JPH0139668B2 - - Google Patents

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JPH0139668B2
JPH0139668B2 JP59152355A JP15235584A JPH0139668B2 JP H0139668 B2 JPH0139668 B2 JP H0139668B2 JP 59152355 A JP59152355 A JP 59152355A JP 15235584 A JP15235584 A JP 15235584A JP H0139668 B2 JPH0139668 B2 JP H0139668B2
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JP
Japan
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frequency
semiconductor laser
output
light
oscillation
Prior art date
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JP59152355A
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JPS6130088A (ja
Inventor
Tsutomu Yanagawa
Shigeru Saito
Yoshihisa Yamamoto
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Publication of JPS6130088A publication Critical patent/JPS6130088A/ja
Publication of JPH0139668B2 publication Critical patent/JPH0139668B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/0687Stabilising the frequency of the laser

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は光の位相、周波数情報を扱う場合に
要求され、広帯域にわたる周波数雑音の低減化を
実現する半導体レーザ装置に関するものである。
「従来技術」 光を効率よく通信、精密測定の分野で利用する
には、光の位相、周波数情報を用いることが適切
であり、周波数雑音の少ないコヒーレンスの高い
光源が望まれる。半導体レーザは長寿命、小型、
高効率を誇り、発振周波数が可変である等の特徴
を有し、様々な応用が考えられている。しかしこ
の半導体レーザは周波数雑音に関して問題があ
り、その改善が不可欠である。
従来提案された半導体レーザの周波数雑音低減
化装置としては周波数雑音の低周波成分を抑圧す
ることを目的とした発振周波数の安定化装置と、
高周波成分を抑圧することを目的とした発振スペ
クトル幅低減化装置をがそれぞれ独立に用いられ
てきた。しかしこれらを同時に実現化するような
発振周波数が高度に安定化され、かつスペクトル
幅の狭い広帯域にわたる周波数雑音低減化装置は
上記応用に対し極めて重要である。
従来の周波数安定化装置では、半導体レーザを
直接変調するものであり、周波数制御信号をロツ
クインアンプから得るものがほとんどであり、
100Hz程度以上の帯域においては周波数雑音の抑
圧は不可能であり、発振スペクトル幅も広いまま
(1.5μm帯IoGaAsPレーザでは100MHz程度)であ
る。100KHz程度以下の帯域において周波数雑音
を抑圧するためにフアブリペロ干渉計を用いた安
定化の例があるが、温度変動に起因する干渉計の
共振周波数の変動が存在し、長期安定度、再現性
の点で問題がある。
従来の発振スペクトル幅低減化装置には外部回
折格子を用いた光フイードバツク(帰還)が利用
され、1.5μm帯IoGaAsPレーザで10KHz程度を実
現した報告(Electron Letf19、110、1983)があ
るが、レーザの劣化、温度による外部共振器の変
動等により、隣接する発振モードへの飛びが起こ
るため発振周波数の長期安定度、再現性の点で問
題があつた。
この発明の第1の目的は高い周波数まで雑音を
抑圧することができる半導体レーザ装置を提供す
ることにある。
この発明の第2の目的は光フイードバツクを用
いず電気的なフイードバツク制御を用いるだけで
周波数の安定化と発振スペクトル幅の低減化とを
同時に実現し、周波数雑音を広帯域にわたつて低
減化し、しかも発振周波数の再現性が保障され、
精密計測用光源として通信用の周波数基準レーザ
などとしての応用が可能な半導体レーザ装置を提
供することにある。
「問題点を解決するための手段」 この発明によれば半導体レーザよりの光を外部
変調器において発振器の出力で周波数変調し、そ
の変調出力光を周波数基準に通し、その通過光を
電気信号に変換し、その電気信号を位相検波器に
おいて、上記発振器の出力により位相検波する。
この検波出力により上記半導体レーザの発振周波
数が周波数基準の周波数になるように帰還制御す
る。このように外部変調を用いることにより高い
周波数まで変調することができ、このため高い周
波数の雑音も抑圧することができる。
半導体レーザの出力光を分岐し、この分岐光を
周波数二次基準に通し、その通過光を電気信号に
変換し、その電気信号と基準周波数と対応した直
流信号との差を差動増幅器で検出し、その検出出
力により半導体レーザを帰還制御して上記差動増
幅器の二つの入力が等しくなるようにする。この
ように電気的制御により発振スペクトル幅を狭く
することができる。
半導体レーザ11からの出力光はハーフミラ1
2で2分され、その一方は外部変調器13で発振
器14の発振出力により周波数変調され、その変
調出力光は周波数基準(気体セル)15に入射さ
れる。周波数基準15を通過した光は受光器16
で電気信号に変換されて位相検波器17へ供給さ
れる。発振器14の発振出力は移相回路18を通
じて位相検波器17へも供給され、この発振出力
により位相検波器17で受光器16の出力を位相
検波する。その検波出力はフイードバツク(帰
還)回路19を通じて半導体レーザ11へ帰還さ
れる。これらは半導体レーザ11の発振周波数を
絶対的な周波数にロツクする周波数安定化部21
を構成している。
ハーフミラ12で分岐された他方の光は周波数
二次基準(フアブリペロ干渉計)22に入力さ
れ、周波数二次基準22を通つた光は受光器23
で電気信号に変換される。その電気信号は差動増
幅器24に入力され、端子25からの基準信号と
の差が検出され、その検出出力はフイードバツク
(帰還)回路26を通じて半導体レーザ11に帰
還される。この部分は絶対周波数に安定化された
半導体レーザ11の高周波雑音の抑圧を行い、発
振スペクトル幅の低減化を実現する発振スペクト
ル幅低減化部27を構成している。
差動増幅器24の出力はフイードバツク回路2
8を通じて周波数二次基準22にも供給され、こ
の部分で周波数二次基準(フアブリペロ干渉計)
22を安定化する周波数基準安定化部29が構成
される。
第1図中で信号の流れを示す実線は電気信号、
波線は光信号を表わしている。半導体レーザ11
の周波数制御には温度と電流とが利用できるが、
ここでは例として半導体レーザ11を1/100℃
程度に安定化した恒温槽に入れ、注入電流の制御
を行うものとする。
外部変調器13で周波数変調されたレーザ光3
1は周波数基準15を通して検波され、その出力
は位相検波器17で移相回路18からの参照信号
32と比較することにより抽出される。外部変調
器13には例えば一辺0.3mmの正方形断面を持つ
長さ4cmのLiNbO3のバルク結晶を発振器14の
周波数fnを持つ発振出力で駆動して入力光を位相
変調するものを用いる。この時1.5μmの光に対
し、発振器14から位相をπだけずらす電圧
(50Vpp程度)を出力させて外部変調器13に与
えると、最大周波数偏移πfn/2の周波数変調光
31が得られる。
周波数基準15には絶対的な周波数を持ち急峻
な特性を有するものが望ましく、例として気体の
吸収線を用いるものとする。この気体としては
1.5μm帯ではNH3、CO2、H2O、HCN、CH3Cl
等、1.3帯ではCH4、NH3、H2O、HF等、0.8μm
帯ではH2O、Rb、Cs等がある。位相検波器17
にはロツクインアンプ、バランスドミキサ等が使
用できる。
このようにして位相検波器17の出力として誤
差信号33が得られ、この誤差信号と周波数の関
係、すなわち周波数弁別特性は第2図Aに示すよ
うな周波数基準15の透過特性を周波数で一次微
分した第2図Bの特性で与えられる。第2図Aの
透過特性は基準周波数f0が最小で、これより周波
数が高くなつても低くなつても透過光強度が大に
なる。誤差信号33は基準周波数f0より低くなる
と負となり、高くなると正になる。誤差信号33
はフイードバツク回路19を通して半導体レーザ
11の注入電流に加えられ、その発振周波数が周
波数基準15の基準周波数f0になるように制御さ
れる。
周波数安定化部21で絶対周波数安定化が達成
されたレーザに対し、発振スペクトル幅低減化部
27では高周波雑音の低減化を行う。ここでは一
例としてフアブリペロ干渉計の透過特性を周波数
二次基準22として用い、フイードバツク制御を
行なう。第3図Aに示すようにフアブリペロ干渉
計22の透過光強度−周波数特性は共振周波数で
最大となる。その最大周波数よりずれ、直線性の
優れた透過特性の傾斜部に基準周波数f0を位置さ
せ周波数弁別特性として使用する。差動増幅器2
4の出力34,35を基準周波数f0でゼロ、これ
より高くなると正の信号を出力し、低くなると負
の信号を出力し、しかも直線的に変化するものと
することができる。つまり周波数基準点f0は弁別
特性の中央とし、基準差動入力端子25に加える
電圧で決定する。この周波数基準点f0とレーザ光
の周波数差は差動増幅器24から得られる誤差信
号34,35としてフイードバツク回路26,2
8に入力される。フイードバツク回路26は誤差
信号34の高周波成分を半導体レーザ11の注入
電流にフイードバツクし、レーザの高周波雑音の
低減化、スペクトル幅の低減化を実現する。
フアブリペロ干渉計の透過特性には温度変動に
よる周波数変動が存在するため、干渉計の安定化
が不可欠である。このためフアブリペロ干渉計に
は共振器長を制御できるようにPZT駆動部を有
するものを用い、温度補償を実現するために周波
数基準安定化部29を用いる。すなわちフイード
バツク回路28から出力される誤差信号35の低
周波成分をフアブリペロ干渉計22のPZT駆動
部に加え、共振器長制御を行う。これにより周波
数基準15の吸収線が有する絶対的な周波数に安
定化されたレーザ光によつてフアブリペロ干渉計
22の透過特性が固定されたことになり、フアブ
リペロ干渉計22を周波数二次基準として使用す
ることが可能となる。
この発明の動作を得る手順を以下に示す。半導
体レーザ11の発振周波数を絶対的な周波数を有
する原子、分子の吸収線にロツクすることにより
周波数安定化を実現する。この周波数安定化半導
体レーザの出力光を用い、周波数二次基準となる
フアブリペロ干渉計22を安定化する。このフア
ブリペロ干渉計22から得られる半導体レーザの
高周波雑音を利用し、半導体レーザ11の周波数
雑音抑圧帯域を拡大し、発振スペクトル幅の低減
化を実現する。
周波数安定化部21のみを用い、かつ比較的高
い周波数も検波できるように位相検波器17に例
えばバランスドミキサを用いて外部変調器13を
用いているため変調周波数を数100MHz程度以上
と高くすることができ、これにより発振周波数を
原子、分子の吸収線にロツクし、100MHz程度ま
での周波数雑音の低減化が行える。なおこのよう
に高い周波数まで雑音を抑圧できるため、発振ス
ペクトル幅を狭くすることができる。
「発明の効果」 以上説明したようにこの発明によれば外部変調
器を用いたため高い周波数まで変調することがで
き、高い周波数まで雑音を抑圧することができ
る。また電気信号を用いたフイードバツク制御だ
けを利用し、広帯域にわたる周波数雑音の抑圧お
よびスペクトル幅の低減化を同時に実現できる。
さらにレーザの発振周波数を原子あるいは分子の
吸収線へロツクすることから、再現性、長期安定
性にも優れ、周波数基準レーザとして使用でき
る。従つてオフセツトロツク(IEEE、J.
QuantunElectron.QE−17、1100(1981))の技術
を応用することにより、所望の周波数においてコ
ヒーレンスのよい光源を得ることができる。特に
光フアイバの最小損失波長域である1.5μm帯での
応用は通信用光源としてコヒーレンス向上による
最低受信レベルを低くすることが可能となるだけ
でなく、光フアイバを用いた様々なセンサ
(IEEE、J.QuantumElectron.QE−18、626
(1982))やジヤイロスコープ(Proc.SPIE、157、
131(1978))特に利用すれば単体の半導体レーザ
を用いる場合と比較し、飛躍的な精度の向上が期
待できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の半導体レーザ装置の一実施
例を示すブロツク図、第2図は周波数基準とする
原子、分子の吸収線とこれによる周波数弁別特性
の例を示す図、第3図は周波数二次基準とするフ
アブリペロ干渉計の透過特性とこれによる周波数
弁別特性の例を示す図である。 11:半導体レーザ、12:ハーフミラ、1
3:外部変調器、14:発振器、15:周波数基
準(気体セル)、16,23:受光器、17:位
相検波器、18:移相器、19,26,28:フ
イードバツク回路、22:周波数二次基準(フア
ブリペロ干渉計)、24:差動増幅器、25:基
準差動入力端子。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 半導体レーザと、該半導体レーザの出力光が
    入射される外部変調器と、その外部変調器に発振
    出力を供給して上記半導体レーザの出力光を周波
    数変調する発振器と、上記外部変調器からの変調
    された光を通過させる周波数基準と、その周波数
    基準を透過した光を受光して電気信号に変換する
    受光器と、その受光器の出力を、上記発振器の出
    力を参照信号として位相検波する位相検波器と、
    その位相検波器の検波出力により上記半導体レー
    ザの発振周波数を上記周波数基準の周波数に一致
    するように制御する第1フイードバツク回路とを
    有する半導体レーザ装置。 2 上記半導体レーザの出力光を分岐する分岐手
    段と、その分岐された出力光を通過させる周波数
    二次基準と、その周波数二次基準を通過した光を
    受光して電気信号に変換する受光器と、その受光
    器からの信号と、基準周波数に対応する電圧とを
    差動増幅する差動増幅器と、その差動増幅器から
    の出力により上記半導体レーザの発振周波数を制
    御して上記差動増幅器の両入力が一致するように
    する第2のフイードバツク回路とを有する特許請
    求の範囲第1項記載の半導体レーザ装置。
JP15235584A 1984-07-23 1984-07-23 半導体レ−ザ装置 Granted JPS6130088A (ja)

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