JP5171385B2

JP5171385B2 - レーザ波長安定化装置

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Publication number: JP5171385B2
Application number: JP2008129928A
Authority: JP
Inventors: 勝治今城; 俊平亀山; 恭久玉川; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: JP2009278006A

Description

この発明は、レーザ波長安定化装置、特に半導体レーザ波長の安定化に関する。

半導体レーザ波長を安定化させる技術は、エタロンやガス封入セルなどの波長弁別素子を用いて、半導体レーザの注入電流や温度を制御する方法が広く知られており、具体的な一例としては、半導体レーザの発振周波数を基準光吸収セルの光吸収線の最大光吸収周波数に、高い精度で一致させる周波数安定化光源であって、ドライバは半導体レーザに電流を供給し、発振器は半導体レーザの出射光に周波数変調を重畳させるためにドライバの出力電流に電流変調を加え、光分岐器で周波数変調された半導体レーザの出射光を分岐し、基準光吸収セルは第１の分岐光を入力して特定の周波数の光を吸収し、受光器は基準光吸収セルの透過光を入力して電気信号に変換し、受光器は第２の分岐光を入力として電気信号に変換し、増幅器は受光器の出力を増幅し、受光器の出力に含まれる光強度変調成分の強度と、受光器の出力に含まれる光強度変調成分の強度を一致する振幅にし、演算器は受光器と増幅器の出力を入力して演算し、制御回路に演算器の出力を入力し、半導体レーザの発振周波数が基準光吸収セルの光吸収周波数に常に一致するように、発振器の信号に同期してドライバを制御するものがあった(下記特許文献１参照)。

特開平８−９７５１５号公報

しかしながら、従来のこの種の装置では、駆動ドライバにより半導体レーザに直接変調を加えているため、レーザ光出力にも変調信号が光の周波数変調として残ってしまい、この変調信号が周波数制御言い換えれば波長制御の精度を制限してしまうという課題があった。

この発明は、変調周波数に依存しない安定したレーザ波長を供給するレーザ波長安定化装置を提供することを目的とする。

この発明は、レーザ光を発生する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子からのレーザ光を出力側と波長制御側に分岐する光分岐部と、前記波長制御側のレーザ光に所望変調周波数の位相変調を与えてベースバンド両側に前記変調周波数に従ったサイドバンドを発生させ、前記出力側からの出力レーザ光の所望波長の帯域の光を吸収する波長吸収特性の波長吸収を与えて前記ベースバンド及びサイドバンドの振幅に前記所望波長からのずれに従った変化を与え、ベースバンド両側の前記サイドバンドの振幅の大小関係およびその差を示す波長制御信号を発生する波長誤差検出手段と、前記波長制御信号に従って前記サイドバンドの振幅の差を小さくする帰還信号を発生するフィードバック回路と、前記帰還信号に基づき前記半導体レーザ素子を駆動制御するドライバと、を備え、前記波長誤差検出手段が、前記位相変調の周期を示す前記所望変調周波数を発生する信号発生器と、前記信号発生器の変調周波数に従って前記波長制御側のレーザ光に位相変調を与え前記位相変調の変調周波数に従ってベースバンド両側にサイドバンドを発生させる位相変調器と、前記位相変調器で位相変調されたレーザ光を入力させて前記出力レーザ光の前記所望波長の帯域の光を吸収する前記波長吸収特性の波長吸収を行うガス封入セルと、前記ガス封入セルを透過したレーザ光を電気信号に変換する光検出器と、前記光検出器で変換された電気信号のサイドバンド成分の信号を透過するフィルタと、前記信号発生器の変調信号と前記フィルタを透過した電気信号をミキシングしダウンコンバートしてサイドバンド成分の振幅を取り出し、ベースバンド両側の前記サイドバンドの振幅の大小関係およびその差を示す前記波長制御信号を生成するミキサと、を含むことを特徴とするレーザ波長安定化装置にある。

この発明では、レーザ光を出力側と波長制御側に分岐する光分岐部を設け、波長制御側にレーザ波長に位相変調を与える位相変調器を設けることによって、注入電流の直接変調成分の制限がなく、連続的に安定したレーザ波長を供給することが可能となる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるレーザ波長安定化装置の構成図である。図１においてレーザ波長安定化装置は、半導体レーザ素子１と、ドライバ１１と、光カプラ１２と、位相変調器１３と、信号発生器９と、ガス封入セル４と、光検出器５と、フィルタ６と、アンプ７と、ミキサ８と、フィードバック回路１０によって構成される。３は出力レーザ光を示す。

半導体レーザ素子１はレーザ光を発光させ、ドライバ１１は所望の波長(周波数)及び出力のレーザ光を発光するように半導体レーザ素子１を駆動させるための温度制御と電流制御を行い、光カプラ１２はレーザ光を出力側(出力レーザ光３)と波長制御側に分岐する。位相変調器１３はレーザ光の位相に変調を加え、信号発生器９は位相変調器１３に入力する変調信号、例えば正弦波を発生する。変調信号は位相変調器１３での位相変調の繰り返し周期を示す変調周波数を示す。

ガス封入セル４は制御する波長帯域の光を吸収する波長吸収特性、すなわち出力レーザ光３の所望波長の帯域の光を吸収する波長吸収特性をもつガスを封入しており、例えば二酸化炭素が封入されており、１５３２．９ｎｍ付近に吸収線(吸収の最大ピーク)を持つ。

光検出器５は受信した光を電気信号に変換し、フィルタ６は特定の周波数の電気信号を透過する。また、アンプ７は電気信号を増幅し、ミキサ８は電気信号と信号発生器９の変調信号を合波し、変調周波数成分の振幅を得る。

フィードバック回路１０はミキサ８の出力を適当な値に規格化し、半導体レーザ素子１を駆動するドライバ１１への帰還信号を発生する。

ここで、半導体レーザ素子１と光カプラ１２と位相変調器１３とガス封入セル４と光検出器５は光ファイバケーブルのような光導波路(太線で示す)で接続されており、その他はＳＭＡやＢＮＣケーブルのような電気信号ケーブルで接続されている。

なお、光カプラ１２は光分岐部を構成し、ガス封入セル４と光検出器５とフィルタ６とアンプ７とミキサ８と信号発生器９と位相変調器１３は波長誤差検出手段を構成する。

図２にはこの発明によるレーザ波長安定化装置の各部での光周波数に対する各種特性の一例を示し、(ａ)はガス封入セル４での波長吸収特性(吸収強度特性)、(ｂ)はガス封入セル４の出力での、レーザ光の基本波長(基本周波数＝ベースバンド)がガス封入セル４での波長吸収特性のピーク位置からずれた時のベースバンド両側に発生するサイドバンドの変化、(ｃ)はミキサ８の出力である誤差信号(波長制御信号)の周波数特性を示す。

次に、図１のレーザ波長安定化装置の動作を説明する。ドライバ１１は半導体レーザ素子１が所望波長及び出力のレーザ光を発生するように温度制御と電流制御を行うように電圧値と電流値を出力し、半導体レーザ素子１はその電圧値と電流値の信号に対応した波長と出力でレーザ発振を行う。そして、半導体レーザ素子１の発生するレーザ光は、図２の(ａ)に示すガス封入セル４のガスの吸収線に同調し、吸収強度が最大となるようにドライバ１１で半導体レーザ素子１の注入電流やヒータによる温度の制御を行う。発振したレーザ光は光カプラ１２で出力側と波長制御側に分岐し、出力側から出力レーザ光３を取り出す。

波長制御側のレーザ光には、位相変調器１３で信号発生器９からの変調信号の周波数(位相変調のくり返し周波数)に従って位相変調が加えられる。このときレーザ光には図２の(ｂ)に示すように、基本周波数(ベースバンド)の両側に変調周波数分シフトした周波数に逆相(振幅の大きさが逆)のサイドバンドが発生する。

このレーザ光をガス封入セル４に透過すると、ガスの波長吸収を受けて強度が変化し、図２の(ａ)(ｂ)に示すように吸収線強度のピーク位置と波長(周波数)が合っている場合、ベースバンド両側のサイドバンドの光振幅は逆相で同じ大きさとなるが、吸収線強度のピーク位置と波長がずれた場合、サイドバンドの光振幅には差が生じる。

この強度変化を受けた光を、光検出器５によって光信号を電気信号に変換する。電気信号を受けたフィルタ６はサイドバンド付近の成分の信号を透過し、透過した信号はアンプ７によって所定の値まで増幅される。

さらに、ミキサ８によってサイドバンドの電気信号と信号発生器９の変調信号をミキシングし、ダウンコンバートすることによってサイドバンド成分の振幅を得る。このミキサ８の出力すなわち誤差信号は、図２の(ｃ)のような誤差信号特性を有し、振幅の正負がベースバンド両側のサイドバンドの振幅の大小関係(所望波長からの波長のずれ方向)を示し、振幅の絶対値がその差の大きさ(波長ずれの大きさ)を示す。

フィードバック回路１０はミキサ８から得られた誤差信号に基づき、半導体レーザ素子１が発生するレーザ光、ひいては出力側からの出力レーザ光３の所望波長からのずれをなくすために、ベースバンド両側のサイドバンドの振幅の差を小さくするための(誤差信号の絶対値が小さくなるように)帰還信号をドライバ１１送る。ドライバ１１は帰還信号に基づき、レーザ光の所望波長からのずれをなくすように半導体レーザ素子１への電流値及び電圧値与えて半導体レーザ素子１の電流制御又は温度制御を行う。

一例として、レーザ光の波長が制御したい所望波長に比べて大きくなり、誤差信号が正の値をとった場合、フィードバック回路１０は、この値を基に所定の利得をかけた帰還信号を半導体レーザ素子１を駆動しているドライバ１１に出力し、ドライバ１１は帰還信号に従って、半導体レーザ素子１への電流信号の電流値を減少させ、レーザ光の波長を小さくするような制御を行う。レーザ光の波長が制御したい所望波長と同じ場合、誤差信号はゼロとなり、フィードバック回路１０は半導体レーザ素子１を駆動しているドライバ１１の電流信号を保持するような帰還信号をドライバ１１に出力する。

ここで、信号発生器９の変調周波数は、レーザ光の波長の所望波長からのずれに対して誤差信号が大きくなる値に設定され、一例としては、ガス封入セル４において波長吸収ガスとして波長１５３２．９ｎｍ付近に吸収線(吸収ピーク)がある二酸化炭素を使用した場合、変調周波数は数百ＭＨｚから数ＧＨｚである。

以上のように実施の形態１のレーザ波長安定化装置においては、レーザ光を出射側と波長制御側に分岐する光カプラを設け、波長制御側にレーザ波長に位相変調を与える位相変調器を設けることによって、レーザ光の出力側に注入電流の直接変調成分の制限がなく、連続的に安定したレーザ波長が供給することができる。

また、実施の形態１におけるレーザ波長安定化装置おいて、フィードバック回路１０において、誤差信号をゼロに合わせるような帰還信号を出力して制御するならば、レーザ光波長と吸収線のピーク位置が等しくなり、誤差信号をゼロからずれた値に合わせるように帰還信号を出力して制御するならば、レーザ光の波長は吸収線のエッジ部分に設定される等、安定化させるレーザ光の波長を調整することができる。

実施の形態２．
実施の形態１で使用する位相変調器１３は理想的な動作では、レーザ光の位相に変調を加える装置であるが、実際には構造上の問題から、位相変調器１３と光導波路を構成している光ファイバケーブルとの結合部分等で共振が生じ、エタロン効果が発生する。この効果は波長に対する強度変化となるため、位相変調器の透過率が変化し、元々想定していたガス封入セルでのガスの吸収以外の強度変化が生じることにより、レーザ波長安定化装置において制御誤差を生む。これを改善したレーザ波長安定化装置を実施の形態２で示す。

図３はこの発明の実施の形態２によるレーザ波長安定化装置の構成図である。図３において上記実施の形態で示したものと同一もしくは相当部分は同一もしくは相当符号で示し、詳細な説明は一部省略する。図３では、位相変調器１３の後段に位相変調を加えたレーザ光を分岐する光カプラ１４を設けた。分岐した一方には、ガス封入セル４を介して第１の光検出器５Ａ、第１のフィルタ６Ａ、第１のアンプ７Ａ及び第１のミキサ８Ａ(図１の５，６，７，８と同じ)からなる組を設け、分岐した他方には光カプラ１４から直接、第２の光検出器５Ｂ、第２のフィルタ６Ｂ、第２のアンプ７Ｂ及び第２のミキサ８Ｂからなる組を設けた。またさらに、ミキサ８Ａと８Ｂの出力の差分を求めてフィードバック回路１０に出力する差分器１７を設けた。なお、光カプラ１４と光検出器５Ｂとの間には、ガスが入ってないセルを設けてもよい。

光カプラ１４は、位相変調を加えられたレーザ光を分岐する。光検出器５Ａ、５Ｂは、受信した光を電気信号に変換し、フィルタ６Ａ、６Ｂは得られた電気信号のサイドバンド(変調周波数)付近の成分の信号を透過する。アンプ７Ａ、７Ｂはフィルタ６Ａ、６Ｂを透過した電気信号を所定の値まで増幅し、ミキサ８Ａ、８Ｂは電気信号と信号発生器９の変調信号を合波し、サイドバンド成分(変調周波数成分)の振幅を得る。

ミキサ８Ａ、８Ｂからの出力は、ガスの吸収と位相変調器１３のエタロン効果を含んだ誤差信号１５と、ガスの吸収を含まないエタロン効果を含んだ参照信号１６である。

差分器１７は、誤差信号１５と参照信号１６を規格化した後に差分をとり、エタロン効果を補正した補正誤差信号を得る。フィードバック回路１０は補正誤差信号に適当な利得を掛け、半導体レーザ素子１を駆動するドライバ１１への帰還信号を発生する。

なお、光カプラ１４は第２の光分岐部を構成し、ガス封入セル４と光検出器５Ａ，５Ｂとフィルタ６Ａ，６Ｂとアンプ７Ａ，７Ｂとミキサ８Ａ，８Ｂと信号発生器９と位相変調器１３、光カプラ１４、差分器１７は波長誤差検出手段を構成する。ガス封入セル４と光検出器５Ａとフィルタ６Ａとアンプ７Ａとミキサ８Ａが誤差信号生成部を構成し、光検出器５Ｂとフィルタ６Ｂとアンプ７Ｂとミキサ８Ｂが参照信号生成部を構成する。また、半導体レーザ素子１、光分岐部１２、位相変調器１３、第２の光分岐部１４、ガス封入セル４、光検出器５Ａ，５Ｂの間でレーザ光を伝送する光ファイバケーブルが光導波路を構成する。また、差分器１７が出力する補正誤差信号が波長制御信号を構成する。

次に、図３のレーザ波長安定化装置の動作を説明する。実施の形態１と同様に、ドライバ１１は半導体レーザ素子１が所望波長及び出力のレーザ光を発生するように温度制御と電流制御を行うように電圧値と電流値を出力し、半導体レーザ素子１はその電圧値と電流値の信号に対応した波長と出力でレーザ発振を行う。発振したレーザ光は光カプラ１２で出力側と波長制御側に分岐し、出力側から出力レーザ光３を取り出す。

波長制御側のレーザ光には、位相変調器１３で信号発生器９からの変調信号の周波数に従って位相変調が加えられ、ベースバンドに対して変調周波数分シフトした周波数に逆相のサイドバンドが発生する。さらに光カプラ１４でガスによる吸収を含む誤差光伝送路とガスによる吸収を含まない参照光伝送路に分岐する。

誤差光伝送路ではレーザ光がガス封入セル４を透過し、位相変調器１３によるエタロン効果とガス封入セル４でのガスによる吸収を受けて強度が変化する。一方、参照光伝送路では位相変調器１３によるガス封入セル４でのガスによる吸収を含まないエタロン効果でレーザ光の強度が変化する。より正確には、誤差光伝送路ではレーザ光がガス封入セル４を透過し、位相変調器１３によるエタロン効果とガス封入セル４でのガスによる吸収を含む影響を受けて強度が変化し、参照光伝送路ではガス封入セル４でのガスによる吸収を含まない位相変調器１３によるエタロン効果を含む影響を受けてレーザ光の強度が変化する。

そしてガスによる吸収のある誤差光伝送路と、ガスの吸収のない参照光伝送路のレーザ光はそれぞれ光検出器５Ａ、５Ｂで電気信号に変換され、フィルタ６Ａ、６Ｂでサイドバンド付近の信号が透過され、アンプ７Ａ、７Ｂで所定の値まで増幅される。さらに、ミキサ８Ａ、８Ｂによってサイドバンドの電気信号と信号発生器９の変調信号をミキシングし、ダウンコンバートすることによってサイドバンド成分の振幅を取得し、ガスの吸収とエタロン効果を含んだ誤差信号１５とガスの吸収を含まないエタロン効果を含んだ参照信号１６を得る。

位相変調器１３のエタロン効果による強度変調効果を受けた場合の誤差信号の光周波数(光波長)に対する特性を図４に示す。図４は光周波数に対する誤差信号を示し、実線がガス封入セル４におけるガスによる吸収を受けた誤差信号、破線がガスによる吸収以外の影響を含んだ誤差信号で、例えば位相変調器１３によるエタロン効果を含んだ誤差信号である。

このエタロン効果は波長や温度によって変化するため、サイドバンドの振幅が変化し、誤差信号が変化する。従って実施の形態１では、フィードバック回路１０が入力する誤差信号にその変化が含まれるため、レーザ光の波長安定度がその分、低下してしまうことがある。

そこで、前記エタロン効果を含んだ誤差信号１５の補正を行うため、ガスによる吸収を受けない参照光伝送路でエタロン効果の強度変化を測定して参照信号１６を同時に受信し、ミキシング時の位相差による出力比を補正するため差分器１７で適当な利得を掛けられた後、誤差信号１５から参照信号１６を差し引き、補正誤差信号を出力する。

図５の(ａ)に誤差信号１５と参照信号１６、(ｂ)に補正誤差信号の例を示す。(ａ)は時間に対する誤差信号１５と参照信号１６、(ｂ)は差分器１７によってそれらの信号の差分を求めた補正誤差信号である。このように、ガス封入セル４でのガスによる吸収を含まないエタロン効果の参照信号１６を、ガスによる吸収とエタロン効果を含んだ誤差信号１５から差し引くことにより、ガスによる吸収の補正がされた補正誤差信号を得る。

フィードバック回路１０は実施の形態１と同様に、差分器１７から得られた補正誤差信号に基づき、半導体レーザ素子１が発生するレーザ光、ひいては出力側からの出力レーザ光３の所望波長からのずれをなくすために、ベースバンド両側のサイドバンドの振幅の差を小さくするための(補正誤差信号の絶対値が小さくなるように)帰還信号をドライバ１１送る。ドライバ１１は帰還信号に基づき、レーザ光の所望波長からのずれをなくすように半導体レーザ素子１への電流値及び電圧値を与えて半導体レーザ素子１の電流制御又は温度制御を行う。

以上のように実施の形態２のレーザ波長安定化装置においては、位相変調器１３にエタロン効果が存在した場合、ガスによる吸収を含まないエタロン効果の参照信号１６とガスの吸収とエタロン効果を含んだ誤差信号１５を取得し、差分器１７によって補正した補正誤差信号得ることによって、位相変調器１３のエタロン効果、さらには位相変調器１３のエタロン効果以外の強度変化をもつ光学部品が存在しても、エタロン効果を除去して、連続的に安定したレーザ波長を供給することができる。

実施の形態３．
実施の形態２におけるレーザ波長安定化装置では、光カプラ１４は理想的な動作として光分岐比が一定値であるとしているが、実際には温度特性や波長特性を持つ場合が多い。この影響は、差分器１７によって誤差信号１５と参照信号１６の規格化係数が変化することにより、レーザ波長安定化装置において、制御誤差の要因となる得る。そこでこれを解消するためのレーザ波長安定化装置を実施の形態３で示す。

図６はこの発明の実施の形態３によるレーザ波長安定化装置の構成図である。図６において上記実施の形態２で示したものと同一もしくは相当部分は同一符号で示し、詳細な説明は一部省略する。図６では、フィルタ６Ａとアンプ７Ａとミキサ８Ａからなる回路に並列にフィルタ１８Ａとアンプ１９Ａからなる回路が設けられ、フィルタ６Ｂとアンプ７Ｂとミキサ８Ｂからなる回路に並列にフィルタ１８Ｂとアンプ１９Ｂからなる回路が設けられ、ミキサ８Ａの誤差信号１５とアンプ１９Ａの誤差強度信号２０は除算器２２Ａで除算され、ミキサ８Ｂの参照信号１６とアンプ１９Ｂの参照強度信号２１は除算器２２Ｂで除算される。

フィルタ１８Ａ、１８Ｂは直流成分の信号のみを透過し、アンプ１９Ａ、１９Ｂはフィルタ１８Ａ、１８Ｂを透過した電気信号を所定の値まで増幅する。アンプ１９Ａ、１９Ｂの信号はガスによる吸収のある誤差光伝送路の誤差強度信号２０と、ガスの吸収のない参照光伝送路の参照強度信号２１である。

除算器２２Ａと２２Ｂはそれぞれ誤差信号１５と誤差強度信号２０の比、参照信号１６と参照強度信号２１の比を取得する。さらに差分器１７は、２つの比の差分をとり、ガスによりる吸収以外の影響を補正した誤差信号を得る。

なお、フィルタ１８Ａとアンプ１９Ａと除算器２２Ａは誤差信号生成部に含まれ、フィルタ１８Ｂとアンプ１９Ｂと除算器２２Ｂは参照信号生成部に含まれる。

次に、図６のレーザ波長安定化装置の動作を説明する。実施の形態２と同様に、ドライバ１１は半導体レーザ素子１が所望波長及び出力のレーザ光を発生するように温度制御と電流制御を行うように電圧値と電流値を出力し、半導体レーザ素子１はその電圧値と電流値の信号に対応した波長と出力でレーザ発振を行う。発振したレーザ光は光カプラ１２で出力側と波長制御側に分岐し、出力側から出力レーザ光３を取り出す。

波長制御側のレーザ光には、位相変調器１３で信号発生器９からの変調信号の周波数に伴う位相変調が加えられ、基本(中心)周波数すなわちベースバンドに対して変調周波数分シフトした周波数に逆相のサイドバンドが発生する。さらに光カプラ１４でガスによる吸収を含む誤差光伝送路とガスによる吸収を含まない参照光伝送路に分岐する。

誤差光伝送路ではレーザ光がガス封入セル４を透過し、位相変調器１３によるエタロン効果とガス封入セル４でのガスによる吸収を受けて強度が変化する。一方、参照光伝送路ではガスによる吸収を含まず、位相変調器１３によるエタロン効果で強度が変化する。

そしてそれぞれ、光検出器５Ａ、５Ｂによって受信した光を電気信号に変換し、フィルタ６Ａ、６Ｂでサイドバンド付近の信号を透過し、アンプ７Ａ、７Ｂで所定の値まで増幅される。さらに、ミキサ８Ａ、８Ｂによってサイドバンドの電気信号と信号発生器９の変調信号をミキシングし、ダウンコンバートすることによってサイドバンドの振幅を取得し、ガスの吸収とエタロン効果を含んだ誤差信号１５とガスの吸収を含まないエタロン効果の参照信号１６を得る。

一方、光検出器５Ａ、５Ｂの電気信号出力は分岐され、フィルタ１８Ａ、１８Ｂでベースバンドの信号を透過し、アンプ１９Ａ、１９Ｂで所定の値まで増幅され、光カプラ１４を分岐してきた誤差強度信号２０と参照強度信号２１を得る。

光カプラ１４の光分岐比は、温度や波長に対して変化するため、差分器１７において一定値で規格化することはあまり好ましくない。そこで、除算器２２Ａ、２２Ｂによって誤差信号１５と誤差強度信号２０の比、参照信号１６と参照強度信号２１の比をとり、正確に分岐比を取得する。具体的には、光カプラ１４における誤差光伝送路の光分岐比が大きい場合、誤差信号１５と誤差強度信号２０の双方が大きくなり、同様に、参照信号１６と参照強度信号２１の双方が小さくなり、除算器２２Ａ、２２Ｂで光分岐比を補正することができる。

除算器２２Ａ、２２Ｂによって分岐比で規格化された信号は、ミキシング時の位相差による出力比を補正するため差分器１７で適当な利得を掛けられた後、ガスの吸収以外の強度変化を差分し、波長制御信号である補正誤差信号を出力する。

フィードバック回路１０は、差分器１７から得られた補正誤差信号に基づき、半導体レーザ素子１が発生するレーザ光、ひいては出力側からの出力レーザ光３の所望波長からのずれをなくすために、ベースバンド両側のサイドバンドの振幅の差を小さくするための(補正誤差信号の絶対値が小さくなるように)帰還信号をドライバ１１送る。ドライバ１１は帰還信号に基づき、レーザ光の所望波長からのずれをなくすように半導体レーザ素子１への電流値及び電圧値与えて半導体レーザ素子１の電流制御又は温度制御を行う。

一例として、レーザ光の波長が制御したい所望波長に比べて大きくなり、誤差信号が正の値をとった場合、フィードバック回路１０は、この値を基に特定の利得をかけ、帰還信号を半導体レーザ素子１を駆動しているドライバ１１に出力し、ドライバ１１は帰還信号に従って、半導体レーザ素子１への電流信号の電流値を減少させ、レーザ光の波長を小さくするような制御を行う。レーザ光の波長が制御したい所望波長と同じ場合、誤差信号はゼロとなり、フィードバック回路１０は半導体レーザ素子１を駆動しているドライバ１１の電流信号を保持するような帰還信号をドライバ１１に出力する

以上のように実施の形態３のレーザ波長安定化装置においては、光カプラ１４の光分岐比が時間的に変動しても、ガスの吸収の誤差信号を正確に取得することができ、連続的に安定したレーザ波長を供給する効果が得られる。

この発明の実施の形態１によるレーザ波長安定化装置の構成図である。この発明によるレーザ波長安定化装置の各部での光周波数に対する各種特性図である。この発明の実施の形態２によるレーザ波長安定化装置の構成図である。この発明の実施の形態２における位相変調器のエタロン効果による強度変調効果を受けた場合の誤差信号の特性を示す図である。この発明の実施の形態２における誤差信号、参照信号、補正誤差信号の例を示す図である。この発明の実施の形態３によるレーザ波長安定化装置の構成図である。

符号の説明

１半導体レーザ素子、３出力レーザ光、４ガス封入セル、５光検出器、５Ａ，５Ｂ光検出器、６，６Ａ，６Ｂフィルタ、７，７Ａ，７Ｂアンプ、８，８Ａ，８Ｂミキサ、９信号発生器、１０フィードバック回路、１１ドライバ、１２光カプラ(第１の光分岐部)、１３位相変調器、１４光カプラ(第２の光分岐部)、１５誤差信号、１６参照信号、１７差分器、１８Ａ，１８Ｂフィルタ、１９Ａ，１９Ｂアンプ、２０誤差強度信号、２１参照強度信号、２２Ａ，２２Ｂ除算器。

Claims

レーザ光を発生する半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子からのレーザ光を出力側と波長制御側に分岐する光分岐部と、
前記波長制御側のレーザ光に所望変調周波数の位相変調を与えてベースバンド両側に前記変調周波数に従ったサイドバンドを発生させ、前記出力側からの出力レーザ光の所望波長の帯域の光を吸収する波長吸収特性の波長吸収を与えて前記ベースバンド及びサイドバンドの振幅に前記所望波長からのずれに従った変化を与え、ベースバンド両側の前記サイドバンドの振幅の大小関係およびその差を示す波長制御信号を発生する波長誤差検出手段と、
前記波長制御信号に従って前記サイドバンドの振幅の差を小さくする帰還信号を発生するフィードバック回路と、
前記帰還信号に基づき前記半導体レーザ素子を駆動制御するドライバと、
を備え、
前記波長誤差検出手段が、
前記位相変調の周期を示す前記所望変調周波数を発生する信号発生器と、
前記信号発生器の変調周波数に従って前記波長制御側のレーザ光に位相変調を与え前記位相変調の変調周波数に従ってベースバンド両側にサイドバンドを発生させる位相変調器と、
前記位相変調器で位相変調されたレーザ光を入力させて前記出力レーザ光の前記所望波長の帯域の光を吸収する前記波長吸収特性の波長吸収を行うガス封入セルと、
前記ガス封入セルを透過したレーザ光を電気信号に変換する光検出器と、
前記光検出器で変換された電気信号のサイドバンド成分の信号を透過するフィルタと、
前記信号発生器の変調信号と前記フィルタを透過した電気信号をミキシングしダウンコンバートしてサイドバンド成分の振幅を取り出し、ベースバンド両側の前記サイドバンドの振幅の大小関係およびその差を示す前記波長制御信号を生成するミキサと、
を含む
ことを特徴とするレーザ波長安定化装置。