える場合は、スレーブレーザ１３にオフセットロックする別のスレーブレーザ１３を用いる。簡便にはこれを繰り返してもよいが、むしろ後に示す２次周波数基準を用いるのが望ましい。
【００５４】
ここで、上記参考例の基準出力光安定化手段Ａでは、線形吸収セル３の吸収線の周波数にマスターレーザ１２の出力光を安定化する場合で例示しているが、図１２に示すような構成で基準出力光安定化手段Ａを構成して、非線形吸収セル４の吸収線の周波数にマスターレーザ１２の出力光を安定化するようにしても良い。
【００５５】
また、上記参考例では、外部変調器１７で変調しているが、マスターレーザ１２の中心周波数に微小な周波数変調を施す直接周波数変調を施す直接周波数変調方式を採用しても良い。
また、上記参考例では、マスターレーザ１２の出力光を基準出力光安定化手段Ａで安定化させているが、基準出力光安定化手段Ａで安定化させなくても良い。但し、基準出力光安定化手段Ａで安定化させないと、その分、スレーブレーザ１３の出力光の安定度が悪くなる。
【００５６】
次に、参考例２を図面を参照しつつ説明する。なお、上記参考例等と同様な部品などについては同一の符号を付して説明する。
本参考例は、図１３に示したような、吸収セル３による絶対周波数基準が多数得られない場合や、多数の絶対周波数基準が得られても当該絶対周波数基準間隔が広くその位置における周波数の離れた位置で安定化光源が必要な場合に好適な装置である。
【００５７】
図１４は、本参考例の装置構成を示す図であって、マスターレーザ１２が第１マスターレーザ３０と第２マスターレーザ３１とから構成され、第１マスターレーザ３０の出力光を安定化させる基準出力光安定化手段Ａと、ファブリペロ干渉計やリング共振器などの光共振器から構成される２次周波数基準３９と、２次周波数基準安定化手段Ｃと、２次基準出力光安定化手段Ｄと、スレーブレーザ１３の出力光をマスターレーザ１２の出力光に追従させてオフセットロックする追従制御手段Ｂとを備える。
【００５８】
基準出力光安定化手段Ａは、上記参考例１と同様の構成であって、発振器２、外部変調器１７、線形吸収セル３、受光器５、ロックインアンプ６、フィードバック回路７を備える。
外部変調器１７は、音響光学変調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成されて、発振器２からの基準信号に基づき、入力した第１マスターレーザ３０の出力光を、周波数変調あるいは位相変調して周波数基準の中心周波数近傍で微少変調させ、その変調させた変調信号を参照信号として、線形吸収セル３に出力する。外部変調器１７からの光は、線形吸収セル３を透過する際に固有の周波数の光が吸収された後に、受光器５（光検波器）に入力され、該受光器５で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックインアンプ６によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路７に出力される。フィードバック回路７は、その同期検波された信号が一定になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：Ｄ）を行い上記第１マスターレーザ３０の駆動電流等を制御する。これによって、第１マスターレーザ３０の出力光は、線形吸収セル３で特定される周波数基準（原子や分子の吸収線など絶対周波数に準じるもの）に安定化される。
【００５９】
次に、２次周波数基準安定化手段Ｃについて説明する。
２次周波数基準安定化手段Ｃは、受光器３６、ロックインアンプ３２及び、２次周波数基準３９である光共振器のミラー間隔若しくは光路長をフィードバック制御するフィードバック回路３３、及び上記第１マスターレーザ３０の出力光の一部を２次周波数基準３９に入力にする光路を備える。そして、上記光路によって、第１マスターレーザ３０の出力光を２次周波数基準３９に入射し、該２次周波数基準３９からの透過光を受光器３６によって電気信号に変換してロックインアンプ３２に出力する。ロックインアンプ３２は、上記電気信号を上記発振器２からの位相基準信号を基準に同期検波してフィードバック回路３３に出力される。フィードバック回路３３では、その同期検波された信号が一定となるように２次周波数基準３９のミラー間隔若しくは光路長をフィードバック制御して、２次周波数基準３９の基準周波数の一つを第１マスターレーザ３０の周波数に安定化させる。
【００６０】
上記光共振器からなる２次周波数基準３９は、光を透過する透過周波数が周期的に存在する透過特性を有し、その周期的に存在する透過周波数が周波数基準となるもので、上記のように、２次周波数基準３９の周波数基準（透過周波数）の一つが第１マスターレーザ３０の周波数に安定化することで、２次周波数基準３９の全ての周波数基準（透過周波数）が安定化する。
【００６１】
次に、２次基準出力光安定化手段Ｄについて説明する。
２次基準出力光安定化手段Ｄは、上記安定化された２次周波数基準３９の複数の基準周波数の一つに第２マスターレーザ３１の出力光を安定化させるものであって、発振器３５、外部変調器３４、上記２次周波数基準３９、受光器４０、ロックインアンプ３７、フィードバック回路３８とを備える。
【００６２】
外部変調器３４は、音響光学変調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成されて、発振器３５からの基準信号に基づき、入力した第２マスターレーザ３１の出力光を、周波数変調あるいは位相変調して２次周波数基準３９の中心周波数近傍で微少変調させ、その変調させた変調信号を参照信号として、２次周波数基準３９に出力する。２次周波数基準３９からの透過光は受光器４０（光検波器）に入力され、該受光器４０で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックインアンプ３７によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路３８に出力される。フィードバック回路３８は、その同期検波された信号が一定になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：Ｄ）を行い上記第２マスターレーザ３１の駆動電流等を制御する。これによって、第２マスターレーザ３１の出力光は、２次周波数基準３９の周期的に存在する複数の周波数基準のうちの所望の周波数基準に安定化される。
【００６３】
上記２次基準出力光安定化手段Ｄによって安定化された第２マスターレーザ３１の出力光は、ビームスプリッタ４１で分光され、その一部が追従制御手段Ｂに入射される。
追従制御手段Ｂは、上記参考例１で説明した構成と同じ構成であって、安定化された第２マスターレーザ３１の出力光とスレーブレーザ１３の出力光との合波によるビート信号ｆBEAT及び基準発振器２４からの基準信号に基づいて、第２マスターレーザ３１の出力光に対して基準発振器２４のオフセット周波数分だけオフセットした周波数に、スレーブレーザ１３の発振周波数をオフセットロックして安定化する。
【００６４】
すなわち、第２マスターレーザ３１とスレーブレーザ１３との間の安定化は、上記参考例１と同様に、受光帯域内（ミキサ２２ａの帯域）に存在する程度の周波数差のものに限り、ビート信号ｆBEATを周波数変換器２２（ミキサ２２ａ）に入力し、基準発振器２４を用いて周波数弁別器１６の零点周波数近傍にビート信号ｆBEATを周波数変換する。これを、例えば上述のミキサ１６ａに遅延回路１６ｃ（遅延線）を設けて構成される周波数弁別器１６に入力すると、周波数誤差信号がＦＭ−ＡＭ変換される。
【００６５】
この変換されたＡＭ誤差信号をスレーブレーザ１３にフィードバックしてやると、スレーブレーザ１３は周波数弁別器１６の零点周波数で安定化されることになる。つまり、スレーブレーザ１３の周波数を所望の値にすると、第２マスターレーザ３１とスレーブレーザ１３との間の周波数差、つまりビート周波数が決定されるが、基準発振器２４の信号周波数の設定によってはビート信号ｆBEATの中心周波数を周波数弁別器１６の零点周波数に一致させることができるため、ＡＭ誤差信号をスレーブレーザ１３にフィードバックした段階で任意の周波数におけるオフセットロックが実現できる。
【００６６】
したがって、２次周波数基準３９に誘電体薄膜製品を用いる場合、受光する信号のＳ／Ｎにも依存するが、わずかな反射、透過の特性を利用して複数の周波数帯域（むしろ波長帯域と述べるべきかも知れない）での安定化が可能になる。これにより、任意の波長帯域、周波数帯域でのオフセットロックが光学部品の選定しだいで実現できることになる。なお、このような周波数安定化手法は、これまでに前例がない。
【００６７】
ここで、上記参考例では、第１及び第２マスターレーザ３０，３１の出力光の安定化に外部変調器１７、３４を使用しているが、図１５に示すように、マスターレーザ１２を直接周波数変調して第１及び第２マスターレーザ３１の出力光を安定化する構成としても良い。
また、図１６に示すように、第１マスタレーザの出力光の安定化に、マスターレーザ１２の周波数安定度向上に向け、線形吸収セル３の代わりに飽和吸収分光を応用した非線形吸収セル４を用いた場合であっても良い。
【００６８】
いずれも第１マスターレーザ３０の出力光の安定化において、吸収線近傍での微少変調を用いて位相検波し、吸収線の中心周波数に安定化される。そして、それぞれ一部が２次周波数基準３９の安定化に使用される。
なお、図１３は、２次周波数基準３９にキャビティーの透過特性をイメージした図を示しているが、反射特性でも同様に使用できる。反射特性の場合は、透過特性と上下反転対称になり、透過特性極大値が反射特性極小側になり、周波数基準にはこの極点が周波数確度からも望ましい。また、当然のことながらそれぞれのレーザの出力光は独立に使用可能であり、２次周波数基準３９の周波数設定の確度で充分な場合は、特にスレーブレーザ１３が不要になることもあり得る。
【００６９】
ここで、２次周波数基準３９として、透過、反射周波数間隔を比較的簡単に調整できるファブリペロ干渉計の場合について説明する。
透過、反射周波数間隔はフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）で表され、
ＦＳＲ＝ｃ／２ｎＬ
となる。
【００７０】
ここで、ｃは光速、Ｌはミラー間隔、ｎはミラー間の屈折率である。
ＦＳＲが２５ＧＨｚの場合、ミラー間隔は６ｎｍ、５０ＧＨｚの場合は３ｍｍ、１００ＧＨｚの場合は１．５ｍｍ、２００ＧＨｚの場合は０．７５ｍｍとなり、簡側に調整できるサイズとなっている。リング共振器の場合も同様に利用可能となるが、
ＦＳＲ＝ｃ／ｎＬ
となる。
【００７１】
これは反射部の間隔でＦＳＲが決定されることを考えれば理解しやすい。なお、コンフォーカルキャビティーの場合、ＦＳＲはｃ／４ｎＬとなる。当然のことながら、コンフォーカルキャビティーも使用可能であるが、このサイズでは調整上、やや使いにくい。
本実施形態の装置構成を採用すると、いずれかの周波数で第１マスターレーザ３０の発振周波数が安定化すると、その第１マスターレーザ３０の安定化周波数を含み、２次周波数基準３９の光の周波数特性が確保されれば、任意の周波数でのオフセットロックが実現される。
【００７２】
このため、本参考例の周波数安定化半導体レーザ装置を使用することで、ＷＤＭ用コム周波数安定化光源が実現できるという利点が生じる。
周波数コムに関しては、アンカー周波数を、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のフラットゲイン帯域（幅は約２ＴＨｚで２５ｎｍに相当）の中央１９３１００ＧＨｚ（１５５２．５ｎｍ）とし、周波数グリッドを２５ＧＨｚに設定することが提案されている（例えば、Ｍ．Ｔｅｓｈｉｍａ，Ｍ．Ｋｏｇａ，ａｎｄＫ．Ｓａｔｏ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２２，１２６（１９９７）参照）。周波数グリッドに関しては、他に５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ、２００ＧＨｚが提案されている。
【００７３】
次に、参考例３について図面を参照しつつ説明する。なお、上記参考例等と同様な部品などについては同一の符号を付して説明する。
本参考例は、参考例１に基づくコム周波数安定化用の周波数安定化半導体レーザ装置の例である。本参考例では、５０〜１００波程度の安定化が容易となる。
【００７４】
図１８が、本参考例に係る周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図である。
図１２に示されるように、マスターレーザ１２とスレーブレーザ１３との組を複数組有し、各組におけるマスターレーザ１２の出力光とスレーブレーザ１３の出力光とが個別の光ファイバカップラ５０（光合波手段）で合波されて個別の受光器１５（検波手段）で検波され、各受光器１５で検波されたビート信号ｆBEATは、個別の追従制御手段Ｂによって各スレーブレーザ１３の出力光の発振周波数が、それぞれ個別に各マスターレーザ１２の出力光の発振周波数にオフセットロックして安定化される。
【００７５】
各追従制御手段Ｂは、上記参考例１で説明した構成となっている。
また、各マスターレーザ１２の出力光についても、参考例１で説明した基準出力光安定化手段Ａで安定化することで、各スレーブレーザ１３の安定化が向上する。
このとき、吸収セルのガスとして、アセチレンガス（１２Ｃ２ Ｈ２ 、１３Ｃ２ Ｈ２）やシアンガス（Ｈ１２ＣＮ、Ｈ１３ＣＮ）を用い、これらの吸収線にレーザを安定化すれば、前述のＥＤＦＡフラットゲイン周波数近傍でのマスターレーザ１２群が得られる。これにスレーブレーザ１３をオフセットロックすれば、ＷＤＭ用のコム周波数安定化光源が実現できる。得られる周波数安定度はそれぞれ前述のとおりである。
【００７６】
ちなみにこの場合は、周波数基準の数にコム周波数の数が制限されることになるが、前述のように、第１マスターレーザ３０に複数の第２マスターレーザ３１を複数オフセットロックすれば、この問題はある程度回避できる。また、各マスターレーザ１２単位に周波数基準となる吸収セルを異ならしても良い。
また、次に述べるよう第１実施形態のように、第２周波数基準を用いれば、この問題からは解放される。
【００７７】
次に、第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本実施形態は、上記参考例２をコム周波数安定化用の周波数安定化半導体レーザ装置に適用した実施例である。この方法では、図１３の周波数関係が成り立つ。
図１９が本実施形態を示す構成図であって、２つのＡＷＧ波長合分波器５１，５３（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ）を２次周波数基準３９の前後に挿入することにより、多波長一括周波数安定化光源を実現可能とするものである。
【００７８】
すなわち、１個の第１マスターレーザ３０と、一群の複数の第２マスターレーザ３１と、光共振器からなる２次周波数基準３９、２次周波数基準３９を第１マスターレーザ３０の出力光に安定化する２次周波数基準安定化手段Ｃと、上記一群の複数の第２マスターレーザ３１の発振周波数を上記２次周波数基準３９に安定化させる２次基準複数出力光安定化手段Ｅと、一群のスレーブレーザ１３と、上記２次周波数基準３９の前後の光路に介挿されて上記２次基準複数出力安定化手段の一部である２つのＡＷＧ波長合分波器５１，５３と、ＡＷＧ波長合分波器５１で合波された一群の第２マスターレーザ３１の出力光を分波する第３のＡＷＧ波長合分波器５４と、光ファイバカップラ５０と、各スレーブレーザ１３を対応する第２マスターレーザ３１の出力光にオフセットロックする複数の追従制御手段Ｂと、を備える。
【００７９】
上記２次周波数基準安定化手段Ｃは、上記参考例で説明した構成と同じ構成となっていて、第１マスターレーザ３０の発振周波数に２次周波数基準３９の基準周波数の一つを安定化させる。
また、２次基準複数出力光安定化手段Ｅは、上記安定化された２次周波数基準３９の複数の基準周波数の各々に一群の第２マスターレーザ３１の出力光をそれぞれ安定化させるものであって、２つのＡＷＧ波長合分波器５１，５３、発振器３５、外部変調器３４、上記２次周波数基準３９、受光器４０、ロックインアンプ３７、フィードバック回路３８とを備える。
【００８０】
一群の第２マスターレーザ３１の出力光は、全て第１のＡＷＧ波長合分波器５１に入力する。ＡＷＧ波長合分波器５１からの出力は、光ファイバカップラ５２で分光され、その一部は外部変調器３４を介して２次周波数基準３９に透過させて当該２次周波数基準３９の光学特性（透過あるいは反射特性）のおのおの異なる極値に安定化する。
【００８１】
すなわち、外部変調器３４は、音響光学変調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成されて、発振器３５からの基準信号に基づき、入力した出力光を、周波数変調あるいは位相変調して２次周波数基準３９の中心周波数近傍で微少変調させ、その変調させた変調信号を参照信号として、２次周波数基準３９に出力する。２次周波数基準３９からの透過光は、第２のＡＷＧ波長合分波器５３で分波され、その各出力光は、それぞれ受光器４０（光検波器）に入力され、該受光器４０で電気信号に変換される。その各電気信号は、ロックインアンプ３７によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路３８に出力される。フィードバック回路３８は、その同期検波された信号が一定になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：Ｄ）を行い、それぞれ対応する第２マスターレーザ３１の駆動電流等を制御する。これによって、第２マスターレーザ３１の出力光は、それぞれ２次周波数基準３９の周期的に存在する複数の周波数基準の光学特性（透過あるいは反射特性）のおのおの異なる極値に安定化される。
【００８２】
ここで、２次周波数基準３９の極値を示す周波数は、コム周波数間隔に一致させておく。
また、上記一群の第２マスターレーザ３１の出力光をカップラ５２で分光した他方は、第３のＡＷＧ波長合分波器５４に入力し、一群の第２マスターレーザ３１の出力光に分波される。その分波した各出力光は、それぞれ光ファイバカップラ５０によって各スレーブレーザ１３の出力光と合波された後に個別の受光器１５で電気信号（ビート信号ｆBEAT）に変換されて、それぞれ個別の追従制御手段Ｂによって任意の周波数にオフセットロックされる。
【００８３】
各追従制御装置Ｂの構成は、上記参考例と同様である。
なお、一群の第２マスターレーザ３１の出力光だけを、周波数安定化半導体レーザ装置の出力として使用することも可能であるが、ＷＤＭ用光源にするためには、それぞれ周波数の微調整が必要であり、上述のようなオフセットロックが不可欠となる。これがスレーブレーザ１３を必要とする理由である。第２周波数基準の光学特性が観測できさえすれば、どの周波数であろうと任意の場所にオフセットロックが可能になる。
【００８４】
ちなみに、このような構成をとると、２次周波数基準３９の光耐性内での１００波入力でないと、系そのものが実現困難となることが懸念されるが、それぞれの光のパワーが−２０〜−１０ｄＢｍで充分動作することが確認できているので、問題はない。
また、ＡＷＧ波長合分波器の透過中心周波数の調整は、３ｄＢパスバンド幅が０．３〜１．３ｎｍと広く、透過中心周波数の温度依存性が〜１０-5mm／℃であるため、使用前の温度設定だけで充分機能する。
【００８５】
なお、第１マスターレーザ３０の出力光は、上述の基準出力安定化手段で周波数を安定化しておく。
次に、第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図２０は、本実施形態に係る周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図である。
【００８６】
本実施形態は、上記第１実施形態の簡易版であって、光共振器の代わりに、第２のＡＷＧ波長合分波器５３そのものを２次周波数基準とするものである。ＡＷＧ波長合分波器は、３ｄＢパスバンド幅が広いため、安定度は低くなってしまうが、ファブリペロ干渉計など、２次周波数基準としてのキャビティの使用を省略できる利点がある。
【００８７】
第１マスターレーザ３０の出力光を、一群の第２マスターレーザ３１と同様に第１のＡＷＧ波長合分波器５１に入力した後、その出力光を光ファイバカップラ５２で分光し、その２つの出力光を次段の２つのＡＷＧ波長合分波器５３，５４にそれぞれ入力する。
上記ＡＷＧ波長合分波器５１の出力の一方は、外部変調器３４で周波数（位相）変調した後に第２のＡＷＧ波長合分波器５３に入力し、上記出力の他方は、無変調で第３のＡＷＧ波長合分波器５４に入力するものとする。
【００８８】
変調が施された出力光は位相検波し、第２のＡＷＧ波長合分波器５３の温度制御に用い、第１マスターレーザ３０の発振周波数に第２ＡＷＧ波長合分波器５３の透過周波数の一つを安定化する。なお、本実施形態では、第２マスターレーザ３１の安定化のための光路と、２次周波数基準としての第２のＡＷＧ波長合分波器５３の安定化のための光路を同一としているが、別光路としても良い。
【００８９】
第２マスターレーザ３１の周波数安定化は、第１マスターレーザ３０がＡＷＧ波長合分波器５３の安定化を行ったのと同様に位相検波し、その出力をレーザの電流にフィードバックして実現する。
ここで、第１のＡＷＧ波長合分波器５１、発振器３５、ロックインアンプ６、受光器５、フィードバック回路６０が合分波器安定手段Ｆを構成し、第１及び第２のＡＷＧ波長合分波器５１，５３、発振器３５、及び、各第２マスターレーザ３１に対応するロックインアンプ３７、受光器４０、フィードバック回路３８が、第２の２次基準複数出力光安定化手段Ｇを構成している。
【００９０】
一方、第３のＡＷＧ波長合分波器５４から出力される無変調の出力光はスレーブレーザ１３のオフセットロックに利用される。スレーブレーザ１３のオフセットロック、つまり追従制御手段Ｂは、上記第１実施形態と同様であるので省略する。
これにより得られる安定度は１０−９程度である。
【００９１】
ちなみに、第２のＡＷＧ波長合分波器以外のＡＷＧ波長合分波器は、使用前の温度設定だけでよい。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、任意の発振周波数にスレーブレーザをオフセットロックすることが可能となる。
このとき、原子や分子の絶対周波数を基準とした高精度な周波数安定度が得られる。
【００９３】
また、２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ、２００ＧＨｚといった一定の周波数間隔で周波数安定化光源が得られるため、ＷＤＭ用のコム周波数安定化光源が実現できる。
また、マスターレーザと波長が倍程、異なるスレーブレーザ１３についても、何の差し障りもなくオフセットロックが実現できる。
【００９４】
さらに、単独の周波数安定化のみならず、５０〜１００波長の一括周波数安定化が可能となる。
光の周波数スイーパにオフセットロックされて追従する光源や、所望の光の周波数を、絶対周波数基準にオフセットロックし、すべて、あるいは一部の光源を用いて、コム周波数を構成することが可能になる。特に、波長多重通信（ＷＤＭ）用の周波数安定化光源に密接に関わり、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）に代表される光ファイバ増幅器（ＯＦＡ）と共に用いることができる。
【００９５】
例えば、ＥＤＦＡゲインフラット周波数の中央から、高周波、低周波の双方で等周波数間隔で発振するコム周波数光源が簡単に実現できる。
また、周期分極反転（ＰＰＬＮ）技術を用いた波長変換技術が注目されているが、光源の安定度が変換光にそのまま影響するため、波長多重度が増せば増す程、安定度に要求される精度は厳しくなる。励起光と信号光を独立した光源から供給する場合には、特に本発明が有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、線形吸収セルを使用すると共に、半導体レーザを直接変調方式の図である。
【図２】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、非線形吸収セル４を使用すると共に、半導体レーザを直接変調方式の図である。
【図３】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、光共振器を使用すると共に、半導体レーザを直接変調方式の図である。
【図４】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、マスターレーザを周波数基準として使用する図である。
【図５】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、線形吸収セルを使用すると共に、半導体レーザを外部変調器で変調する方式の図である。
【図６】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、非線形吸収セルを使用すると共に、半導体レーザを外部変調器で変調する方式の図である。
【図７】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、光共振器を使用すると共に、半導体レーザを外部変調器で変調する方式の図である。
【図８】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、マスターレーザを周波数基準として使用する図である。
【図９】 周波数弁別特性の模式及び帰還周波数幅を示す図である。
【図１０】 周波数基準の中心周波数とレーザ安定化後の発振周波数を説明する図である。
【図１１】 参考例１に係る周波数安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【図１２】 参考例１に係る周波数安定化半導体レーザ装置の別の構成図である。
【図１３】 周波数基準の中心周波数とレーザ安定化後の発振周波数を説明する図である。
【図１４】 参考例２に係る周波数安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【図１５】 参考例２に係る周波数安定化半導体レーザ装置の別の構成図である。
【図１６】 参考例２に係る周波数安定化半導体レーザ装置の別の構成図である。
【図１７】 ダブルバランスドミキサを使用した周波数弁別器における周波数弁別特性の実測例を示す図である。
【図１８】 参考例３に係る多波長一括周波数用の安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【図１９】 本発明に基づく第１実施形態に係る多波長一括周波数用の安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【図２０】 本発明に基づく第２実施形態に係る多波長一括周波数用の安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ１
２ 発振器
３ 線形吸収セル
４ 非線形吸収セル
５ 受光器
６ ロックインアンプ
７ フィードバック回路
８ 偏光ビームスプリッタ
９ １／４波長板
１０ ミラー
１１ 光共振器
１２ マスターレーザ
１３ スレーブレーザ
１４ ビームスプリッタ
１５ 受光器
１６ 周波数弁別器
１６ａ ミキサ
１６ｂ 方向性結合器
１６ｃ 遅延回路
１７ 外部変調器
２０ フィードバック回路
２１ ビームスプリッタ
２２ 周波数変換器
２２ａ ミキサ
２３ スペクトラムアナライザ
２４ 基準発振器
２５ バンドパスフィルタ（またはローパスフィルタ）
３０ 第１マスターレーザ
３１ 第２マスターレーザ
３２ ロックインアンプ
３３ フィードバック回路
３４ 外部変調器
３５ 発振器
３６ 受光器
３７ ロックインアンプ
３８ フィードバック回路
３９ ２次周波数基準
４０ 受光器
４１ ビームスプリッタ
５０ 光ファイバカップラ
５１ 第１のＡＷＧ波長合分波器
５２ 光ファイバカップラ
５３ 第２のＡＷＧ波長合分波器
５４ 第３のＡＷＧ波長合分波器
Ａ 基準出力光安定化手段
Ｂ 追従制御手段
Ｃ ２次周波数基準安定化手段
Ｄ ２次基準出力光安定化手段
Ｅ ２次基準複数出力光安定化手段
Ｆ 合分波器安定化手段
Ｇ 第２の２次基準複数出力光安定化手段
ｆＭＡ マスターレーザの発振周波数
ｆＳＬ スレーブレーザの発振周波数
ｆＢＥＡＴ ビート信号の周波数
ｆＣ 周波数弁別器の零点周波数
ｆＳＹ 基準発振器の発振周波数
【発明の属する技術分野】
本発明は、スレーブレーザの発振周波数をマスターレーザの発振周波数にオフセットロックすることで、出力する光の発振周波数を安定化する周波数安定化半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ（ＬＤ）を用いて周波数安定化光源を得る周波数安定化半導体レーザ装置の従来技術としては、例えば、図１〜図４に示す構成のものがある。
図１及び図２に示す装置は、原子や分子の吸収線（遷移）を周波数基準に用いるもの、つまり、半導体レーザ１からの出力光を吸収セル３，４（特定の気体を封入した容器）に入射すると上記気体に固有の周波数を有する光が吸収されることを利用して、半導体レーザ１からの出力光が上記気体に固有の周波数に一致するように、半導体レーザ１をフィードバック制御することで、出力する光の周波数の安定化を図るものである。
【０００３】
すなわち、図１に示す装置では、半導体レーザ１が、発振器２からの位相基準信号によって周波数変調された光を発振する。発振された光は、線形吸収セル３を透過する際に固有の周波数の光が吸収された後に、受光器５（光検波手段）に入力され、該受光器５で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックインアンプ６によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路７に出力される。フィードバック回路７は、その同期検波された信号が一定になるように、上記半導体レーザ１の駆動電流等を制御する。発振周波数の安定化された半導体レーザ１の光は、不図示の分岐手段を介して出力される。
【０００４】
図２の装置は、上記線形吸収セル３の代わりに、非線形吸収セル４を利用したものであり、原理は図１の装置と同様である。ここで、符号８は偏光ビームスプリッタを、符号９はλ／４板を、符号１０はミラーを示す。
また、図３の装置は、上記吸収セル３の代わりに、ファブリペロー干渉計やリング共振器等の光共振器１１を周波数基準としたものである。すなわち、光共振器１１が有する光学特性の極値に対応する特定の周波数を基準とし、当該特定の周波数に半導体レーザ１の発振周波数を安定化させるものである。
【０００５】
また、図４の装置は、マスターレーザ１２の発振周波数にスレーブレーザ１３の発振周波数を追従させて周波数を安定化させるものである。すなわち、周波数基準となるマスターレーザ１２からの出力光と、スレーブレーザ１３からの出力光とをビームスプリッタ１４で合波させ、その合波させた光を受光器１５に入力する。該受光器１５は、両出力光の周波数の差の周波数を有するビート信号（電気信号）を周波数弁別器１６を介してフィードバック回路７に出力し、上記ビート信号に基づき、スレーブレーザ１３からの出力光の周波数を、マスターレーザ１２からの出力光の周波数に追従制御して、スレーブレーザ１３からの出力光の周波数の周波数を、マスターレーザ１２からの出力光の周波数から所定周波数だけオフセットした周波数に安定化させる。なお、基準周波数から一定の周波数だけずらした発振周波数に安定化する上記制御方法をオフセットロック法と呼んでいる。
【０００６】
ここで、周波数基準自体の安定度、あるいはその中心周波数は、図１及び図２以外の装置では温度や機械的な環境条件によって一定ではない。つまり、図１や図２の装置が絶対周波数への安定化を目指しているのに対し、図３や図４の装置構成では、相対的な基準周波数への追従度の向上を図っている。
また、図１〜図３の装置では、すべて周波数基準近傍で周波数弁別特性を得るため、半導体レーザ１の中心周波数に微少な周波数変調を施す直接周波数変調方式を採用した例であるが、図５〜図７に示すように、外部変調器１７を使用して半導体レーザ１の出力光に変調を加えても良い。図５〜図７では、外部変調器１７として、音響光学素子（ＡＯ）、電気光学素子（ＥＯ）を用いた場合の例を示している。また、図８に示すように、マスターレーザ１２は、半導体レーザ１に限定されない。なお、外部共振器型半導体レーザは外部鏡による変調が可能であることから、敢えて図８におけるマスターレーザの対象となる。
【０００７】
上記全ての装置において、周波数安定化で不可欠な条件は、レーザの発振周波数が、図９に示すように、周波数基準の中心周波数ｆc を零点とする帰還周波数幅内で、好ましくはハッチングで示した領域にある周波数弁別幅内で一致していなければならないということである。
ここで、上記図３の装置では、干渉計のミラー間隔や光路長などで容易に周波数基準の中心周波数を変えることができ、図４の装置ではマスターレーザ１２自体の発振周波数を変更することで基準周波数を変えることができるが、図１の装置及び図２の装置では、縮退準位における電磁場スプリッティングがなければ変更できない。
【０００８】
すなわち、図１や図２の装置では、絶対周波数に安定化でき当該絶対周波数で発振するレーザ光は得られるものの、限られた原子や分子の吸収線における離散的な周波数にしか安定化させることができないという問題がある。
これに対して、図３や図４の装置では、上述のように周波数基準の中心周波数をレーザの発振周波数に近づけることが可能なので、レーザの発振周波数領域内でありさえすれば、原理的にはどの周波数にもレーザの発振周波数を安定化することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３や図４の装置であっても、あくまでもレーザの発振周波数は、周波数基準の周波数に追従するように制御されるだけであり、追従の安定化が高精度に達成されたとしても、周波数の安定度は、周波数基準の安定度に影響し当該周波数基準の安定度に応じたふらつきを取り除くことはできない。
【００１０】
また、図３の装置では周波数基準で決定されている限られた周波数間隔の各々の中心周波数でしか安定化ができないという問題がある。
また、図４の装置では、マスターレーザ１２とスレーブレーザ１３との発振周波数の差が、受光器１５の周波数帯域内に収まり、かつ周波数弁別器１６の零点周波数ｆc に一致する周波数でしか安定化できないという欠点をもっている。すなわち、受光器１５の周波数帯域などによってマスターレーザ１２の発振周波数からの周波数のオフセット量が制限され、且つ、周波数弁別器１６の零点周波数ｆc にオフセット周波数が限定されてしまい。任意のオフセット周波数に設定してオフセットロックを行うことができないという問題がある。
【００１１】
なお、周波数安定化に用いるフィードバック回路の信号は、フィードバックの対象が半導体レーザ１であれば直接注入電流とともに負帰還が可能になる。また、外部共振器型の半導体レーザや他のレーザをフィードバックの対象とする場合には、共振器を構成するミラーやグレーティング、あるいは共振器内に設置されたガラスブロック、干渉計、変調器、フィルタなど、光路長や光の位相に変調がかけられるものにフィードバック信号が負帰還される。これにより、周波数の安定化が達成されることになる。
【００１２】
本発明は、以上のような点に着目してなされたもので、従来では限られた周波数でしか行えなかった周波数安定化を、任意の周波数で行うことを可能とする周波数安定化半導体レーザ装置を提供することを課題としている。
これによって、等周波数間隔で同時安定化が可能な半導体レーザ装置を実現可能となったり、多波長一括周波数安定化法を供給し、ＷＤＭ用のコム周波数安定化光源を実現可能となったりする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のうち請求項１に記載した発明は、第１マスターレーザと、複数の第２マスターレーザと、複数のスレーブレーザと、光共振器からなる２次周波数基準と、２次周波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波数のいずれか一つを第１マスターレーザの発振周波数に安定化する２次周波数基準安定化手段と、上記複数の第２マスターレーザの出力光の発振周波数を、上記２次周波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波数のそれぞれに安定化する２次基準複数出力光安定化手段と、上記複数の第２マスターレーザの出力光と上記複数のスレーブレーザの出力光とをそれぞれ合波する複数の光合波手段と、各光合波手段からビート信号に基づき対応するスレーブレーザの発振周波数を対応する第２マスターレーザの発振周波数に追従制御する複数の追従制御手段とを備え、
上記各追従制御手段は、それぞれ、オフセット周波数信号を出力する基準発振器と、基準発振器からの信号と上記ビート信号とを入力する周波数変換器と、周波数変換器の出力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出力する誤差信号をスレーブレーザにフィードバックする第１のフィードバック回路とを備え、上記周波数弁別器が、ミキサと遅延回路と方向性結合器からなり、入力した信号を上記方向性結合器により分岐し、一方の信号をそのまま上記ミキサに入力するとともに分岐した他方の信号は上記遅延回路を介して上記ミキサに入力する構成を備えて、上記周波数変換器から入力される信号をＦＭ−ＡＭ変換して上記誤差信号として出力するものであり、
上記２次基準複数出力光安定化手段は、上記複数の第２マスターレーザの出力光を合波する第１のＡＷＧ波長合分波器と、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力光を周波数変調または位相変調して上記２次周波数基準の中心周波数近傍で微小変調させて上記２次周波数基準に出力する外部変調器と、上記外部変調器から出力されて上記２次周波数基準を透過した光を分波する第２のＡＷＧ波長合分波器と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器で分波された光をそれぞれ受光する複数の受光器と、上記複数の受光器の出力する信号をそれぞれ上記外部変調器を駆動する信号を基準に同期検波する同期検波手段と、同期検波された各信号をそれぞれ対応する上記第２マスターレーザにフィードバックする複数の第２のフィードバック回路とを備えることを特徴とする周波数安定化半導体レーザ装置を提供するものである。
【００１８】
次に、請求項２に記載した発明は、第１マスターレーザと、複数の第２マスターレーザと、複数のスレーブレーザと、上記複数の第２マスターレーザからの出力光を合波する第１のＡＷＧ波長合分波器と、第１のＡＷＧ波長合分波器の出力を入力し２次周波数基準を構成する第２のＡＷＧ波長合分波器と、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力を入力する第３のＡＷＧ波長合分波器と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器の透過周波数を第１マスターレーザの発振周波数に安定化する合分波器安定化手段と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器の複数の透過周波数に基づき上記各第２マスターレーザの出力光の発振周波数を安定化させる第２の２次基準複数出力光安定化手段と、上記第３のＡＷＧ波長合分波器から出力される複数の出力光と対応するスレーブレーザからの出力光とをそれぞれ合波する複数の光合波手段と、各光合波手段からビート信号に基づき対応するスレーブレーザの発振周波数を対応する第２マスターレーザの発振周波数に追従制御する複数の追従制御手段とを備え、
上記各追従制御手段は、それぞれ、オフセット周波数信号を出力する基準発振器と、基準発振器からの信号と上記ビート信号とを入力する周波数変換器と、周波数変換器の出力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出力する誤差信号をスレーブレーザにフィードバックする第１のフィードバック回路とを備え、上記周波数弁別器が、ミキサと遅延回路と方向性結合器からなり、入力した信号を上記方向性結合器により分岐し、一方の信号をそのまま上記ミキサに入力するとともに分岐した他方の信号は上記遅延回路を介して上記ミキサに入力する構成を備えて、上記周波数変換器から入力される信号をＦＭ−ＡＭ変換して上記誤差信号として出力するものであり、
上記第２の２次基準複数出力光安定化手段は、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力光を周波数変調または位相変調して上記２次周波数基準の中心周波数近傍で微小変調させて上記２次周波数基準に出力する外部変調器と、上記外部変調器から出力されて上記第２のＡＷＧ波長合分波器で分波された光をそれぞれ受光する複数の受光器と、上記複数の受光器の出力する信号をそれぞれ上記外部変調器を駆動する信号を基準に同期検波する複数の同期検波手段と、同期検波された各信号をそれぞれ対応する上記第２マスターレーザにフィードバックする複数の第２のフィードバック回路とを備えることを特徴とする周波数安定化半導体レーザ装置を提供するものである。
【００１９】
本発明によれば、周波数変換器及び周波数弁別器を設けることで、オフセットロックする周波数を、周波数弁別器の零点周波数と一致しない任意の周波数とすることが可能となる。
すなわち、周波数変換器により、ビート信号を基準発振器からの信号を用いて周波数弁別器の零点周波数近傍に周波数変換してから周波数弁別器に入力するようにしたので、その周波数変換器からの誤差信号が周波数弁別器の零点周波数に安定化するように、周波数弁別器の出力が一定となるようにフィードバック制御されることで、任意のオフセット周波数で安定化が可能となる。
【００２０】
ここで、基準発振器から出力するオフセット周波数信号の周波数が、マスターレーザの周波数からオフセットするオフセット周波数となる。
このとき、上記マスターレーザの発振周波数を、原子や分子の遷移を利用した１次周波数基準に安定化する基準出力光安定化手段を備えることを特徴とすると、直接変調、外部変調を問わず周波数変調（あるいは位相変調）された光を、周波数１次基準としての原子や分子の吸収線を介して位相検波することにより得られる周波数誤差信号をフィードバック信号として用いて絶対周波数に安定化されたマスターレーザの発振周波数を基準として、スレーブレーザの発振周波数を追従させてオフセットロックすることになる。すなわち、基準となるマスターレーザの発振周波数が安定化する。
ここで、上記原子や分子の遷移を利用した１次周波数基準とは、例えば公知の吸収セルにおける吸収線である。
【００２１】
また、上記周波数１次基準の使用できる周波数が少数の場合であっても、その１次周波数基準に安定化された第１マスターレーザの出力光で安定化した２次周波数基準を得ることができる。光共振器からなる２次周波数基準は、周期的に複数の基準となる周波数を有するので、所望の広い周波数帯域全体に亘って、スレーブレーザを安定化するための安定した複数の周期的な基準周波数を得ることができる。
【００２２】
ここで、分子や原子の遷移によって、絶対周波数基準からなる周波数基準が所望の広い周波数帯域全体に渡って多数得られる場合（Ａ）と、絶対周波数基準からなる周波数基準が１本ないし数本といった少数しかないような場合（Ｂ）の双方がある。
このとき、周波数基準が多数得られる場合（Ａ）であっても、従来にあっては、周波数弁別器の零点周波数を、これまでは任意の周波数にできず、限られた周波数でしか安定化ができなかった。
【００２３】
これに対して、図１０に示したように原子や分子の吸収線のように周波数基準が多数得られる場合には、これらのうちの一つの周波数に安定化された絶対周波数に安定化したマスターレーザの出力を多数入手できると同時に、請求項１に記載した作用により、隣り合う周波数基準の間で当該所定の周波数基準から任意にオフセットさせた周波数でスレーブレーザの発振周波数をオフセットロックすることが可能となる。これによって、隣り合う周波数基準の間隔が設定可能なオフセット周波数内であれば、いずれの周波数においても安定化が可能になる。
【００２４】
また、周波数基準が少数しか得られない場合（Ｂ）には、周波数基準とマスターレーザの発振周波数との周波数差に応じて、空白の周波数を埋める２次周波数基準が必要となる。この状態を図１３に示した。
【００２５】
すなわち、まず、絶対周波数に安定化されたマスターレーザの出力光を２次周波数基準に入力し、この２次周波数基準をマスターレーザに安定化する。第２マスターレーザをこの２次周波数基準に入力し、２次基準の一定間隔の透過あるいは反射特性の極点のうちの所望の周波数に安定化する。この段階で、２次周波数基準の使用波長帯で、一定の周波数間隔での第２マスターレーザの発振周波数の安定化が達成できる。次にスレーブレーザを準備し、第２マスターレーザとのビートをとり、このビートと基準発振器の信号とで周波数変換を行い、周波数弁別器の使用周波数においてＦＭ−ＡＭ変換を行い、スレーブレーザの第２マスターレーザに対する周波数誤差信号をフィードバック帯域にまで低周波化する。この低周波化された誤差信号をスレーブレーザにフィードバックすることにより、任意周波数でオフセットロックが実現できる。
【００２６】
以上を周波数基準の中心周波数とレーザの発振周波数との関係で図示したのが、上述の図１３である。
ここで、第２マスターレーザの安定化に関して、２次周波数基準への安定化の前にビート信号を利用した安定化を行うこともできるが、２次基準の安定化に関して、所望の安定化周波数が厳密になればなる程、周波数の微調整が必要になる。この場合は、スレーブレーザを２次基準に安定化した後にも新たに安定化を施した第２のスレーブレーザが必要となる場合がある。
【００２７】
以上のように、これまで限られた周波数でしか実現できなかった周波数安定化半導体レーザ装置を、絶対周波数で発振するマスターレーザに２次周波数基準や基準発振器からの信号を介してスレーブレーザをオフセットロックすることにより、所望の周波数での絶対周波数からのオフセットロックした周波数安定化半導体レーザ装置が実現できる。
【００２８】
第１マスターレーザの発振周波数は、原子、分子の吸収線を用いた絶対周波数に安定化され、第２マスターレーザの発振周波数は、第１マスターレーザの発振周波数から、２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ程度の２次周波数基準で決まる一定間隔の制限で利用できる任意周波数にオフセットロックされる。
ここで、スレーブレーザの発振周波数は、基準発振器を利用することにより任意の周波数に設定できるが、スレーブレーザのフィードバック回路に必要なビート信号の周波数変換器の帯域と、第２マスターレーザとスレーブレーザのビートを観測する受光器の周波数帯域で制限されることになる。しかしながら、受光器の周波数帯域は６０ＧＨｚ程度が可能なので、周波数変換器や周波数弁別器に用いるミキサーの帯域がむしろ現実には問題となる。ミキサー帯域が一般には２０ＧＨｚ程度なので、２次周波数基準の選定を考慮すれば、文字どおり任意周波数でのオフセットロックが実現できる。
【００２９】
勿論、それぞれのレーザの出力光は、分岐をしてやりさえすれば独立に使用できる。したがって、各々のレーザの組み合わせは、そのままＤＷＭ通信に不可欠なコム周波数光源となる。請求項１または請求項２の発明を使用することで、コム周波数各々が絶対周波数からオフセットロックされることにより、従来得られなかった周波数精度、確度が実現されることになる。
【００３０】
また、ＬｉＮｂＯ３に代表されるような疑似位相整合（ＱＰＭ）波長変換素子を用いてコム周波数を構成することも可能であるが、この場合、励起光と信号光の周波数安定化が不可欠となる。本発明はこの要求にも答えることになる。
ちなみに、マスターレーザを光スイーパにしたい場合は、オフセットロックがかかる状態ではスレーブレーザはマスターレーザに追随するだけになる。勿論、オフセットロック時に使用する基準発振器の発振周波数を掃引しても同様の結果が得られる。むしろこの場合にはオフセットロックの周波数が変化するだけで、周波数基準は絶対周波数から発生させていることになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
次に、参考例１について図面を参照しつつ説明する。なお、上記従来例と同様な部品については同一の符号を付して説明する。
図１１は、本参考例の周波数安定化半導体レーザ装置の構成を示す図であり、マスターレーザ１２の出力光を安定化する基準出力光安定化手段Ａと、スレーブレーザ１３の出力光を、マスターレーザ１２の出力光に追従させてオフセットロックする追従制御手段Ｂとを備える。
【００３２】
マスターレーザ１２の出力光は、ビームスプリッタ２１によって分光され、一部がスレーブレーザ１３側の追従制御手段Ｂに入力されると共に、残りの光が基準出力光安定化手段Ａに入力される。
基準出力光安定化手段Ａは、発振器２、外部変調器１７、１次周波数基準を構成する線形吸収セル３、受光器５、ロックインアンプ６、フィードバック回路７を備える。
【００３３】
上記外部変調器１７は、音響光学変調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成される。その外部変調器１７は、発振器２からの位相基準信号に基づき、入力したマスターレーザ１２の出力光を、周波数変調あるいは位相変調して周波数基準の中心周波数近傍で微少変調させ、その変調させた変調信号を、線形吸収セル３に出力する。外部変調器１７からの光は、線形吸収セル３を透過する際に固有の周波数の光が吸収された後に、受光器５（光検波器）に入力され、該受光器５で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックインアンプ６によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路７に出力される。フィードバック回路７は、その同期検波された信号が一定になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：Ｄ）を行い上記マスターレーザ１２の駆動電流等を制御する。これによって、マスターレーザ１２の出力光は、線形吸収セル３で特定される所定の絶対周波数に安定化される。
【００３４】
ここで、上記説明では、ロックインアンプ６を使用した例であるが、ミキサーとフィルタを用いて位相検波器を構成しても良い（Ｔ．Ｙａｎａｇａｗａ，Ｓ．Ｓａｉｔｏ，Ｓ．Ｍａｃｈｉｄａ，Ｙ．Ｙａｍａｍｏｔｏ，ａｎｄ Ｙ．Ｎｏｇｕｃｈｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４７，１０３６（１９８５）参照）。
【００３５】
また、上記吸収セル３の気体としては、吸収線が多数とれるもの、つまり周波数基準が多数得られる気体を採用すると良い。周波数基準が多数得られると、これらのうちの所望の一つの周波数に安定化することで周波数安定化用のマスターレーザ１２の出力光を多数入手できる。この結果、隣り合う周波数基準の間でスレーブレーザ１３のオフセットロックができれば、いずれの周波数においても安定化が可能になる。
【００３６】
上記のような吸収セル用の気体としては、例えばアセチレンガス（12Ｃ2 Ｈ2 ）や同位体置換アセチレンガス（13Ｃ2 Ｈ2 ）が例示できる。
表１に、セル長１０ｃｍ、ガス圧１３３３Ｐａの条件下で実測したアセチレンガス（12Ｃ2 Ｈ2 ）及び同位体置換アセチレンガス（13Ｃ2 Ｈ2 ）の吸収線の値（測定波長領域は、１５３５．０〜１５３５．５ｎｍである）を示す。また、表２に、１．５５μｍ帯における13Ｃ2 Ｈ2 の吸収線を示す。
【００３７】
【表１】
【表２】
これら吸収線毎の周波数差は、後述の周波数変換器２２や周波数弁別器１６を構成するミキサーとして帯域２０ＧＨｚのミキサーを用いる場合は、４０ＧＨｚまでの間隔までであるなら、任意周波数でオフセットロックが可能である。２０−２１、２２−２３、２３−２４、２４−２５、２５−２６間は４０ＧＨｚを越える周波数差があるので、これらの間については、その間隔に対応する広さの帯域を有するミキサーを採用するか、そうでなければ、後述の参考例２の装置を採用するか、本実施形態の基準周波数の安定化の手法を繰り返さざるを得ない。また、これらの波長より長波側では、１２Ｃ２Ｈ２や１３Ｃ２Ｈ２の吸収がないため、アセチレンを基本にするシステムでは後述の参考例２の装置に頼らざるを得ない。
【００４０】
なお、シアンガス（Ｈ１２ＣＮ、Ｈ１３ＣＮ）も１．５μｍ帯（１．５１９８〜１．５６７４μｍ）に多数の吸収量の大きい吸収線を有しており（Ｈ．Ｓａｓａｄａ ａｎｄ Ｋ．Ｙａｍａｄａ，Ａｐｐ１．Ｏｐｔ．２４，３５３５（１９９０）参照）、本参考例の手法に使用可能である。したがって、後述の参考例２で述べるＷＤＭ用コム周波数安定化光源に好適のガスであるが、毒性の強いガスであるので、取扱いには注意を要する。
【００４１】
次に、追従制御手段Ｂについて説明すると、マスターレーザ１２からの出力光とスレーブレーザ１３の出力光を合波するビームスプリッタ１４（光合波手段）と、ビームスプリッタ１４が合波した光して電気信号（ビート信号）に変換（検波）する受光器１５（検波手段）と、オフセット周波数信号を発振する基準発振器２４と、上記受光器１５が検波したビート信号と基準発振器２４からのオフセット周波数信号と入力する周波数変換器２２と、周波数変換器２２の出力をバンドパスフィルタ２５を介して入力する周波数弁別器１６と、周波数弁別器１６の出力を入力し当該入力値に応じたフィードバックをスレーブレーザ１３に行うフィードバック回路２０とから構成される。
【００４２】
本参考例の上記周波数変換器２２は、ミキサー２２ａから構成されて、周波数誤差信号Δｆ（ ＝ｆBEAT −ｆSY）を出力する。すなわち、周波数変換器２２は、基準発振器２４の基準周波数（基準周波数からのオフセット量）を用いて、ビート信号を周波数弁別器１６の零点周波数ｆC 近傍の周波数に周波数変換する。
【００４３】
ここで、
マスターレーザ１２の発振周波数：ｆMA
スレーブレーザ１３の発振周波数：ｆSL
ビート信号の周波数 ：ｆBEAT＝｜ｆMA −ｆSL｜
周波数弁別器１６の零点周波数 ：ｆC
基準発振器２４の発振周波数 ：ｆSY
である。
【００４４】
周波数弁別器１６は、周波数変換器２２からの周波数誤差信号を、ＦＭ−ＡＭ変換する。変換したＡＭ誤差信号は、フィードバック回路２０を介してスレーブレーザ１３にフィードバックされる。
本参考例の周波数弁別器１６は、ミキサ１６ａ及び遅延回路１６ｃ（遅延線）を備え、入力した信号を方向性結合器１６ｂにより分岐し、一方の信号をそのままミキサ１６ａに入力すると共に分岐した他の信号は遅延回路１６ｃを介して上記ミキサ１６ａに入力する構成となっている。
【００４５】
ここで、上記各受光器５，１５としては、例えば当該受光器のフォトダイオード（ＰＤ）の帯域が６０ＧＨｚ程度のものを使用する。
上記追従制御手段Ｂでは、基準発振器２４からのオフセット周波数信号に基づきビート信号ｆBEATを周波数変換した周波数誤差信号Δｆを周波数弁別器１６に入力することにより、任意の周波数へのオフセットロックを容易に実現することができる。
【００４６】
そして、オフセットロックされたスレーブレーザ１３の発振周波数は上述の式に従う。つまり、マスターレーザ１２及びスレーブレーザ１３の各発振周波数の差周波信号であるビート信号ｆBEATの周波数と基準発振器２４の発振周波数（基準信号）との差である周波数誤差信号△ｆを周波数変換器２２から発生させ、周波数弁別器１６の零点周波数ｆｃに安定化させてやることで、スレーブレーザ１３の発振周波数は、絶対周波数に安定化されたマスターレーザ１２の発振周波数から、オフセット周波数だけオフセットした任意の周波数で安定化できる。
【００４７】
ただし、各々の周波数ｆMA、ｆSL、ｆBEAT、ｆSYの関係で、周波数弁別特性の極性を変えねばならない。図９に示す特性では、（１）ｆSL＞ｆMA、且つｆBEAT＞ｆSY、若しくは（２）ｆSL＜ｆMA、且つｆBEAT＜ｆSYの場合に有効である。これ以外では、図９の逆特性が必要になる。すなわち、（３）ｆSL＜ｆMA、且つｆBEAT＞ｆSY、若しくは（４）ｆSL＞ｆMA、且つｆBEAT＜ｆSYの場合には、図１７に示す実測値のような周波数弁別特性を有するダブルバランスドミキサからなる周波数弁別器１６が必要となる。
【００４８】
ここで、上記ミキサ１６ａ及び遅延回路１６ｃを使用した周波数弁別器１６の動作について説明する。
周波数変換器２２から出力され、周波数弁別器１６に入力される信号を
ｃｏｓ（ω０・ｔ）とすると、遅延回路１６ｃを用いる場合のミキサ１６ａ動作は、遅延位相をφとして低周波側のみの出力を利用し、かつ周波数弁別器１６の出力をＶとすると、
Ｖ＝ｃｏｓ（ω０・ｔ）・ｃｏｓ（ω０・ｔ＋φ）
＝［ｃｏｓ（２ω０・ｔ＋φ）＋ｃｏｓφ］／２〜（ｃｏｓφ）／２
となる。
【００５１】
ここで、温度と電流を変化させて１．５５１μｍで発振する半導体レーザ１を２つ準備し、一方を吸収線に安定化させてマスターレーザ１２とし、他のレーザをスレーブレーザ１３とした。これによりアラン分散の平方根の値がマスターレーザ１２では〜１０-11 となり、これにスレーブレーザ１３を安定化させてみると〜１０-10 が得られた。１．５５０μｍにおいてもほぼ同様の結果が得られた。
【００５２】
この場合、零点周波数ｆc は方向性結合器１６ｂの帯域に合わせており、変更は可能である。利用可能なビート周波数の帯域は、ミキサ１６ａ、基準発振器２４、受光器１５の帯域に制限されることになり、現状ではミキサ１６ａで決定され、２０ＧＨｚ程度までである。
表１および表２では、１，５３２μｍ帯、１．５５μｍ帯での吸収線実測値を示したが、12Ｃ2 Ｈ2 の吸収線は１．５１〜１．５４μｍで、13Ｃ2 Ｈ2 の吸収線は１．５２〜１．５５μｍで各々５０数本が同じ条件で観測された。
【００５３】
それぞれの周波数で安定化されたマスターレーザ１２に、本参考例で示した手法でスレーブレーザ１３をオフセットロックすると、１．５１〜１．５５μｍの任意周波数で周波数安定化光源が実現できる。
なお、吸収線の間隔が、ミキサ１６ａの帯域を越える場合は、スレーブレーザ１３にオフセットロックする別のスレーブレーザ１３を用いる。簡便にはこれを繰り返してもよいが、むしろ後に示す２次周波数基準を用いるのが望ましい。
【００５４】
ここで、上記参考例の基準出力光安定化手段Ａでは、線形吸収セル３の吸収線の周波数にマスターレーザ１２の出力光を安定化する場合で例示しているが、図１２に示すような構成で基準出力光安定化手段Ａを構成して、非線形吸収セル４の吸収線の周波数にマスターレーザ１２の出力光を安定化するようにしても良い。
【００５５】
また、上記参考例では、外部変調器１７で変調しているが、マスターレーザ１２の中心周波数に微小な周波数変調を施す直接周波数変調を施す直接周波数変調方式を採用しても良い。
また、上記参考例では、マスターレーザ１２の出力光を基準出力光安定化手段Ａで安定化させているが、基準出力光安定化手段Ａで安定化させなくても良い。但し、基準出力光安定化手段Ａで安定化させないと、その分、スレーブレーザ１３の出力光の安定度が悪くなる。
【００５６】
次に、参考例２を図面を参照しつつ説明する。なお、上記参考例等と同様な部品などについては同一の符号を付して説明する。
本参考例は、図１３に示したような、吸収セル３による絶対周波数基準が多数得られない場合や、多数の絶対周波数基準が得られても当該絶対周波数基準間隔が広くその位置における周波数の離れた位置で安定化光源が必要な場合に好適な装置である。
【００５７】
図１４は、本参考例の装置構成を示す図であって、マスターレーザ１２が第１マスターレーザ３０と第２マスターレーザ３１とから構成され、第１マスターレーザ３０の出力光を安定化させる基準出力光安定化手段Ａと、ファブリペロ干渉計やリング共振器などの光共振器から構成される２次周波数基準３９と、２次周波数基準安定化手段Ｃと、２次基準出力光安定化手段Ｄと、スレーブレーザ１３の出力光をマスターレーザ１２の出力光に追従させてオフセットロックする追従制御手段Ｂとを備える。
【００５８】
基準出力光安定化手段Ａは、上記参考例１と同様の構成であって、発振器２、外部変調器１７、線形吸収セル３、受光器５、ロックインアンプ６、フィードバック回路７を備える。
外部変調器１７は、音響光学変調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成されて、発振器２からの基準信号に基づき、入力した第１マスターレーザ３０の出力光を、周波数変調あるいは位相変調して周波数基準の中心周波数近傍で微少変調させ、その変調させた変調信号を参照信号として、線形吸収セル３に出力する。外部変調器１７からの光は、線形吸収セル３を透過する際に固有の周波数の光が吸収された後に、受光器５（光検波器）に入力され、該受光器５で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックインアンプ６によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路７に出力される。フィードバック回路７は、その同期検波された信号が一定になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：Ｄ）を行い上記第１マスターレーザ３０の駆動電流等を制御する。これによって、第１マスターレーザ３０の出力光は、線形吸収セル３で特定される周波数基準（原子や分子の吸収線など絶対周波数に準じるもの）に安定化される。
【００５９】
次に、２次周波数基準安定化手段Ｃについて説明する。
２次周波数基準安定化手段Ｃは、受光器３６、ロックインアンプ３２及び、２次周波数基準３９である光共振器のミラー間隔若しくは光路長をフィードバック制御するフィードバック回路３３、及び上記第１マスターレーザ３０の出力光の一部を２次周波数基準３９に入力にする光路を備える。そして、上記光路によって、第１マスターレーザ３０の出力光を２次周波数基準３９に入射し、該２次周波数基準３９からの透過光を受光器３６によって電気信号に変換してロックインアンプ３２に出力する。ロックインアンプ３２は、上記電気信号を上記発振器２からの位相基準信号を基準に同期検波してフィードバック回路３３に出力される。フィードバック回路３３では、その同期検波された信号が一定となるように２次周波数基準３９のミラー間隔若しくは光路長をフィードバック制御して、２次周波数基準３９の基準周波数の一つを第１マスターレーザ３０の周波数に安定化させる。
【００６０】
上記光共振器からなる２次周波数基準３９は、光を透過する透過周波数が周期的に存在する透過特性を有し、その周期的に存在する透過周波数が周波数基準となるもので、上記のように、２次周波数基準３９の周波数基準（透過周波数）の一つが第１マスターレーザ３０の周波数に安定化することで、２次周波数基準３９の全ての周波数基準（透過周波数）が安定化する。
【００６１】
次に、２次基準出力光安定化手段Ｄについて説明する。
２次基準出力光安定化手段Ｄは、上記安定化された２次周波数基準３９の複数の基準周波数の一つに第２マスターレーザ３１の出力光を安定化させるものであって、発振器３５、外部変調器３４、上記２次周波数基準３９、受光器４０、ロックインアンプ３７、フィードバック回路３８とを備える。
【００６２】
外部変調器３４は、音響光学変調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成されて、発振器３５からの基準信号に基づき、入力した第２マスターレーザ３１の出力光を、周波数変調あるいは位相変調して２次周波数基準３９の中心周波数近傍で微少変調させ、その変調させた変調信号を参照信号として、２次周波数基準３９に出力する。２次周波数基準３９からの透過光は受光器４０（光検波器）に入力され、該受光器４０で電気信号に変換される。その電気信号は、ロックインアンプ３７によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路３８に出力される。フィードバック回路３８は、その同期検波された信号が一定になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：Ｄ）を行い上記第２マスターレーザ３１の駆動電流等を制御する。これによって、第２マスターレーザ３１の出力光は、２次周波数基準３９の周期的に存在する複数の周波数基準のうちの所望の周波数基準に安定化される。
【００６３】
上記２次基準出力光安定化手段Ｄによって安定化された第２マスターレーザ３１の出力光は、ビームスプリッタ４１で分光され、その一部が追従制御手段Ｂに入射される。
追従制御手段Ｂは、上記参考例１で説明した構成と同じ構成であって、安定化された第２マスターレーザ３１の出力光とスレーブレーザ１３の出力光との合波によるビート信号ｆBEAT及び基準発振器２４からの基準信号に基づいて、第２マスターレーザ３１の出力光に対して基準発振器２４のオフセット周波数分だけオフセットした周波数に、スレーブレーザ１３の発振周波数をオフセットロックして安定化する。
【００６４】
すなわち、第２マスターレーザ３１とスレーブレーザ１３との間の安定化は、上記参考例１と同様に、受光帯域内（ミキサ２２ａの帯域）に存在する程度の周波数差のものに限り、ビート信号ｆBEATを周波数変換器２２（ミキサ２２ａ）に入力し、基準発振器２４を用いて周波数弁別器１６の零点周波数近傍にビート信号ｆBEATを周波数変換する。これを、例えば上述のミキサ１６ａに遅延回路１６ｃ（遅延線）を設けて構成される周波数弁別器１６に入力すると、周波数誤差信号がＦＭ−ＡＭ変換される。
【００６５】
この変換されたＡＭ誤差信号をスレーブレーザ１３にフィードバックしてやると、スレーブレーザ１３は周波数弁別器１６の零点周波数で安定化されることになる。つまり、スレーブレーザ１３の周波数を所望の値にすると、第２マスターレーザ３１とスレーブレーザ１３との間の周波数差、つまりビート周波数が決定されるが、基準発振器２４の信号周波数の設定によってはビート信号ｆBEATの中心周波数を周波数弁別器１６の零点周波数に一致させることができるため、ＡＭ誤差信号をスレーブレーザ１３にフィードバックした段階で任意の周波数におけるオフセットロックが実現できる。
【００６６】
したがって、２次周波数基準３９に誘電体薄膜製品を用いる場合、受光する信号のＳ／Ｎにも依存するが、わずかな反射、透過の特性を利用して複数の周波数帯域（むしろ波長帯域と述べるべきかも知れない）での安定化が可能になる。これにより、任意の波長帯域、周波数帯域でのオフセットロックが光学部品の選定しだいで実現できることになる。なお、このような周波数安定化手法は、これまでに前例がない。
【００６７】
ここで、上記参考例では、第１及び第２マスターレーザ３０，３１の出力光の安定化に外部変調器１７、３４を使用しているが、図１５に示すように、マスターレーザ１２を直接周波数変調して第１及び第２マスターレーザ３１の出力光を安定化する構成としても良い。
また、図１６に示すように、第１マスタレーザの出力光の安定化に、マスターレーザ１２の周波数安定度向上に向け、線形吸収セル３の代わりに飽和吸収分光を応用した非線形吸収セル４を用いた場合であっても良い。
【００６８】
いずれも第１マスターレーザ３０の出力光の安定化において、吸収線近傍での微少変調を用いて位相検波し、吸収線の中心周波数に安定化される。そして、それぞれ一部が２次周波数基準３９の安定化に使用される。
なお、図１３は、２次周波数基準３９にキャビティーの透過特性をイメージした図を示しているが、反射特性でも同様に使用できる。反射特性の場合は、透過特性と上下反転対称になり、透過特性極大値が反射特性極小側になり、周波数基準にはこの極点が周波数確度からも望ましい。また、当然のことながらそれぞれのレーザの出力光は独立に使用可能であり、２次周波数基準３９の周波数設定の確度で充分な場合は、特にスレーブレーザ１３が不要になることもあり得る。
【００６９】
ここで、２次周波数基準３９として、透過、反射周波数間隔を比較的簡単に調整できるファブリペロ干渉計の場合について説明する。
透過、反射周波数間隔はフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）で表され、
ＦＳＲ＝ｃ／２ｎＬ
となる。
【００７０】
ここで、ｃは光速、Ｌはミラー間隔、ｎはミラー間の屈折率である。
ＦＳＲが２５ＧＨｚの場合、ミラー間隔は６ｎｍ、５０ＧＨｚの場合は３ｍｍ、１００ＧＨｚの場合は１．５ｍｍ、２００ＧＨｚの場合は０．７５ｍｍとなり、簡側に調整できるサイズとなっている。リング共振器の場合も同様に利用可能となるが、
ＦＳＲ＝ｃ／ｎＬ
となる。
【００７１】
これは反射部の間隔でＦＳＲが決定されることを考えれば理解しやすい。なお、コンフォーカルキャビティーの場合、ＦＳＲはｃ／４ｎＬとなる。当然のことながら、コンフォーカルキャビティーも使用可能であるが、このサイズでは調整上、やや使いにくい。
本実施形態の装置構成を採用すると、いずれかの周波数で第１マスターレーザ３０の発振周波数が安定化すると、その第１マスターレーザ３０の安定化周波数を含み、２次周波数基準３９の光の周波数特性が確保されれば、任意の周波数でのオフセットロックが実現される。
【００７２】
このため、本参考例の周波数安定化半導体レーザ装置を使用することで、ＷＤＭ用コム周波数安定化光源が実現できるという利点が生じる。
周波数コムに関しては、アンカー周波数を、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のフラットゲイン帯域（幅は約２ＴＨｚで２５ｎｍに相当）の中央１９３１００ＧＨｚ（１５５２．５ｎｍ）とし、周波数グリッドを２５ＧＨｚに設定することが提案されている（例えば、Ｍ．Ｔｅｓｈｉｍａ，Ｍ．Ｋｏｇａ，ａｎｄＫ．Ｓａｔｏ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２２，１２６（１９９７）参照）。周波数グリッドに関しては、他に５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ、２００ＧＨｚが提案されている。
【００７３】
次に、参考例３について図面を参照しつつ説明する。なお、上記参考例等と同様な部品などについては同一の符号を付して説明する。
本参考例は、参考例１に基づくコム周波数安定化用の周波数安定化半導体レーザ装置の例である。本参考例では、５０〜１００波程度の安定化が容易となる。
【００７４】
図１８が、本参考例に係る周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図である。
図１２に示されるように、マスターレーザ１２とスレーブレーザ１３との組を複数組有し、各組におけるマスターレーザ１２の出力光とスレーブレーザ１３の出力光とが個別の光ファイバカップラ５０（光合波手段）で合波されて個別の受光器１５（検波手段）で検波され、各受光器１５で検波されたビート信号ｆBEATは、個別の追従制御手段Ｂによって各スレーブレーザ１３の出力光の発振周波数が、それぞれ個別に各マスターレーザ１２の出力光の発振周波数にオフセットロックして安定化される。
【００７５】
各追従制御手段Ｂは、上記参考例１で説明した構成となっている。
また、各マスターレーザ１２の出力光についても、参考例１で説明した基準出力光安定化手段Ａで安定化することで、各スレーブレーザ１３の安定化が向上する。
このとき、吸収セルのガスとして、アセチレンガス（１２Ｃ２ Ｈ２ 、１３Ｃ２ Ｈ２）やシアンガス（Ｈ１２ＣＮ、Ｈ１３ＣＮ）を用い、これらの吸収線にレーザを安定化すれば、前述のＥＤＦＡフラットゲイン周波数近傍でのマスターレーザ１２群が得られる。これにスレーブレーザ１３をオフセットロックすれば、ＷＤＭ用のコム周波数安定化光源が実現できる。得られる周波数安定度はそれぞれ前述のとおりである。
【００７６】
ちなみにこの場合は、周波数基準の数にコム周波数の数が制限されることになるが、前述のように、第１マスターレーザ３０に複数の第２マスターレーザ３１を複数オフセットロックすれば、この問題はある程度回避できる。また、各マスターレーザ１２単位に周波数基準となる吸収セルを異ならしても良い。
また、次に述べるよう第１実施形態のように、第２周波数基準を用いれば、この問題からは解放される。
【００７７】
次に、第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。
本実施形態は、上記参考例２をコム周波数安定化用の周波数安定化半導体レーザ装置に適用した実施例である。この方法では、図１３の周波数関係が成り立つ。
図１９が本実施形態を示す構成図であって、２つのＡＷＧ波長合分波器５１，５３（Ａｒｒａｙｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ）を２次周波数基準３９の前後に挿入することにより、多波長一括周波数安定化光源を実現可能とするものである。
【００７８】
すなわち、１個の第１マスターレーザ３０と、一群の複数の第２マスターレーザ３１と、光共振器からなる２次周波数基準３９、２次周波数基準３９を第１マスターレーザ３０の出力光に安定化する２次周波数基準安定化手段Ｃと、上記一群の複数の第２マスターレーザ３１の発振周波数を上記２次周波数基準３９に安定化させる２次基準複数出力光安定化手段Ｅと、一群のスレーブレーザ１３と、上記２次周波数基準３９の前後の光路に介挿されて上記２次基準複数出力安定化手段の一部である２つのＡＷＧ波長合分波器５１，５３と、ＡＷＧ波長合分波器５１で合波された一群の第２マスターレーザ３１の出力光を分波する第３のＡＷＧ波長合分波器５４と、光ファイバカップラ５０と、各スレーブレーザ１３を対応する第２マスターレーザ３１の出力光にオフセットロックする複数の追従制御手段Ｂと、を備える。
【００７９】
上記２次周波数基準安定化手段Ｃは、上記参考例で説明した構成と同じ構成となっていて、第１マスターレーザ３０の発振周波数に２次周波数基準３９の基準周波数の一つを安定化させる。
また、２次基準複数出力光安定化手段Ｅは、上記安定化された２次周波数基準３９の複数の基準周波数の各々に一群の第２マスターレーザ３１の出力光をそれぞれ安定化させるものであって、２つのＡＷＧ波長合分波器５１，５３、発振器３５、外部変調器３４、上記２次周波数基準３９、受光器４０、ロックインアンプ３７、フィードバック回路３８とを備える。
【００８０】
一群の第２マスターレーザ３１の出力光は、全て第１のＡＷＧ波長合分波器５１に入力する。ＡＷＧ波長合分波器５１からの出力は、光ファイバカップラ５２で分光され、その一部は外部変調器３４を介して２次周波数基準３９に透過させて当該２次周波数基準３９の光学特性（透過あるいは反射特性）のおのおの異なる極値に安定化する。
【００８１】
すなわち、外部変調器３４は、音響光学変調器（ＡＯ）や電気光学変調器（ＥＯ）等から構成されて、発振器３５からの基準信号に基づき、入力した出力光を、周波数変調あるいは位相変調して２次周波数基準３９の中心周波数近傍で微少変調させ、その変調させた変調信号を参照信号として、２次周波数基準３９に出力する。２次周波数基準３９からの透過光は、第２のＡＷＧ波長合分波器５３で分波され、その各出力光は、それぞれ受光器４０（光検波器）に入力され、該受光器４０で電気信号に変換される。その各電気信号は、ロックインアンプ３７によって上記位相基準信号を基準に同期検波されて、フィードバック回路３８に出力される。フィードバック回路３８は、その同期検波された信号が一定になるように、ＰＩＤ制御（比例：Ｐ、積分：ｌ、微分：Ｄ）を行い、それぞれ対応する第２マスターレーザ３１の駆動電流等を制御する。これによって、第２マスターレーザ３１の出力光は、それぞれ２次周波数基準３９の周期的に存在する複数の周波数基準の光学特性（透過あるいは反射特性）のおのおの異なる極値に安定化される。
【００８２】
ここで、２次周波数基準３９の極値を示す周波数は、コム周波数間隔に一致させておく。
また、上記一群の第２マスターレーザ３１の出力光をカップラ５２で分光した他方は、第３のＡＷＧ波長合分波器５４に入力し、一群の第２マスターレーザ３１の出力光に分波される。その分波した各出力光は、それぞれ光ファイバカップラ５０によって各スレーブレーザ１３の出力光と合波された後に個別の受光器１５で電気信号（ビート信号ｆBEAT）に変換されて、それぞれ個別の追従制御手段Ｂによって任意の周波数にオフセットロックされる。
【００８３】
各追従制御装置Ｂの構成は、上記参考例と同様である。
なお、一群の第２マスターレーザ３１の出力光だけを、周波数安定化半導体レーザ装置の出力として使用することも可能であるが、ＷＤＭ用光源にするためには、それぞれ周波数の微調整が必要であり、上述のようなオフセットロックが不可欠となる。これがスレーブレーザ１３を必要とする理由である。第２周波数基準の光学特性が観測できさえすれば、どの周波数であろうと任意の場所にオフセットロックが可能になる。
【００８４】
ちなみに、このような構成をとると、２次周波数基準３９の光耐性内での１００波入力でないと、系そのものが実現困難となることが懸念されるが、それぞれの光のパワーが−２０〜−１０ｄＢｍで充分動作することが確認できているので、問題はない。
また、ＡＷＧ波長合分波器の透過中心周波数の調整は、３ｄＢパスバンド幅が０．３〜１．３ｎｍと広く、透過中心周波数の温度依存性が〜１０-5mm／℃であるため、使用前の温度設定だけで充分機能する。
【００８５】
なお、第１マスターレーザ３０の出力光は、上述の基準出力安定化手段で周波数を安定化しておく。
次に、第２実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図２０は、本実施形態に係る周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図である。
【００８６】
本実施形態は、上記第１実施形態の簡易版であって、光共振器の代わりに、第２のＡＷＧ波長合分波器５３そのものを２次周波数基準とするものである。ＡＷＧ波長合分波器は、３ｄＢパスバンド幅が広いため、安定度は低くなってしまうが、ファブリペロ干渉計など、２次周波数基準としてのキャビティの使用を省略できる利点がある。
【００８７】
第１マスターレーザ３０の出力光を、一群の第２マスターレーザ３１と同様に第１のＡＷＧ波長合分波器５１に入力した後、その出力光を光ファイバカップラ５２で分光し、その２つの出力光を次段の２つのＡＷＧ波長合分波器５３，５４にそれぞれ入力する。
上記ＡＷＧ波長合分波器５１の出力の一方は、外部変調器３４で周波数（位相）変調した後に第２のＡＷＧ波長合分波器５３に入力し、上記出力の他方は、無変調で第３のＡＷＧ波長合分波器５４に入力するものとする。
【００８８】
変調が施された出力光は位相検波し、第２のＡＷＧ波長合分波器５３の温度制御に用い、第１マスターレーザ３０の発振周波数に第２ＡＷＧ波長合分波器５３の透過周波数の一つを安定化する。なお、本実施形態では、第２マスターレーザ３１の安定化のための光路と、２次周波数基準としての第２のＡＷＧ波長合分波器５３の安定化のための光路を同一としているが、別光路としても良い。
【００８９】
第２マスターレーザ３１の周波数安定化は、第１マスターレーザ３０がＡＷＧ波長合分波器５３の安定化を行ったのと同様に位相検波し、その出力をレーザの電流にフィードバックして実現する。
ここで、第１のＡＷＧ波長合分波器５１、発振器３５、ロックインアンプ６、受光器５、フィードバック回路６０が合分波器安定手段Ｆを構成し、第１及び第２のＡＷＧ波長合分波器５１，５３、発振器３５、及び、各第２マスターレーザ３１に対応するロックインアンプ３７、受光器４０、フィードバック回路３８が、第２の２次基準複数出力光安定化手段Ｇを構成している。
【００９０】
一方、第３のＡＷＧ波長合分波器５４から出力される無変調の出力光はスレーブレーザ１３のオフセットロックに利用される。スレーブレーザ１３のオフセットロック、つまり追従制御手段Ｂは、上記第１実施形態と同様であるので省略する。
これにより得られる安定度は１０−９程度である。
【００９１】
ちなみに、第２のＡＷＧ波長合分波器以外のＡＷＧ波長合分波器は、使用前の温度設定だけでよい。
【００９２】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明によれば、任意の発振周波数にスレーブレーザをオフセットロックすることが可能となる。
このとき、原子や分子の絶対周波数を基準とした高精度な周波数安定度が得られる。
【００９３】
また、２５ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、１００ＧＨｚ、２００ＧＨｚといった一定の周波数間隔で周波数安定化光源が得られるため、ＷＤＭ用のコム周波数安定化光源が実現できる。
また、マスターレーザと波長が倍程、異なるスレーブレーザ１３についても、何の差し障りもなくオフセットロックが実現できる。
【００９４】
さらに、単独の周波数安定化のみならず、５０〜１００波長の一括周波数安定化が可能となる。
光の周波数スイーパにオフセットロックされて追従する光源や、所望の光の周波数を、絶対周波数基準にオフセットロックし、すべて、あるいは一部の光源を用いて、コム周波数を構成することが可能になる。特に、波長多重通信（ＷＤＭ）用の周波数安定化光源に密接に関わり、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）に代表される光ファイバ増幅器（ＯＦＡ）と共に用いることができる。
【００９５】
例えば、ＥＤＦＡゲインフラット周波数の中央から、高周波、低周波の双方で等周波数間隔で発振するコム周波数光源が簡単に実現できる。
また、周期分極反転（ＰＰＬＮ）技術を用いた波長変換技術が注目されているが、光源の安定度が変換光にそのまま影響するため、波長多重度が増せば増す程、安定度に要求される精度は厳しくなる。励起光と信号光を独立した光源から供給する場合には、特に本発明が有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、線形吸収セルを使用すると共に、半導体レーザを直接変調方式の図である。
【図２】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、非線形吸収セル４を使用すると共に、半導体レーザを直接変調方式の図である。
【図３】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、光共振器を使用すると共に、半導体レーザを直接変調方式の図である。
【図４】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、マスターレーザを周波数基準として使用する図である。
【図５】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、線形吸収セルを使用すると共に、半導体レーザを外部変調器で変調する方式の図である。
【図６】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、非線形吸収セルを使用すると共に、半導体レーザを外部変調器で変調する方式の図である。
【図７】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、光共振器を使用すると共に、半導体レーザを外部変調器で変調する方式の図である。
【図８】 従来の周波数安定化半導体レーザ装置を示す構成図であって、マスターレーザを周波数基準として使用する図である。
【図９】 周波数弁別特性の模式及び帰還周波数幅を示す図である。
【図１０】 周波数基準の中心周波数とレーザ安定化後の発振周波数を説明する図である。
【図１１】 参考例１に係る周波数安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【図１２】 参考例１に係る周波数安定化半導体レーザ装置の別の構成図である。
【図１３】 周波数基準の中心周波数とレーザ安定化後の発振周波数を説明する図である。
【図１４】 参考例２に係る周波数安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【図１５】 参考例２に係る周波数安定化半導体レーザ装置の別の構成図である。
【図１６】 参考例２に係る周波数安定化半導体レーザ装置の別の構成図である。
【図１７】 ダブルバランスドミキサを使用した周波数弁別器における周波数弁別特性の実測例を示す図である。
【図１８】 参考例３に係る多波長一括周波数用の安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【図１９】 本発明に基づく第１実施形態に係る多波長一括周波数用の安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【図２０】 本発明に基づく第２実施形態に係る多波長一括周波数用の安定化半導体レーザ装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 半導体レーザ１
２ 発振器
３ 線形吸収セル
４ 非線形吸収セル
５ 受光器
６ ロックインアンプ
７ フィードバック回路
８ 偏光ビームスプリッタ
９ １／４波長板
１０ ミラー
１１ 光共振器
１２ マスターレーザ
１３ スレーブレーザ
１４ ビームスプリッタ
１５ 受光器
１６ 周波数弁別器
１６ａ ミキサ
１６ｂ 方向性結合器
１６ｃ 遅延回路
１７ 外部変調器
２０ フィードバック回路
２１ ビームスプリッタ
２２ 周波数変換器
２２ａ ミキサ
２３ スペクトラムアナライザ
２４ 基準発振器
２５ バンドパスフィルタ（またはローパスフィルタ）
３０ 第１マスターレーザ
３１ 第２マスターレーザ
３２ ロックインアンプ
３３ フィードバック回路
３４ 外部変調器
３５ 発振器
３６ 受光器
３７ ロックインアンプ
３８ フィードバック回路
３９ ２次周波数基準
４０ 受光器
４１ ビームスプリッタ
５０ 光ファイバカップラ
５１ 第１のＡＷＧ波長合分波器
５２ 光ファイバカップラ
５３ 第２のＡＷＧ波長合分波器
５４ 第３のＡＷＧ波長合分波器
Ａ 基準出力光安定化手段
Ｂ 追従制御手段
Ｃ ２次周波数基準安定化手段
Ｄ ２次基準出力光安定化手段
Ｅ ２次基準複数出力光安定化手段
Ｆ 合分波器安定化手段
Ｇ 第２の２次基準複数出力光安定化手段
ｆＭＡ マスターレーザの発振周波数
ｆＳＬ スレーブレーザの発振周波数
ｆＢＥＡＴ ビート信号の周波数
ｆＣ 周波数弁別器の零点周波数
ｆＳＹ 基準発振器の発振周波数
Claims (2)
- 第１マスターレーザと、複数の第２マスターレーザと、複数のスレーブレーザと、光共振器からなる２次周波数基準と、２次周波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波数のいずれか一つを第１マスターレーザの発振周波数に安定化する２次周波数基準安定化手段と、上記複数の第２マスターレーザの出力光の発振周波数を、上記２次周波数基準の光学特性の極値を示す複数の周波数のそれぞれに安定化する２次基準複数出力光安定化手段と、上記複数の第２マスターレーザの出力光と上記複数のスレーブレーザの出力光とをそれぞれ合波する複数の光合波手段と、各光合波手段からビート信号に基づき対応するスレーブレーザの発振周波数を対応する第２マスターレーザの発振周波数に追従制御する複数の追従制御手段とを備え、
上記各追従制御手段は、それぞれ、オフセット周波数信号を出力する基準発振器と、基準発振器からの信号と上記ビート信号とを入力する周波数変換器と、周波数変換器の出力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出力する誤差信号をスレーブレーザにフィードバックする第１のフィードバック回路とを備え、上記周波数弁別器が、ミキサと遅延回路と方向性結合器からなり、入力した信号を上記方向性結合器により分岐し、一方の信号をそのまま上記ミキサに入力するとともに分岐した他方の信号は上記遅延回路を介して上記ミキサに入力する構成を備えて、上記周波数変換器から入力される信号をＦＭ−ＡＭ変換して上記誤差信号として出力するものであり、
上記２次基準複数出力光安定化手段は、上記複数の第２マスターレーザの出力光を合波する第１のＡＷＧ波長合分波器と、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力光を周波数変調または位相変調して上記２次周波数基準の中心周波数近傍で微小変調させて上記２次周波数基準に出力する外部変調器と、上記外部変調器から出力されて上記２次周波数基準を透過した光を分波する第２のＡＷＧ波長合分波器と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器で分波された光をそれぞれ受光する複数の受光器と、上記複数の受光器の出力する信号をそれぞれ上記外部変調器を駆動する信号を基準に同期検波する同期検波手段と、同期検波された各信号をそれぞれ対応する上記第２マスターレーザにフィードバックする複数の第２のフィードバック回路とを備えることを特徴とする周波数安定化半導体レーザ装置。 - 第１マスターレーザと、複数の第２マスターレーザと、複数のスレーブレーザと、上記複数の第２マスターレーザからの出力光を合波する第１のＡＷＧ波長合分波器と、第１のＡＷＧ波長合分波器の出力を入力し２次周波数基準を構成する第２のＡＷＧ波長合分波器と、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力を入力する第３のＡＷＧ波長合分波器と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器の透過周波数を第１マスターレーザの発振周波数に安定化する合分波器安定化手段と、上記第２のＡＷＧ波長合分波器の複数の透過周波数に基づき上記各第２マスターレーザの出力光の発振周波数を安定化させる第２の２次基準複数出力光安定化手段と、上記第３のＡＷＧ波長合分波器から出力される複数の出力光と対応するスレーブレーザからの出力光とをそれぞれ合波する複数の光合波手段と、各光合波手段からビート信号に基づき対応するスレーブレーザの発振周波数を対応する第２マスターレーザの発振周波数に追従制御する複数の追従制御手段とを備え、
上記各追従制御手段は、それぞれ、オフセット周波数信号を出力する基準発振器と、基準発振器からの信号と上記ビート信号とを入力する周波数変換器と、周波数変換器の出力を入力する周波数弁別器と、周波数弁別器が出力する誤差信号をスレーブレーザにフィードバックする第１のフィードバック回路とを備え、上記周波数弁別器が、ミキサと遅延回路と方向性結合器からなり、入力した信号を上記方向性結合器により分岐し、一方の信号をそのまま上記ミキサに入力するとともに分岐した他方の信号は上記遅延回路を介して上記ミキサに入力する構成を備えて、上記周波数変換器から入力される信号をＦＭ−ＡＭ変換して上記誤差信号として出力するものであり、
上記第２の２次基準複数出力光安定化手段は、上記第１のＡＷＧ波長合分波器の出力光を周波数変調または位相変調して上記２次周波数基準の中心周波数近傍で微小変調させて上記２次周波数基準に出力する外部変調器と、上記外部変調器から出力されて上記第２のＡＷＧ波長合分波器で分波された光をそれぞれ受光する複数の受光器と、上記複数の受光器の出力する信号をそれぞれ上記外部変調器を駆動する信号を基準に同期検波する複数の同期検波手段と、同期検波された各信号をそれぞれ対応する上記第２マスターレーザにフィードバックする複数の第２のフィードバック回路とを備えることを特徴とする周波数安定化半導体レーザ装置。
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