JPH02151122A - レーザ発振周波数安定化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザの発振周波数を、共振器や原子・分子
の吸収スペクトル等の光の周波数基準を用いて安定化す
るレーザ発振周波数安定化装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、原子・分子の吸収スペクトルや光干渉計等を外部
の周波数基準として用いて、周波数基準の透過率が極大
若しくは極小となる光周波数の値にレーザの発振周波数
を安定化する場合には、被安定化レーザの発振周波数を
周期的に変化させる、いわゆるＦＭ変調をかける方法が
採用されている。

第２図は、この方法を適用したレーザ発振周波数安定化
装置の第１の従来例を示す構成図である（例えば、儒学
技法０ＱＥ８８−１　　吉田他「周波数制御された半導
体レーザの周波数確度及び安定度の評価」参照）。

この第１の従来例においては、被安定化半導体レーザ１
の出力光は、そのバイアス電流に低周波信号発振器２か
らの微小電流を重畳することによって、ＦＭ変調がかけ
られている。その出力光を光カブラ３で二つに分岐し、
このうちの一の分岐光を光の周波数基準４に入力させた
後、受光器５で光電変換を行なう。これにより、光の周
波数基準４の透過率の周波数依存性によって、光の周波
数変化が光の強度変化に変換されるため、受光器５の出
力信号を、低周波信号発振器２の出力周波数を利用して
、ロックインアンプ６で同期検波することにより、透過
率の微分特性に相当する出力がｉすられる。

即ち、ＦＭ変調されたレーザの中心周波数が、透過率の
極大若しくは極小に一致する場合には出力が「０」、そ
れよりも高い場合若しくは低い場合には符号が反転した
出力が得られる。これを誤差信号ｅｓとして、被安定化
半導体レーザ１へのバイアス電流を制御するバイアス電
流制御回路７を用いて、常に出力が「０」となるように
、いわゆるフィードバック制御を行なうことにより、光
の周波数基準４への発振周波数安定化が実現される。

また、高い周波数感度を得るための光周波数基準として
は、その透過率が極大若しくは極小となる周波数が長期
的に安定でなければならず、短波長帯の半導体レーザで
はルビジウム蒸気、セシウム蒸気の吸収スペクトルが利
用されている。特に、これらのアルカリ金属蒸気の飽和
吸収スペクトルを利用すると、吸収スペクトル幅が１０
　Ｍｌｌｚ以下と狭く、より高感度での周波数安定化が
可能になる。

第３図は、第２の従来例を示す構成図であって、０．７
９５μｍでのルビジウム蒸気の飽和吸収スペクトルを用
いたレーザ発振周波数安定化装置の構成を示している（
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ、２
４　Ｎｏ。

１３１９８８　Ｃ，Ｇ、Ｂａｒｖｏｏｄ　ａｔ　ａｔ、
）　ｏ図中、１は被安定化半導体レーザ、２は低周波信
号発振器、６はロックインアンプ、７はバイアス電流制
御回路で、第２図と同一構成部分を表わしている。

この第２の従来例においては、被安定化半導体レーザ１
の出力光がビームスプリッタ８で二つに分岐され、その
うちの一の分岐光が、さらにビームスプリッタ９で飽和
光ｓｂ、探索先ｂｂＳｐ照光ｒｂの三つの光に分割され
る。飽和光ｓｂはミラー１０によって反射され、ビーム
スプリッタ１１を透過した成分が、ルビジウム蒸気を封
入したセル１２に入力する。一方、探索光ｈｂと参照光
ｒｂはミラー１３によって反射され、セル１２に飽和光
ｓｂとは逆方向から入力する。このとき、探索光ｈｂは
飽和光ｓｂと重なるように入力される。

セル１２を透過した探索光ｓｂと参照光ｒｂは、ビーム
スプリッタ１１で反射され、それぞれ受光器１３ａ、１
３ｂで検出される。このとき、飽和吸収スペクトルが受
光器１３ａの出力によって検出されるとともに、探索光
ｈｂにＦＭ変調がかかっているために線形吸収スペクト
ルの影響も同時に検出される。このため、次段の引算器
（あるいは割算器）１４において、受光器１３ｂの出力
を利用してその影響が取り除かれる。さらに、被安定化
半導体レーザ１に直接ＦＭ変調をかける際にＡＭＭ変調
同時にかかってしまうので、その影響によって吸収スペ
クトルのピークからずれた周波数値で安定化されてしま
う、いわゆるオフセットが発生する事態を防ぐため、第
３高調波発生手段１５による低周波信号発振器２の第３
高調波を用いてロックインアンプ６で同期検波し、飽和
吸収スペクトルの３次の微分信号を検出して誤差信号ｅ
ｓを発生する。この誤差信号ｅｓの入力に基づいて、バ
イアス電流制御回路７により被安定化半導体レーザ１の
発振周波数の安定化を行なっている。

また、波長１．５μｍ帯には、アルカリ金属蒸気の吸収
スペクトルのように、吸収量が大きく、かつ、周波数の
安定が容易な光の周波数基準が存在しないため、第２高
調波発生手段を用いて０，７８μｍのルビジウム原子吸
収スベトクルを利用する方法が検討されている（例えば
、特願昭６３−１３７４９４号）。第４図は、この原理
を採用した第３の従来例を示す構成図である。図中、２
は低周波信号発振器、５は受光器、６はロックインアン
プ、７はバイアス電流制御回路で、第２図と同一構成部
分を表わしている。

この第３の従来例においては、波長１．５６μｍ近傍で
発振する被安定化半導体レーザ１６の出力光がビームス
プリッタ１７で二つに分岐され、このうちの一の分岐光
が非線形光学素子で構成される第２高調波発生手段１８
に入力して０．７８μｍの光出力を得る。この第２高調
波発生手段１８の出力光は、ルビジウムを封入したセル
１９に入力する。

次に、セル１９を透過した出力光は、受光器５で検出さ
れる。これにより、ルビジウム原子吸収スペクトルが検
出され、前述と同様に、受光器５の出力信号を、低周波
信号発振器２の出力周波数を利１１１シてロックインア
ンプ６で同期検波し、誤差信号ｅｓを発生する。これに
より、１．５６μｍ帯被安定化゛ｌ′−導体レーザ１６
の発振周波数を安定化することかできる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記第１の従来例では、被安定化半導体
レーザ１にＦ　Ｍ変調をかけて、光の周波数基準４から
制御用の誤差信号ｅｓを検出し発生しているので、無変
調の光出力を得ることができず、この装置を光通信等に
利用する場合に、問題の発生する恐れがある。また、Ｓ
／Ｎの良い誤差信号ｅｓを検出して高い周波数安定度・
確度を実現するためには、光の周波数基準４に強い光パ
ワーを入力させる必要があり、装置外部に取り出せる先
出力が制限されてしまうという問題点をａしている。

また、第２の従来例では、無変調の光出力を得ることが
できないという欠点に加えて、線形吸収スペクトルの影
ツを取り除くために参照光「ｂを利用する必要があり、
装置の複雑化を招くとともに、引算器１４の精度やその
特性のドリフトのため、あるいは３次の微分信号が１次
の微分信号に比べてＳ／Ｎが悪いため、周波数安定度・
確度が制限されてしまうという問題点を有している。

さらに、第３の従来例では、上記したような種々の欠点
に加えて、第２高調波発生手段１８の変換効率に周波数
安定度・確度が影響され、変換効率が小さい場合、検出
される誤差信号ｅｓのＳ／Ｎが低くなり、高い周波数安
定度・確度を得ることが困難となる。従って、大きな変
換効率を有する第２高調波発生手段が必要不可欠となり
、採用できる第２高調波発生手段が制限されてしまうと
いう問題点がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、無変調で、しかも
光パワ一の大きな被安定化光出力を得ることができると
ともに、構成要素の性能に左右されることなく安定した
光出力を得ることのできる優れたレーザ発振周波数安定
化装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項（１）によれば、所定
の周波数近傍で発振するレーザの発振周波数を安定化す
るレーザ発振周波数安定化装置において、第１の誤差信
号の入力により前記レーザの発振周波数を所定の周波数
基準に追従させる第１の発振周波数制御回路と、前記レ
ーザの出力光を分岐する第１の光分岐手段とからなるレ
ーザ発振周波数制御部と、所定の周波数近傍で発振する
参照レーザと、該参照レーザの出力光を分岐する第２の
光分岐手段と、該第２の光分岐手段による一の分岐光と
前記第１の光分岐手段による一の分岐光を合波しビート
信号を検出するビート信号検出部と、所定周期の信号を
発振する信号発振器と、該信号発振器の出力信号の入力
に応じて周波数を変化させた基準信号を発振する基準信
号発振器と、該基準信号と前記ビート信号を比較し両信
号の位相差または周波数差に応じた第２の誤差信号を発
生する比較器と、該第２の誤差信号の入力により前記参
照レーザの発振周波数を前記基準信号発振器の出力周波
数に追従させる第２の発振周波数制御回路とからなる参
照レーザ発振周波数制御部と、前記第２の光分岐手段に
よる他の分岐先の入力により該分岐光の周波数と周波数
基準との周波数差に応じた検出信号を発生する周波数差
検出部と、該検出信号を前記信号発振器の出力信号に同
期させて前記第１の誤差信号を発生する同期検波部とか
らなる誤差信号発生部とを備えた。

また、請求項（２）によれば、所定の周波数近傍で発振
するレーザの発振周波数を安定化するレーザ発振周波数
安定化装置において、第１の誤差信号の入力により前記
レーザの発振周波数を所定の周波数基準に追従させる第
１の発振周波数制御回路と、前記レーザの出力光を分岐
する第１の光分岐手段とからなるレーザ発振周波数制御
部と、所定の周波数近傍で発振する参照レーザと、該参
照レーザの出力光を分岐する第２の光分岐手段と、該第
２の光分岐手段による一の分岐光と前記第１の光分岐手
段による一の分岐光を合波しビート信号を検出するビー
ト信号検出部と、所定周期の信号を発振する信号発振器
と、該信号発振器の出力信号の入力に応じて周波数を変
化させた基準信号を発振する）Ｉｉ準倍信号発振器、該
基準信号と前記ビート信号を比較し両信号の位相差また
は周波数差に応じた第２の誤差信号を発生する比較器と
、該第２の誤差信号の入力により前記参照レーザの発振
周波数を前記基準信号発振器の出力周波数に追従させる
第２の発振周波数制御回路とからなる参照レーザ発振周
波数制御部と、前記第１の光分岐手段の他の分岐光を分
岐する第３の光分岐手段と、前記第２の光分岐手段の他
の分岐光の入力により発生する飽和吸収スペクトルを周
波数基準とし、該周波数基準と前記第３の光分岐手段の
一の分岐光の周波数との周波数差に応じた検出信号を発
生する周波数差検出部と、該検出信号を前記信号発振器
の出力信号に同期させて前記第１の誤差信号を発生する
周期検波部とからなる誤差信号発生部とを備えた。

また、請求項（３）によれば、第１の光分岐手段の一の
分岐光出力側とビート信号検出部の当該一の分岐光入力
側間に、第Ｎ高調波発生手段を配置した。

（作用） 請求項（１）によれば、所定の周波数で発振したレーザ
の出力光は、第１の光分岐手段に入力して分岐され、分
岐された一の分岐光は、参照レーザ発振周波数制御部の
ビート信号検出部に出力される。

同様に、所定の周波数で発振した参照レーザの出力光は
、第２の光分岐手段に入力して分岐される。分岐された
一の分岐光はビート信号検出部に出力され、他の分岐光
は誤差信号発生部の周波数差検出部に出力される。ビー
ト信号検出部は、第１及び第２の光分岐手段による各分
岐光を合波してビート信号を検出し出力する。一方、基
準信号発振器は、信号発振器の出力信号を入力し、この
入力に応じて発振周波数を周期的に変化させた基準信号
を出力する。これに伴ない、比較器はビートイー号と基
準信号を比較し、両信号の位相差または周波数差に応じ
た第２の誤差信号を発生し、第２の発振周波数制御回路
に出力する。第２の発振周波数制御回路は、第２の誤差
信号を入力することにより、参照レーザの発振周波数を
基準信号発振器の出力周波数に追従するように制御する
。

これにより、レーザの発振周波数変動に同期し、かつ、
ＦＭ変調のかかった参照レーザの出力光を得ることがで
きる。この出力光は、上記したように第２の光分岐手段
に入射して分岐される。分岐された一の分岐光はビート
信号検出部に出力され、上記したと同様の作用を受ける
。

一方、分岐された他の分岐光は誤差信号発生部の周波数
差検出部に入力する。周波数差検出部は、入力した分岐
光の周波数と周波数ＩＡ準との周波数差を検出し、この
検出信号を同期検波部に出力する。同期検波部は、この
検出信号の入力に基づいて、信号発振器の出力信号に同
期させて第２の誤差信号を発生し、第１の発振周波数制
御回路に出力する。

第１の発振周波数制御回路は、第１の誤差信号の入力に
より、レーザの発振周波数を周波数基準に追従するよう
に制御する。これにより、レーザの発振周波数が無変調
で安定化される。この安定化されたレーザの出力光は、
上記したように第１の光分岐手段に入力して分岐され、
分岐された一の分岐光はビート信号検出部に出力されて
、上記したと同様の作用を受ける。一方、分岐された他
の分岐光が当該装置の光出力として出力される。

また、請求項（２）によれば、所定の周波数で発振した
レーザの出力光は、第１の光分岐手段に入力して分岐さ
れる。分岐された一の分岐光は、参照レーザ発振周波数
制御部のビート信号検出部に出力され、他の分岐光は第
３の光分岐手段に出力される。

同様に、所定の周波数で発振した参照レーザの出力光は
、第２の光分岐手段に入力して分岐される。分岐された
一の分岐光はビート信号検出部に出力され、他の分岐光
は誤差信号発生部の周波数差検出部に出力される。ビー
ト信号検出部は、第１及び第２の光分岐手段による各分
岐光を合波してビート信号を検出し出力する。一方、基
準信号発振器は、信号発振器の出力信号を入力し、この
入力に応じて発振周波数を周期的に変化させた基糸信号
を出力する。これに伴ない、比較器はビート信号と基準
信号を比較し、両信号の位相差または周波数差に応じた
第２の誤差信号を発生し、第２の発振周波数制御回路に
出力する。第２の発振周波数制御回路は、第２の誤差信
号を入力することにより、参照レーザの発振周波数を基
準信号発振器の出力周波数に追従するように制御する。

これにより、レーザの発振周波数変動に同期し、かつ、
ＦＭ変調のかかった参照レーザの出力光を得ることがで
きる。この出力光は、上記したように第２の光分岐手段
に入射して分岐される。分岐された一の分岐光はビート
信号検出部に出力され、上記したと同様の作用を受け、
他の分岐光は誤差信号発生部の周波数差検出部に出力さ
れる。

一方、第３の光分岐手段に第１の光分岐手段による他の
分岐光が入力し分岐される。分岐された一の分岐光は、
誤差信号発生部の周波数差検出部に出力される。周波数
差検出部は、第２の光分岐手段による他の分岐光の入力
により周波数基準となる飽和吸収スペクトルを発生する
とともに、第３の光分岐手段による一の分岐光の周波数
と当該周波数基準との周波数差を検出し、この周波数差
に応じた検出信号を同期検波部に出力する。同期検波部
は、この検出信号の入力に基づいて、信号発振器の出力
信号に同期させて第２の誤差信号を発生し、第１の発振
周波数制御回路に出力する。

第１の発振周波数制御回路は、第１の誤差信号の入力に
より、レーザの発振周波数を周波数基準に追従するよう
に制御する。これにより、レーザの発振周波数が無変調
で安定化される。この安定化されたレーザの出力光は、
上記したように第１の光分岐手段に入力して分岐され、
分岐された一の分岐光はビート信号検出部に出力されて
、上記したと同様の作用を受ける。一方、分岐された他
の分岐光は第３の光分岐手段に入力して分岐され、分岐
された一の分岐光は周波数差検出部に出力され、上記し
たと同様の作用を受け、他の分岐光が当該装置の光出力
として出力される。

また、請求項（３）によれば、所定の周波数で発振した
レーザの出力光は、第１の光分岐手段に入力して分岐さ
れ、分岐された一の分岐光は、第Ｎ高調波発生手段に出
力される。第Ｎ高調波発生手段は、入力した分岐光から
第Ｎ高調波を発生し参照レーザ発振周波数制御部のビー
ト信号検出部に出力する。以後、上記した請求項（１）
または請求項（２）と同様の作用を受ける。

（実施例） 第１図は、本発明によるレーザ発振周波数安定化装置の
第１の実施例を示す構成図である。第１図において、２
０は被安定化レーザ発振周波数１．す御部、３０は参照
レーザ発振周波数制御部、４０はｊ差信号発生部である
。

被安定化レーザ発振周波数制御部２０は、周波数ν近傍
で発振する被安定化半導体レーザ２１と、後記する第１
の誤差信号ＥＳ１の入力に基づいて、被安定化半導体レ
ーザ２１に、その発振周波数νを後記する周波数基準に
追従させるように制御したバイアス電流を供給するバイ
アス電流制御回路（第１の発振周波数制御回路）２２と
、被安定化半導体レーザ２１の出力光ＬＤを二つに分岐
し、一の分岐光を参照レーザ発振周波数制御部３０に出
力し、他の分岐光を当該装置の光出力として出力する第
１の光分岐手段、例えば先カプラ２３とから構成されて
いる。

参照レーザ発振周波数制御部３０は、周波数ν　で発振
する参照レーザ３１と、参照レーザ３１の出力光ＲＬＤ
を二つに分岐し、一の分岐光を後記するビート信号検出
部３３に出力し、他の分岐光を誤差信号発生部４０に出
力する第２の光分岐手段、例えば光カブラ３２と、先カ
プラ３２の一の分岐光と前記光カブラ２３の一の分岐光
とを合波する光合波手段、例えば光カブラ３３ａ並びに
光カプラ３３ａの出力光を光電変換したビート信号ＢＴ
を出力する受光器３３ｂとからなるビート信号検出部３
３と、例えば周波数ｆｍ　−１ｋｌ１２程度の周期的な
低周波信号ＬＳを発振する低周波信号発振器３４と、低
周波信号ＬＳの入力に応じて出力周波数ｆ（中心周波数
ｆｏｓ周波数偏波Δｆ）を周期的に変化させたマイクロ
波信号である基準信号ＢＳを発振するマイクロ波基準発
振器３５と、この基準信号ＢＳとビート信号ＢＴの位相
差に応じた第２の誤差信号ＥＳ２を発生する位相比較器
３６と、この第２の誤差信号ＥＳ２の入力に基づいて、
参照半導体レーザ３１に、その発振周波数ν、を前記マ
イクロ波基準発振器３５の出力周波数に一致するように
制御したバイアス電流を供給するバイアス電流制御回路
（第２の発振周波数制御回路）３７とから構成されてい
る。

誤差信号発生部４０は、光の周波数基準として用いられ
、光カブラ３２の他の分岐光が入力するルビジウム蒸気
を封入したセル４１ａ並びにセル４１ａの透過光を受光
して光電変換し、参照半導体レーザ３１の出力光の周波
数と周波数基準との周波数差に応じた検出信号ＤＳを出
力する受光器４１ｂとからなる周波数差検出部４１と、
この検出信号ＤＳを前記低周波信号発振器３４による低
周波信号ＬＳ（周波数ｆｍ）で同期検波して第１の誤差
信号ＥＳＩを発生し、バイアス電流制御回路２２に出力
する同期検波部、例えばロックインアンプ４２とから構
成されている。

次に、上記構成による動作を説明する。なお、参照゛七
導体レーザ３１の発振周波数の制御帯域を低周波信号発
振器３４の発振周波数ｆａ＋より大きく設定しであるも
のとする。

まず、周波数νで発振した被安定化半導体レーザ２１の
出力光ＬＤは、光カプラ２３に入力して二つに分岐され
、その一の分岐光がビート信号検出部３３の光カブラ３
３ａに出力される。

また、周波数ν　で発振した参照半導体レーザ３１の出
力光ＲＬＤは、光カプラ３２に入力して分岐される。分
岐された一の分岐光はビート信号検出部３３の光カブラ
３３ａに出力され、他の分岐光は誤差信号発生部４０の
セル４１ａに出力される。ビート信号検出部３３では、
光カブラ３３ａで、光カブラ３２の一の分岐光と光カプ
ラ２３の一の分岐光が合波され、その出力光が受光器３
３ｂで受光され、充電変換されたビート信号ＢＴが位相
比較器３６に出力される。

一方、低周波信号発振器３４は、周波数ｆｔａの低周波
信号ＬＳを周期的に発振する。これに伴ない、マイクロ
波基準発振器３５は、この低周波信号ＬＳの入力に応じ
て、周期的に変化させた基苧信号ＢＳを発振し、位相比
較器３６に出力する。

位相比較器３６は、入力したビート信号ＢＴの位相と基
準信号ＢＳの位相とを比較し、両信号の位相差に応じた
第２の誤差信号ＥＳ２を発生し、バイアス電流制御回路
３７に出力する。バイアス電流制御回路３７は、第２の
誤差信号ＥＳ２の入力に伴ない　参照半導体レーザ３１
の発振周波数ν　を、被安定化半導体レーザ２１の発振
周波数νからマイクロ波基準発振器３５の出力周波数ｆ
だけずれた値、即ち、ν　−ν±ｆに安定化する「 ように制御したバイアス７ｆＳ流を、参照半導体レーザ
３１に供給する。これにより、参照半導体レーザ３１の
発振周波数ν　がν±ｆの値に安定化され（この動作を
半導体レーザの周波数オフセットロッキングという。例
えば、申他　電気学会論文誌ＣＶｏｌ、１０８−ｃ、Ｎ
ｏ、９１９８８．ｐｐ、６７８−６８４）。

即ち、参照半導体レーザ３１の発振周波数ν、は、被安
定化半導体レーザ２１の発振周波数変動に追従し、かつ
、変調周波数ｆｒＢ、周波数偏移△ｆのＦＭ変調がかけ
られることになる。

次に、Ｆ　Ｍ変調がかけられた参照半導体レーザ３１の
出力光ＲＬＤは、上記したように光カブラ３２で分岐さ
れ、一の分岐光はビート信号検出部３３に出力されて、
上記したと同様の作用を受ける。一方、光カプラ３２に
よる他の分岐光は、誤差信号発生部４０のセル４１ａに
入力する。このセル４１ａの透過光は、参照半導体レー
ザ３１の発振周波数ν　の中心値ν＋ｆｏ　　（あるい
はシーｆｏ）とルビジウム吸収スペクトルのピーク周波
数ν。との周波数差を検出しており、この透過光が受光
器４１ｂで受光され、充電変換された検出信号ＤＳがロ
ックインアンプ４２に出力される。

次に、ロックインアンプ４２は、この検出信号ＤＳを、
低周波信号発振器３４による低周波信号ＬＳ（周波数ｆ
ｍ）で同期検波し、上記周波数差に応じた第１の誤差信
号ＥＳＩを発生し、バイアス電流制御回路２２に出力す
る。

バイアス電流制御回路２２は、第１の誤差信号ＥＳＩの
入力に伴ない、被安定化半導体レーザ２１の発振周波数
νを、νｏｆｏ（あるいはν。

＋ｆｏ）に安定化するように制御したバイアス電流を被
安定化半導体レーザ２１に供給する。これにより、安定
化された被安定化半導体レーザ２１の出力光ＬＤは、上
記したように先カプラ２３で分岐され、一の分岐光はビ
ート信号検出部３３に出力されて、上記したと同様の作
用を受ける。−方、光カプラ２３の他の分岐光は、当該
装置の被安定化先出力として装置外部へ出力される。

第５図は、上記した一連の周波数安定化動作例を原理的
に示した図である。即ち、第５図の（ａ）に示すように
、被安定化半導体レーザ装置２１の発振周波数νが、周
波数基準であるピーク周波数ν。と基準信号ＢＳの中心
周波数ｆ。との周波数差（νｏ　　ｆｏ）より小さい場
合（νくν。

ｆｏ）、同図中ＤＳａで示す検出信号が周波数差検出部
４１で検出され、これに基づく第１の誤差信号は同図中
ＥＳ１ａで示すような、例えばマイナス（−）の信号と
なる。従って、バイアス電流制御回路２２は、被安定化
半導体レーザ２１の発振周波数νを増加するように制御
する。

また、第５図の（ｂ）に示すように、発振周波数νが、
ピーク周波数ν。と中心周波数ｆ。との周波数差（νｏ
　　ｆｏ）より大きい場合には（ν〉νｏ　　ｆｏ）、
同図中ＤＳｂで示す検出信号が検出され、これに基づく
第１の誤差信号は、同図中ＥＳ１ｂで示すような、例え
ばプラス（＋）の信号となる。従って、バイアス電流制
御回路２２は、被安定化半導体Ｃ−ザ２１の発振周波数
νを減少するように制御する。

さらに、第５図の（Ｃ）に示すように、発振周波数νが
、ピーク周波数ν。と中心周波数ｆ。との周波数差（ν
。−ｆ。）と等しい場合（ν一部。

−ｆ。）、同図中ＤＳｃで示す検出信号が検出され、こ
れに基づく第１の誤差信号は同図中ＥＳＩＣで示すよう
に、「±０」の信号となる。従ってバイアス電流制御回
路２２は、被安定化半導体レサ２１の発振周波数νをそ
のままの状態で保持するように制御する。

以上説明したように、本節１の実施例によれば、参照半
導体レーザ３１を利用し、かつ、ビート信号ＢＴを検出
してそのビート周波数を利用し、被安定化”Ｆ−導体レ
ーザ２１の発振周波数変動に同期した参照半導体レーザ
３１にＦＭ変調をかけるため、被安定化半導体レーザ２
１に周波数変調をかけることなく高い確度で発振周波数
νを安定化することができる。

また、光の周波数基準に基づいて第１の誤差信号ＥＳＩ
を検出し発生する際に、参照半導体レーザ３１のパワー
を利用しているので、参照半導体レーザ３１の光出力が
充分大きい場合には、受光器３３ｂでビート信号ＢＴを
検出するために必要とされる彼安定化半導体レーザ２１
の光パワーは僅かでよく、外部に取り出せる被安定化光
出力パワーを大きくできるという効果を有する。さらに
、被安定化半導体レーザ２１の発振周波数νは、マイク
ロ波基準発振器３５の出力の中心周波数ｆ。

にも依存するため、これを変化させることによって、安
定化される光周波数の値を連続的に変化させることがで
きるという効果をも有する。また５、得らえた被安定化
光出力に外部変調器を用いて変調をかければ、そのまま
光通信に利用できる。

なお、本節１の実施例において、光の周波数基準として
ルビジウム蒸気を封入したセル４１ａを用いたが、これ
に限定されるものではなく、他の原子や分子蒸気を封入
したセルや、ファブリ・ペロ干渉計、リング共振器、導
波路型リング共振器などを用いてもよく、また、飽和吸
収スペクトルの検出系を利用しても勿論よい。

第６図は、本発明によるレーザ発振周波数安定化装置の
第２の実施例を示す構成図である。本節２の実施例と前
記第１の実施例の異なる点は、被安定化レーザ発振周波
数制御部２０における光カプラ２３の他の分岐光の出力
側（被安定化光出力側）に、この分岐光を二つに分岐し
、その一の分岐光をコモ差信号発生部４０に出力すると
ともに、他の分岐光を当該装置の光出力とする第３の光
分岐手段、例えば光カプラ５０を配置し、かつ、誤差信
号発生部４０の周波数差検出部４１に、セル４１ａの光
カブラ３２の他の分岐光（以下、飽和光ＳＢという。）
は透過し、セル４１ａを透過した光カブラ５０の一の分
岐光（以下、探索光ＨＢという。）を反射して受光器４
１ｂに入力させるビームスプリッタ４１ｃを配置したこ
とにある。

次に、本節２の実施例による動作を前記第１の実施例と
異なる部分ついてのみ説明する。

被安定化半導体レーザ２１の出力光ＬＤの一部が、光カ
ブラ５０によって探索光ＨＢとしてルビジウム蒸気を封
入したセル４１ａに入力する。

方、参照半導体レーザ３１の出力光ＲＬＤのうち、光カ
ブラ３２により分岐された他の分岐光は、飽和光ＳＢと
してビームスプリッタ４１ｃを透過し、探索光ＨＢとは
反対方向からセル４１ａに入力する。

ここで探索光ＨＢと飽和光ＳＢの間に光周波数差ｆ。が
あり、かつ探索光ＨＢは無変調で、飽和光ＳＢにはＦＭ
変調がかけられているため、光周波数差ｆ。がルビジウ
ム蒸気吸収スペクトルのドツプラー拡がり（室温で！Ｉ
−値幅５００　Ｍ　Ｈｚ程度）より狭ければ、±ｔ　ｏ
　／　２だけ周波数がシフトした飽和吸収スペクトルの
１次微分信号が検出される。セル４１ａを透過した探索
光ＨＢは、ビームスプリッタ４１Ｃを介して受光器４１
ｂで検出され、この検出信号ＤＳがロックイアンプ４２
に入力する。ロツイクイアンプ４２は、この検出信号Ｄ
Ｓを低周波信号発振器３４による低周波信号ＬＳ（周波
数ｆｍ）で同期検波して第１の誤差信号ＥＳＩを発生し
、バイアス電流制御回路２２に出力する。

バイアス電流制御回路２２は、第１の誤差信号ＥＳＩの
入力に伴ない、被安定化半導体レーザ２１の発振周波数
νを、ν。−ｆ。／２（あるいはνｏ十ｆ。／２）に安
定化するように制御したバイアス電流を被安定化半導体
レーザ２１に供給する。これにより、安定化された被安
定化半導体レザ２１の出力光ＬＤは、光カブラ２３及び
５０を介し当該装置の被安定化光出力として装置外部に
出力される。

本箱２の実施例においては、前記第１の実施例と同様の
効果を得ることができる。加えて、飽和吸収スペクトル
の検出時に、飽和光ＳＢとして参照゛ト導体レーザ３１
の出力光ＲＬＤを、探索光ＨＢとして被安定化半導体レ
ーザ２１の出力光ＬＤを利用しており、かつ探索光ＨＢ
には何ら変調がかけられていないため、線形吸収スペク
トルが検出されることはな〈従来技術（第３図）で説明
したような参照光を利用する必要はない。従って、誤差
信号発生部４０の構成が第３図の場合に比べて簡単にな
り、かつ、この部分での周波数安定度、確度の劣化を避
けることができる。さらに、参照半導体レーザ３１の直
接ＦＭ変調時に生じるＡＭ変調成分の影響は吸収の飽和
量を変化させるにとどまり、探索光ＨＢから飽和吸収ス
ペクトルを検出する際には第１義的な影響を及ぼさない
。このため、周波数オフセットを生しることなく、３次
微分信号よりもＳ／Ｈのよい１次微分信号を光の周波数
基準からの第１の誤差信号として利用できるという利点
も［ｊｊつ。

なお、ビームスプリッタ４１ｃとして偏波ビームスブリ
ツタを利用することにより、飽和・探索両光の１−波状
態を制御すれば、飽和・探索両光の有効利用パワーを増
すことも可能である。

第７図は、本発明によるレーザ発振周波数安定化装置の
第３の実施例を示す構成図である。本箱３の実施例と前
記第１の実施例の異なる点は、光カプラ２３の一の分岐
光出力側とビート信号検出部３３の当該一の分岐光入力
側との間に、非線１じ光学素子等からなる第２高調波発
生手段２４を配置し、かつ、被安定化レーザとして１．
５６μｍ帯で発振する半導体レーザ２１ａを採用すると
ともに、参照レーザとして０．７８μ［ｎ帯で発振する
半導体レザ３１ａを採用したたことにある。

この構成においては、１．５６μｍ帯被安定住半導体レ
ーザ２１ａの出力光ＬＤａは、光カプラ２３で分岐され
、その一の分岐光が第２高：Ａ波発生手段２４に入射さ
れ、０．７８μｍ帯の光（第２高調波）が生しる。この
第２高調波発生手段２４の出力光を用いて、第１の実施
例と同様に、第１の誤差信号ＥＳＩを発生し、これに基
づいてバイアス電流制御回路２２により、１．５８μｍ
帯披安走化半導体レーザ２１の発振周波数νを制御する
ようになっている。

本箱３の実施例においても、前記第１の実施例と同様の
効果を得ることができる。加えて、■、５６μｍ帯にお
ける第２高、周波発生手段２４の変換効率が小さい場合
でも、０．７８μｍ帯の参照半導体レーザ３１の出力パ
ワーが充分大きければ、高い周波数安定度・確度が得ら
れる。これは、光領域の高調波発生手段においては低い
周波数変換効率しか実現できていない現在においては、
特に有効な利点である。

また、第６図で説明した第２の実施例において、被安定
化レーザ発振周波数制御部２０を第７図に示した第３の
実施例における被安定化レーザ発振周波数制御部２０で
置き変えることにより、１．５６μｍ帯のレーザ発振周
波数安定化装置を構成することができ、第２または第３
の実施例と同様の効果を得ることができる。

なお、上記各節１．蒐２及び第３の実施例では、被安定
化レーザ及び参照レーザとして半導体レーザを使用した
が、これに限定されるものではなく気体レーザ、色素レ
ーザ、外部共振器からの光帰還をかけた半導体レーザ等
を用いてもよく、これの場合には発振周波数を制御する
ためにバイアス電流制御回路２２及び３７として共振器
長を制御する回路を利用すればよい。

また、マイクロ波基準発振器３５として直接合成型の周
波数シンセサイザを利用すれば、その中心周波数ｆ。を
高確度に保ったまま、周波数偏移Δｆの大きなマイクロ
波の基準信号ＢＳを得ることができ（例えばΔｆ−１０
ＭＨｚ）、効果的である。

さらに、第２の誤差信号ＥＳ２を発生する際に、ビート
信号ＢＴと基準信号ＢＳの位相差に応じて発生するよう
に構成したが、これらの周波数差に応じて発生するよう
にしても上記したと同様の作用効果を得ることができる
。

（発明の効果） 以上説明したように、請求項（１）によれば、発振周波
数が安定化されるレーザの出力光の一部と参照レーザの
出力光の一部を合波して検出されるビート信号と、その
発振周波数が周期的に変化するバ■信号発振器による基
準信号の位相差または周波数差を比較することで参照レ
ーザの発振周波数を制御し、かつ、参照レーザの出力光
を利用して光の周波数基亭に基づいて誤差信号を発生し
、これを用いて被安定化レーザの発振周波数を制御する
ようにしたので、レーザの発振周波数変動に開明した参
照レーザにＦＭ変調をかけることが可能となり、これに
より、レーザの発振周波数を高い確度で安定化すること
ができ、無変調で、かつ、安定化された先出力を得るこ
とができる。

また、光の周波数基準から第１の誤差信号を発生する際
に、参照レーザの光パワーを利用しているので、参照レ
ーザの光出力が充分大きい場合には、ビート信号を検出
するために必要とされるレーザの光パワーは僅かでよく
、外部に取り出せる被安定化光出力の光パワーを大きく
できる。さらに、レーザの発振周波数は基準信号発振器
の出力の中心周波数にも依存するため、これを変化させ
ることによって、安定化される光周波数の値を連続的に
変化させることができるという効果も有する。

さらにまた、得られた被安定化光出力に外部変調器を用
いて変調をかければ、そのまま光通信に利用できるとい
う利点を有する。

また、請求項（２）によれば、請求項（１）の効果に加
えて、第１の誤差信号の検出、発生の際に、参照レーザ
の出力光とともに無変調のレーザの出力光を利用してい
るので、さらに精度よく安定化された光出力を得ること
ができる。

また、請求項（３）によれば、請求項（１）または請求
項（２）の効果に加えて、１．５μｍ帯等の長波長帯の
レーザの発振周波数を精度よく安定化することができる
。さらに、第Ｎ高調波発生手段の変換効率が小さい場合
でも参照レーザの出力パワーが充分大きければ、高い周
波数安定度・確度を得ることができる。これは光領域の
高調波発生手段においては低い周波数変換効率しか実現
できていない現在において、特に有効な利点である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザ発振周波数安定化装置の第
１の実施例を示す構成図、第２図は第１の従来例を示す
構成図、第３図は第２の従来例を示す構成図、第４図は
第３の従来例を示す構成図、第５図は本発明に係るレー
ザ発振周波数安定化動作例の説明図、第６図は本発明に
よるレーザ発振周波数安定化装置の第２の実施例を示す
構成図、第７図は本発明によるレーザ発振周波数安定化
装置の第３の実施例を示す構成図である。 図中、２０・・・被安定化レーザ発振周波数制御部、２
１・・・被安定化半導体レーザ、２１ａ・・・１．５６
μｍ帯彼安走化半導体レーザ、２２・・・バイアス電流
制御回路（第１の発振周波数制御回路）、２３・・・光
カブラ（第１の光分岐手段）、２４・・・第２高調波発
生手段、３０・・・参照レーザ発振周波数制御部、３１
・・・２照半導体レーサ、３１ａ・・・０．７８μｍ帯
参照゛１′−導体レーザ、３２・・・光カプラ（第２の
光分岐手段）、３３・・・ビート信号検出部、３３ａ・
・・光カプラ、３３ｂ・・・受光器、３４・・・低周波
信号発振器、３５・・・マイクロ波基準発振器、３６・
・・位相比較器、３７・・・バイアス電流制御回路（第
２の発振周波数制御回路）、４０・・・誤差信号発生部
、４１・・・周波数差検出部、４１ａ・・・ルビジウム
封入セル、４１ｂ・・・受光器、４１Ｃ・・・ビームス
プリッタ、４２・・・ロックインアンプ（同期検波部）
、５０・・・光カブラ（第３の光分岐手段）。 特許出願人　日本電信電話株式会社 代理人弁理士　吉　］ｌ　　　精　孝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の周波数近傍で発振するレーザの発振周波数
   を安定化するレーザ発振周波数安定化装置において、 第１の誤差信号の入力により前記レーザの発振周波数を
   所定の周波数基準に追従させる第１の発振周波数制御回
   路と、前記レーザの出力光を分岐する第１の光分岐手段
   とからなるレーザ発振周波数制御部と、 所定の周波数近傍で発振する参照レーザと、該参照レー
   ザの出力光を分岐する第２の光分岐手段と、該第２の光
   分岐手段による一の分岐光と前記第１の光分岐手段によ
   る一の分岐光を合波しビート信号を検出するビート信号
   検出部と、所定周期の信号を発振する信号発振器と、該
   信号発振器の出力信号の入力に応じて周波数を変化させ
   た基準信号を発振する基準信号発振器と、該基準信号と
   前記ビート信号を比較し両信号の位相差または周波数差
   に応じた第２の誤差信号を発生する比較器と、該第２の
   誤差信号の入力により前記参照レーザの発振周波数を前
   記基準信号発振器の出力周波数に追従させる第２の発振
   周波数制御回路とからなる参照レーザ発振周波数制御部
   と、 前記第２の光分岐手段による他の分岐光の入力により該
   分岐光の周波数と周波数基準との周波数差に応じた検出
   信号を発生する周波数差検出部と、該検出信号を前記信
   号発振器の出力信号に同期させて前記第１の誤差信号を
   発生する同期検波部とからなる誤差信号発生部とを備え
   た ことを特徴とするレーザ発振周波数安定化装置。
2. （２）所定の周波数近傍で発振するレーザの発振周波数
   を安定化するレーザ発振周波数安定化装置において、 第１の誤差信号の入力により前記レーザの発振周波数を
   所定の周波数基準に追従させる第１の発振周波数制御回
   路と、前記レーザの出力光を分岐する第１の光分岐手段
   とからなるレーザ発振周波数制御部と、 所定の周波数近傍で発振する参照レーザと、該参照レー
   ザの出力光を分岐する第２の光分岐手段と、該第２の光
   分岐手段による一の分岐光と前記第１の光分岐手段によ
   る一の分岐光を合波しビート信号を検出するビート信号
   検出部と、所定周期の信号を発振する信号発振器と、該
   信号発振器の出力信号の入力に応じて周波数を変化させ
   た基準信号を発振する基準信号発振器と、該基準信号と
   前記ビート信号を比較し両信号の位相差または周波数差
   に応じた第２の誤差信号を発生する比較器と、該第２の
   誤差信号の入力により前記参照レーザの発振周波数を前
   記基準信号発振器の出力周波数に追従させる第２の発振
   周波数制御回路とからなる参照レーザ発振周波数制御部
   と、 前記第１の光分岐手段の他の分岐光を分岐する第３の光
   分岐手段と、 前記第２の光分岐手段の他の分岐光の入力により発生す
   る飽和吸収スペクトルを周波数基準とし、該周波数基準
   と前記第３の光分岐手段の一の分岐光の周波数との周波
   数差に応じた検出信号を発生する周波数差検出部と、該
   検出信号を前記信号発振器の出力信号に同期させて前記
   第１の誤差信号を発生する周期検波部とからなる誤差信
   号発生部とを備えた ことを特徴とするレーザ発振周波数安定化装置。
3. （３）前記第１の光分岐手段の一の分岐光出力側と前記
   ビート信号検出部の当該一の分岐光入力側間に、第Ｎ高
   調波発生手段を配置した請求項（１）または請求項（２
   ）記載のレーザ発振周波数安定化装置。