JP6604580B2

JP6604580B2 - 周波数安定化レーザ

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Publication number: JP6604580B2
Application number: JP2016165963A
Authority: JP
Inventors: 啓之石井; 直樹藤原; 正隆中沢; 恵介葛西
Original assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2036-08-26
Also published as: JP2018032822A

Description

本発明は周波数安定化レーザに関し、より詳細には強度雑音の小さい無変調出力型周波数安定化レーザに関する。

周波数安定化レーザは光通信、光度量衡及び高精度光干渉計測といった分野において重要な役割を果たす。これまで様々な波長帯において、ファブリペロー共振器の共鳴線や、原子、分子の線形または飽和吸収スペクトルを光周波数基準として用いた周波数安定化光源が開発されている（非特許文献１及び２参照）。

出力レーザ光の周波数を共振器の共鳴線や吸収スペクトルのピークに安定化する手法としては、位相敏感検波によって出力レーザ光の周波数の光周波数基準からのずれ量とその方向を示す誤差電圧信号を検出し、この誤差電圧を、レーザ周波数調整機構に負帰還する方式が一般的である。このような検波回路は、位相変調したレーザ光を光周波数基準となる共鳴線を通すことで強度変調信号に変換し、同期検波を行うことにより、誤差電圧信号を得ることができる。レーザの周波数安定度は誤差電圧信号のＳＮ比に依存する。高い周波数安定度を実現するためにはＳＮ比の高い誤差電圧信号を出力する必要があり、そのためには変調度の高い位相変調が不可欠となる。

出力レーザ光の位相変調を行う手法としては、これまでレーザ共振器を直接変調する直接変調方式と、レーザ共振器外部で光変調器を用いて位相変調を加える外部変調方式が提案されている。

直接変調方式は、変調度の高い位相変調を容易に実現でき、その結果、ＳＮ比の高い電圧誤差信号を得られるメリットがある。しかしながら、出力レーザ光には位相変調成分が重畳されるため、直接変調する方式による出力レーザ光の信号を光通信や干渉計測等の分野へ応用するには大きな障害となる。

一方、外部変調方式では、得られる出力レーザ光は無変調であり、出力レーザ光を様々な分野へ応用するうえで大きなメリットとなる。しかしながらレーザ共振器外部に余分に光位相変調器が必要となり、レーザの構成がやや大型化してしまう。また直接変調方式と比べて、変調度の高い位相変調を実現することは容易ではない。

以下に、直接変調方式または外部変調方式を用いた周波数安定化レーザの具体例として、波長１．５μｍ帯アセチレン周波数安定化レーザの構成を示す。

図１は、従来の直接変調方式の周波数安定化レーザの構成を示す図である（非特許文献３参照）。図１の周波数安定化レーザ１００は、光源であるＤＦＢ半導体レーザ１０１と、ＤＦＢ半導体レーザ１０１からの出力レーザ光を透過するレンズ１０３と、レンズ１０３を透過したレーザ光が入射する光ファイバ１０５とを備える。また、周波数安定化レーザ１００は、ＤＦＢ半導体レーザ１０１からのレーザ光が透過するレンズ１０４と、レンズ１０４を透過したレーザ光の周波数を弁別するガスセル１０６と、ガスセル１０６を透過した光の強度を検出する光検出器１０７とを備える。また、周波数安定化レーザ１００は、ＤＦＢ半導体レーザ１０１を駆動する電流源１０２と、電流源１０２を変調する変調信号発生器１０９とを備える。また、周波数安定化レーザ１００は、光検出器１０７の出力信号と及び変調信号発生器１０９からの信号を受信するロックインアンプ１０８と、ロックインアンプ１０８からの信号を調整する負帰還回路１１０と、変調信号発生器からの信号と負帰還回路からの信号を加算して電流源１０２に出力する加算回路１１１とを備える。ガスセル１０６は、アセチレンガスが封入されたガラス製のガスセルであり、アセチレン分子の線形吸収線を光周波数基準として用いている。

図１の周波数安定化レーザ１００は、変調信号発生器１０９からの変調信号によりＤＦＢ半導体レーザ１０１の注入電流を変調して出力レーザ光に位相変調を与え、ロックインアンプ１０８において光検出器１０７からの電圧信号と変調信号発生器１０９とを同期検波する。ロックインアンプ１０８からは、ＤＦＢ半導体レーザ１０２からの出力レーザ光の周波数のアセチレン分子吸収線の吸収ピーク周波数からのずれ量とその方向が誤差電圧信号としてされる。ロックインアンプ１０８からの誤差電圧信号を電流源１０２に負帰還することにより、レーザ周波数を吸収線へ安定化している。

周波数安定化レーザ１００は、電流源１０２からＤＦＢ半導体レーザへの注入電流を変調しているため、出力レーザ光には位相変調成分と強度変調成分とが重畳されており、その結果レーザの線幅が拡がっている。

図２は、従来の外部変調方式の周波数安定化レーザの構成を示す図である（非特許文献４参照）。図２の周波数安定化レーザ２００は、光源であるファイバレーザ２１２と、ファイバレーザ２１２からの出力レーザ光が入射される光ファイバ型分岐回路２１３と、光ファイバ型分岐回路２１３からの一部のレーザ光を受光する光ファイバ結合型ＬＮ光位相変調器２１４とを備える。また、周波数安定化レーザ２００は、光ファイバ結合型ＬＮ光位相変調器２１４からのレーザ光が透過するレンズ２１５と、レンズ２１５を透過したレーザ光の周波数を弁別するガスセル２１７と、ガスセル２１７を透過した光の強度を検出する光検出器２１８とを備える。また、周波数安定化レーザ２００は、ファイバレーザ２１２を変調する変調信号発生器２２１と、光検出器２１８の出力信号及び変調信号発生器２２１からの信号を受信するダブルバランスドミキサ２１９と、ダブルバランスドミキサ２１９からの信号を調整してファイバレーザ２１２に印加する負帰還回路２２０とを備える。ガスセル２１７は、アセチレンガスが封入されたガラス製のガスセルであり、アセチレン分子の線形吸収線を光周波数基準として用いている。

周波数安定化レーザ２００は、ダブルバランスドミキサ２１９の位相敏感検波によって得られた、光検出器２１８の出力信号と変調信号発生器２２１からの信号との誤差電圧信号を、ファイバレーザ２１２の周波数調整機構に負帰還することでレーザ周波数を安定化している。周波数安定化レーザ２００は、位相変調をファイバレーザ２１２外部に設置した光ファイバ結合型ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）光位相変調器２１４を用いて行うため、無変調なレーザ出力が得られる。しかしながら深い位相変調を実現するために、非特許文献３において用いている変調信号よりも１０００倍大きな変調周波数を採用し、また信号振幅も〜１Ｗと非常に大きなパワーが必要となっている。

A.D.White, "Control system for frequency stabilizing a 6328 Å gas laser," Rev. Sci. Instrum. vol.38, no.8, p.1079, 1967. K.Shimoda, "Absolute frequency stabilization of 3.39 mm laser on a CH4 line," IEEE Trans. on Instrum. and Measure., IM-17, p.343, 1968. S.Sudo, Y.Sakai, H.Yasaka, and T.Ikegami, "Frequency stabilization of 1.55 μm DFB laser diode using vibrational-rotational absorption of 13C2H2 molecules," IEEE Photon. Technol. Lett., vol.1, no.11, pp.392, 1989. 葛西恵介, 吉田真人, 中沢正隆, "アセチレン(13C2H2)分子の吸収線を用いた偏波保持周波数安定化ファイバレーザ," 電子情報通信学会論文誌C Vol. J-88-C, No.9, p.708, 2005.

従来の直接変調方式の周波数安定化レーザは、余分な光位相変調器が不要であり、また容易に深い位相変調が実現できるため大きなパワーの変調信号も必要しない。そのため比較的省スペースで低コスト、且つ消費電力も少ない周波数安定化レーザが実現できる。しかしながら、レーザ出力には位相変調成分や強度変調成分が重畳されるといった問題がある。

一方従来の外部変調方式の周波数安定化レーザは無変調出力であることが大きな特徴である。しかしながら、共振器外部に余分に光位相変調が必要となり、さらには深い位相変調を実現するためには非常に大きなパワーの変調信号を用意する必要がある。そのため、直接変調方式の周波数安定化レーザと比較すると、レーザ構成がやや大型化し、コスト及び消費電力の増大といったデメリットがある。

本発明は上記の問題を解決するためのものであり、強度雑音が小さく、無変調出力が得られる周波数安定化レーザを簡便な構成で実現することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様の周波数安定化レーザは、単一周波数発振し、両劈開面より出力レーザ光を取り出せる半導体レーザと、第１の光導波路を介して前記半導体レーザの一方の劈開面に接続され、前記半導体レーザの前記出力レーザ光の波長に対して光学利得を有さない位相調整領域と光学利得を有する利得領域を光導波路内に有し、前記位相調整領域及び前記利得領域に電流を注入できる半導体光増幅器と、前記半導体レーザの他方の劈開面からの前記出力レーザ光の周波数の、光周波数基準からのずれ量とその方向とを示す誤差電圧信号を検出し、前記誤差電圧信号を、前記半導体レーザに負帰還する周波数安定化回路と、前記半導体レーザに注入する電流を変調し、かつ前記半導体光増幅器の制御に用いる変調信号を発生する変調信号発生器と、を備え、出力が飽和する条件で動作させた前記半導体光増幅器に前記半導体レーザの前記出力レーザ光を入射して光増幅し、前記出力レーザ光に重畳される位相変調成分が相殺されるように、前記変調信号の振幅と位相を調整した後、前記半導体光増幅器の前記位相調整領域に負帰還することを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様の周波数安定化レーザであって、前記周波数安定化回路は、第２の光導波路を介して前記半導体レーザの他方の劈開面に接続された周波数弁別素子と、前記周波数弁別素子を透過した前記出力レーザ光を検出する光検出器と、前記光検出器に接続された同期検波回路と、前記同期検波回路の出力端に接続された負帰還制御回路と、前記負帰還制御回路から出力される電圧信号と前記変調信号とを加算する加算回路と、を備え、前記光検出器からの出力される電気信号と前記変調信号発生器から出力される信号の一部とを用い、前記同期検波回路において同期検波を行うことで前記周波数弁別素子の共鳴周波数を前記光周波数基準として、当該光周波数基準と前記半導体レーザの発振周波数との差を示す前記誤差電圧信号を当該同期検波回路より出力し、前記出力レーザ光の周波数が当該光周波数基準で安定化するように、前記誤差電圧信号の振幅と位相を調整した後、前記加算回路を介して前記半導体レーザの注入電流に負帰還することを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様の周波数安定化レーザであって、前記周波数弁別素子は、特定の波長の光を吸収するガスが封入されたガスセルであり、前記特定の波長の光を吸収するガスの吸収スペクトルを前記光周波数基準として利用することを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第２の態様の周波数安定化レーザであって、前記周波数弁別素子は、光フィルタであり、前記光フィルタの共振スペクトルを前記光周波数基準として利用することを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第２乃至第４のいずれか一つの態様の周波数安定化レーザであって、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は光ファイバであることを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第５の態様の周波数安定化レーザであって、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は偏波保持光ファイバであることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、強度雑音が小さく、無変調出力が得られる周波数安定化レーザを簡便な構成で実現することができる。

従来の直接変調方式の周波数安定化レーザの構成を示す図である。従来の外部変調方式の周波数安定化レーザの構成を示す図である。本発明の第１の実施形態に係る周波数安定化レーザの構成を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る周波数安定化レーザの構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図３は、本発明の第１の実施形態に係る周波数安定化レーザの構成を示す図である。図３の周波数安定化レーザ３００は、光源であるＤＦＢ半導体レーザ３２２と、ＤＦＢ半導体レーザ３２２からの出力レーザ光を伝搬する光導波路３２３と、光導波路３２３からのレーザ光を増幅する半導体光増幅器３２４と、半導体光増幅器３２４からのレーザ光を透過するレンズ３２６と、レンズ３２６を透過したレーザ光が入射する光ファイバ３２８と、を備える。また、周波数安定化レーザ３００は、ＤＦＢ半導体レーザ３２２からのレーザ光が透過するレンズ３２７と、レンズ３２７を透過したレーザ光の周波数を弁別するガスセル３２９と、ガスセル３２９を透過した光の強度を検出する光検出器３３０と、を備える。また、周波数安定化レーザ３００は、ＤＦＢ半導体レーザ３２２を駆動する電流源３２５と、電流源３２５及び半導体光増幅器３２４を変調する変調信号発生器３３１と、変調信号発生器３３１からの信号を調整して半導体光増幅器３２４に出力する負帰還回路３３４と、を備える。また、周波数安定化レーザ３００は、光検出器３３０の出力信号及び変調信号発生器３３１からの信号を受信するダブルバランスドミキサ３３２と、ダブルバランスドミキサ３３２からの信号を調整する負帰還回路３３３と、変調信号発生器３３１からの信号と負帰還回路３３３からの信号を加算して電流源３２５に出力する加算回路３３５と、を備える。

ここで、レンズ３２７と、ガスセル３２９と、光検出器３３０と、ダブルバランスドミキサ３３２と、加算回路３３５とは、出力レーザ光の周波数の、光周波数基準からのずれ量とその方向とを示す誤差電圧信号を検出する位相敏感検波回路を構成する。また、位相敏感検波回路と、負帰還回路３３３とは、周波数安定化回路を構成し、位相敏感検波回路からの前記誤差電圧を、前記半導体レーザに負帰還する。

光源となるＤＦＢ半導体レーザ３２２は、単一周波数発振し、両劈開面よりレーザ光が出力される。ＤＦＢ半導体レーザ３２２は、変調信号発生器３３１からの変調信号が印加された電流源３２５により駆動される。ＤＦＢ半導体レーザ３２２の一方の劈開面から出力されるレーザ光はレンズ３２７を介してガスセル３２９に結合され、ガスセル３２９を透過したレーザ光は光検出器３３０に入射される。光検出器３３０においてガスセル３２９を透過したレーザ光の光強度が検出され、電圧信号に変換される。光検出器３３０からの電圧信号と、変調信号発生器３３１より出力される変調信号の一部とをダブルバランスドミキサ３３２に入力して同期検波を行う。ここで、ＤＦＢ半導体レーザ３２２の一方の劈開面から出力されるレーザ光の周波数がアセチレン分子吸収線のピーク周波数からずれた場合、ずれ量とその方向を示す誤差電圧信号がダブルバランスドミキサ３３２から出力される。この誤差電圧信号が、位相敏感検波によって出力レーザ光の周波数の光周波数基準からのずれ量とその方向を示す誤差電圧信号となる。出力された誤差電圧信号は、負帰還回路３３３を用いて振幅と位相とが適切に調整され、加算回路３３５を介して変調信号発生器３３１の変調信号と加算され、電流源３２５にフィードバックすることでレーザ周波数を吸収線に安定化する。

ガスセル３２９は、周波数弁別素子としてアセチレンガスが封入されたガラス製ガスセルであり、例えば数ｍＴｏｒｒの圧力でアセチレンガスが封入された長さ１０ｃｍ程度のガラス製セルを用いる。この場合、吸収線の線幅はおよそ５００ＭＨｚ程度となる。ここで、５００ＭＨｚ程度の吸収線を用いてＳＮ比の高い（雑音の少ない）誤差電圧信号を得るためには、変調信号発生器３３１において２５０ＭＨｚ程度の変調幅を有する位相変調を行う必要がある。

ＤＦＢ半導体レーザ３２２のもう一方の劈開面から出力される出力レーザ光は、光導波路３２３を介し半導体光増幅器３２４へ入射される。半導体光増幅器３２４は、光学利得を有さない位相調整領域３２４−１と光学利得を有する利得領域３２４−２との２つの領域を有し、利得領域３２４−２に適切な電流を流し飽和光強度まで出力レーザ光を増幅する。半導体光増幅器３２４をリミッティングアンプとして動作させることにより、出力レーザ光に重畳された強度変調成分を抑制する。増幅されたレーザ光はレンズ３２６を介して光ファイバ３２８へ結合され、周波数安定化レーザ３００の出力レーザ光として取り出される。

また、変調信号発生器３３１より出力される変調信号の一部を分岐し、負帰還回路３３４によって変調信号発生器３３１の信号の振幅と位相を適切に調整して半導体光増幅器３２４での位相調整領域３２４−１へフィードバックする。これにより、出力レーザ光に重畳された位相変調成分を相殺する。

ここで、光導波路３２３及びレンズ３２７は光ファイバでもよい。また光ファイバとしては偏波保持光ファイバを用いても良い。光導波路３２３及びレンズ３２７に偏波保持光ファイバを用いることで、光ファイバ中を伝搬する光波の偏波状態を一定に保つことが出来る。その結果、偏波変動に伴うレーザ出力強度の揺らぎを取り除くことが出来る。レーザ出力強度の揺らぎは周波数安定度の劣化を招くため、高い周波数安定度の実現という観点からも偏波保持光ファイバの使用は有効である。

以上の様にＤＦＢ半導体レーザ３２２の外部に設置した半導体光増幅器３２４を用いて、出力レーザ光の強度変調成分及び位相変調成分の抑制を図ることにより、強度雑音の小さい無変調出力型周波数安定化レーザを実現することができる。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る周波数安定化レーザの構成を示す図である。図４の周波数安定化レーザ４００は、光源であるＤＦＢ半導体レーザ４３６と、ＤＦＢ半導体レーザ４３６からの出力レーザ光を伝搬する光導波路４３７と、光導波路４３７からのレーザ光を増幅する半導体光増幅器４３８と、半導体光増幅器４３８からのレーザ光を透過するレンズ４４０と、レンズ４４０を透過したレーザ光が入射する光ファイバ４４２とを備える。また、周波数安定化レーザ４００は、ＤＦＢ半導体レーザ４３６からのレーザ光が透過するレンズ４４１と、レンズ４４１を透過したレーザ光の周波数を弁別する光フィルタ４４３と、光フィルタ４４３を透過した光の強度を検出する光検出器４４４とを備える。また、周波数安定化レーザ４００は、ＤＦＢ半導体レーザ４３６を駆動する電流源４３９と、電流源４３９及び半導体光増幅器４３８を変調する変調信号発生器４４５と、変調信号発生器４４５からの信号を調整して半導体光増幅器４３８に出力する負帰還回路４４８とを備える。また、周波数安定化レーザ４００は、光検出器４４４の出力信号と及び変調信号発生器からの信号を受信するダブルバランスドミキサ４４６と、ダブルバランスドミキサ４４６からの信号を調整する負帰還回路４４７と、変調信号発生器からの信号と負帰還回路からの信号を加算して電流源４３９に出力する加算回路４４９とを備える。

本実施形態においては、第１の実施形態の周波数安定化レーザ３００の構成とほぼ等しいが、周波数弁別素子としてアセチレンガスが封入されたガラス製ガスセル３２９の代わりに光フィルタ４４３を用いている。ここで、光フィルタ４４３は例えば誘電体多層膜波長可変フィルタでもよい。また、光低熱膨張係数を有する材料から成る光フィルタを用いても良い。この場合、光フィルタ４４３を高精度に温調することで透過ピーク周波数の変動が極めて小さい高安定な周波数弁別素子を得ることが出来る。そのためこれを用いた周波数安定化レーザでは高い長期周波数安定度が得られる。

アセチレンなどのガスはある特定の波長の光を吸収する。そのためガスセルを周波数弁別素子として用いた周波数安定化レーザはガスの吸収が生じるある特定の波長でのみ動作する。その一方で光フィルタは透過ピーク波長を任意に設定して作製することができる。また、波長可変フィルタは一台の光フィルタで透過ピーク波長を任意に設定可能である。そのため、これらを用いた周波数安定化レーザは任意の波長で動作させることができる。

本発明は、超多値信号を用いたWDMコヒーレント光伝送用光源や高精度な光干渉システムに用いる光源として好適なものである。

１０１、３２２、４３６ＤＦＢ半導体レーザ
１０２、３２５、４３９電流源
１０３、１０４、２１５、２１６、３２６、３２７、４４０、４４１レンズ
１０５、３２８、４４２光ファイバ
１０６、２１７、３２９ガスセル
１０７、２１８、３３０、４４４光検出器
１０８ロックインアンプ
１０９、２２１、３３１、４４５変調信号発生器
１１０、２２０、３３３、３３４、４４７、４４８負帰還回路
１１１、３３５、４４９加算回路
２１２ファイバレーザ
２１３光ファイバ型光分岐回路
２１４光ファイバ結合型ＬＮ位相変調器
２１９、３３２、４４６ダブルバランスドミキサ
３２３、４３７光導波路
３２４、４３８半導体光増幅器
４４３光フィルタ

Claims

単一周波数発振し、両劈開面より出力レーザ光を取り出せる半導体レーザと、
第１の光導波路を介して前記半導体レーザの一方の劈開面に接続され、前記半導体レーザの前記出力レーザ光の波長に対して光学利得を有さない位相調整領域と光学利得を有する利得領域を光導波路内に有し、前記位相調整領域及び前記利得領域に電流を注入できる半導体光増幅器と、
前記半導体レーザの他方の劈開面からの前記出力レーザ光の周波数の、光周波数基準からのずれ量とその方向とを示す誤差電圧信号を検出し、前記誤差電圧信号を、前記半導体レーザに負帰還する周波数安定化回路と、
前記半導体レーザに注入する電流を変調し、かつ前記半導体光増幅器の制御に用いる変調信号を発生する変調信号発生器と、
を備え、
出力が飽和する条件で動作させた前記半導体光増幅器に前記半導体レーザの前記出力レーザ光を入射して光増幅し、
前記出力レーザ光に重畳される位相変調成分が相殺されるように、前記変調信号の振幅と位相を調整した後、前記半導体光増幅器の前記位相調整領域に負帰還することを特徴とする周波数安定化レーザ。
前記周波数安定化回路は、
第２の光導波路を介して前記半導体レーザの他方の劈開面に接続された周波数弁別素子と、
前記周波数弁別素子を透過した前記出力レーザ光を検出する光検出器と、
前記光検出器に接続された同期検波回路と、
前記同期検波回路の出力端に接続された負帰還制御回路と、
前記負帰還制御回路から出力される電圧信号と前記変調信号とを加算する加算回路と、を備え、
前記光検出器からの出力される電気信号と前記変調信号発生器から出力される信号の一部とを用い、前記同期検波回路において同期検波を行うことで前記周波数弁別素子の共鳴周波数を前記光周波数基準として、当該光周波数基準と前記半導体レーザの発振周波数との差を示す前記誤差電圧信号を当該同期検波回路より出力し、前記出力レーザ光の周波数が当該光周波数基準で安定化するように、前記誤差電圧信号の振幅と位相を調整した後、前記加算回路を介して前記半導体レーザの注入電流に負帰還することを特徴とする請求項１に記載の周波数安定化レーザ。
前記周波数弁別素子は、特定の波長の光を吸収するガスが封入されたガスセルであり、前記特定の波長の光を吸収するガスの吸収スペクトルを前記光周波数基準として利用することを特徴とする請求項２に記載の周波数安定化レーザ。
前記周波数弁別素子は、光フィルタであり、前記光フィルタの共振スペクトルを前記光周波数基準として利用することを特徴とする請求項２に記載の周波数安定化レーザ。
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は光ファイバであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の周波数安定化レーザ。
前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路は偏波保持光ファイバであることを特徴とする請求項５に記載の周波数安定化レーザ。