JPH02280392A - 多重反射干渉器及びそれを用いた安定化レーザ光源 - 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〕 この発明は、コヒーレント光の光源となるレーザに係り
、半導体レーザを用いても、光フアイバ通信システム、
光フアイバセンサ、高分解能スペクトル分析器などに使
用するための、高い周波数安定度をもつレーザ光源を実
現可能とする技術に関する。とくに改良されたファプリ
イ・ペロー（Ｐａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）形干渉器（エタ
ロン）を用いて、注入電流を制御するようにしたレーザ
を提供するものである。

〔従来の技術〕

レーザとくに、半導体レーザの周波数安定化技術につい
ては、すでにいくつかの提案がある。

安定な周波数の基準として、ファプリー・ペロー（Ｆａ
ｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）干渉器を用いるもの、原子または
分子の吸収特性曲線を用いるものなどが知られており、
すでにＩＱ−１２に達する安定度が得られたという報告
もある。とりわけ、ファプリー・ペロー干渉計（Ｆ、Ｐ
、）は、最も簡便な、広範囲の波長基準として広く用い
られるところである。二つの反射鏡が用いられるこの干
渉計では、反射鏡の反射率が９０％を超えるという比較
的高い値であるために、この干渉器を照射する光源が干
渉を受けるという弊害があり、光源とくに半導体レーザ
の不安定発振の原因とされてきた。

このファプリー・ペロー干渉計（Ｆ、Ｐ、）からの光の
帰還を低減し、もしくは除去するための方法として、第
１図に示した方法が採用されてきた。

これらを略記すれば、　　（ａ）は干渉器（Ｆ、Ｐ、）
の光軸を傾けて、帰還光の進路をそらせるもの。この方
法では干渉器の精度を悪くし伝達されるスペクトルの幅
を広めてしまう。　（ｂ）は光学的アイソレータを用い
るものであって、ファラディ回転を用いたアイソレータ
で、３０ｄＢのアイソレーションがとれるものもあるが
、帰還光の完全な除去のためには、この高価な装置２個
を従属接続しなければならない、（Ｃ）はリング形の干
渉器で、光の帰還を著しく減殺できることが知られてい
るが、三つの鏡面のアラインメントを調整する作業がわ
ずられしいものとされている。　（ｄ）はガラス製の正
三角柱のプリズムを用いたもので、（ｃ）よりもわずら
れしさがない点に特徴があるとされている。

（Ｈ，Ｔｓｕｃｈｉｄａ　＆　Ｙ、Ｍｉｔｓｕｈａｓｈ
ｉ、　Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓｖｏ１．２７．１
５　Ｊａｎ、　１９８８）〔発明が解決しようとする課
題〕 周波数安定度のきわめて高い半導体レーザを実現するた
めに、この発明は従来用いられてきた多重反射形の干渉
器をさらに改良することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

周波数安定度の高いレーザ発振器に必要とされる多重反
射形の干渉器を実現するために、この発明では、 （１）光透過媒質１をはさんで、上下に二枚の反射鏡面
２，２°を設け、光の透過方向にこの反射鏡面を延在さ
せることにより、光は、上下の各鏡面を交互に反射しな
がら媒質中を進行し、透過するようにして、長い光路を
得るようにした。

また、光の入射面３と出射面４とは、それぞれ平行な二
面と斜めに交わるような反透鏡で作るようにした（第４
図）。

（２）光透過性媒質のほぼ正五角柱のプリズム状を呈す
る形状を用意し５、第１の側面６を入射面として半透鏡
とし、一つ置いた第３の側面７を出射面として半透鏡と
し、第２８、第４９及び第５１０の側面を実質的に完全
反射の鏡面とした（第５図）。

つぎに、この発明では、（３）として、前記（１）また
は（２）で実現した多重反射形の干渉器を用いて、レー
ザ発振器の駆動電源への制御系を実現した（第７図）。

〔作用〕

第２図は、ファプリー・ペロー形干渉器の基本構造の模
式図を示す。

この形のものは、光学の教科書に掲載されており、また
、第３図は、多重反射によって生ずる強度分布の周波数
（波長）特性の模式図をそれぞれ示す、透過光の強度Ｉ
ｔと入射光強度Ｉ。との間には δ＝　４πｎ　ｌ／λ。

の関係があり、δ＝　２πｍで最大値を生ずる。フィネ
スＦ＝πＪ″Ｒ／　（１−Ｒ）　　である。

ここで、ｎは光透過性媒質の屈折率、ｍは整数をそれぞ
れ示す。

第４図は、本発明の第１の実施例の原理を示す模式図で
、第２図の基本形と異なる点は入射面が入射光に対して
、直角ではな（、従って、反射光は、入射光の経路２異
なった経路を進行する。入射面から内部に導入された光
は破線で示した光路を進行する。第４図の多重反射干渉
器は、多重反射をさせるための完全反射面（反射係数Ｒ
＝１）が、上下に平行平板状に設けられている。平行平
板間の距離をｄ、その長さをｌとするときは、第２図の
多重反射形干渉器の光路長が２ｊ！であったのに対し、
第４図の多重反射形干渉器にあっては光路長が Ｌ＝２〔β贋石１７７ｐ ＋　１÷（２（Ｍ＋０．５）ｄ／ｊ！　）　”　）−・
〜・−・・−・−（１）となる。

ただし、Ｎは入射光の反射繰り返し数、Ｍは干渉針内部
の戻り光の反射繰り返し数である。

第４図の例では次の３つの特徴が理解できる。

（１）光路長を側壁（ト１）での反射回数を増加させる
ことにより、長くできる。従って、フリースベクトル・
レンジと、共振ピークの線幅を狭くでき、高分解姥の周
波数基準となる。

（２）干渉器内部の空間を有効に利用するので、小型の
ファブリベロー・エタロンを作製できる。

（３）入射光と反射光を分離でき、光源への戻り光の影
響を無くすことができる。

第５図は本発明の第２の実施例において、五角形の形状
を持つ場合の原理を示す模式図で、Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅ
を頂点とする、正五角形（各辺の長さｄ）のプリズムを
基本形とする。

入射光の入射面ＡＥ及び透過光の出射面ＣＤはそれぞれ
反射率がＲ（Ｒ≠１）であるが、他の面（ＡＢ、ＢＣ，
ＤＥ）はＲ’−１の鏡面であり、その内部で光を完全に
反射する。

入射光として実線で示したもののプリズム内の経路も実
線で示したような星芒形となる。

透過光の強度は、第１図の例と同様に、Ｉｔ　／　Ｉ。

”　（１−Ｒ１）寞／　（（１−Ｒ）”＋４Ｒｓｉｎ”
（δ／２）　）　−−−−＝−（２）δ＝　１０ｘ　ｎ
ｄ（１＋ｃｏｓ７２”　）／λ・となる。

また光路長しフリースベクトルレンジΔνＦａｌｌ及び
フィネスＦは次式のようになる。

Ｌ　＝　５ｎｄ　（１＋　ｃｏｓ７２°＞　　−−−−
−−−−−−−−（３）Δｖ　ｙｓ＋＋　＝　Ｃｏ１５
ｎｄ（１＋ｃｏｓ７２　ｍ）　　・−−−−−−−−−
−−−（４）Ｆ　＝　Ｋ　　／’Ｔ／（ｔ−Ｒ）−−−
−−−−−−−−−−−−−一・・・−・−（５）もし
、入射光の位置を少しずらすと、第５図に示す様に長破
線と短波線の経路が干渉器内に生じ、その結果透過光を
２本の光ビームを発生させることもでき、この２本の透
過光の強度１ｙ　／　Ｉｏ、フリースベクトルレンジΔ
νＦ□、フィネスＦは各々（２）、（４）、（５）式で
与えられる値と同じである。この第５図の場合も入射光
と反射光を分′離でき、また干渉器内の、空間の有効な
利用により、第２図の基本的構造のファプリー・ベロー
干渉計より（３）式による光路長が長くなるので、第４
図の多重反射形干渉器で得られる特徴と、同じ特徴を備
えていることになる。

〔実施例〕

多重反射干渉器としては第４図に示したように光透過媒
質をはさんで、上下二板の反射鏡面を備えたものと、第
５図に示したように、はぼ正五角柱のプリズム状を呈し
、完全反射面を３つ配したものとがある。それぞれは光
学用ガラスに整形、研磨などの加工を施して、平行度あ
るいは角度が正確に得られるようにする０課題を解決す
るための手段の項で説明したように、入射面と出射面は
別として、所定の面に完全反射鏡を作るために、金属の
薄膜を、真空蒸着など既存の手法で、作成する。

なお、第２の実施例（第５図）の例では、第５図に示し
たように、五角柱プリズム内では光は実線又は破線で示
したような星芒形の光路を作る。

プリズムが正しい五角柱であれば、この光路は一平面上
にあるから、光路は交差している。この交差する光が、
プリズムの材質がもつ非線形特性によって、いたずらな
干渉作用を生じないようにするために、たとえば、第２
の面１０と第５の面９とを、五角形の中心軸に対して平
行でなくなるように、わずかずつ、相互に反対になるよ
うに傾けるとよい、こうすることによって、第５図の紙
面の上から見た光路は第５図と変わらない状態で投影図
ができるが、星芒形の光路は、互いに交差しないものが
作り上げられる。はぼ正五角柱のプリズムのほぼとは、
このような、わずかな（頃きをもつ五角柱を意味してい
る。

第６図に、従来技術の　（ｄ）項で述べた正三角柱の形
状を持つ場合と、正五角・上角・九角の形状を持つ本発
明の第２項に属する多重反射形干渉器の角数による干渉
特性の変化を示す。

この図で明らかなように、角数により光路長が増大し、
その結果フリースベクトルレンジは従来の三角形状に比
べて約１ノ３以下の幅となり高分解能が得られている。

また入射光と反射光の分離角は角数が増すに従い減少す
るが、九角の場合でも３０°以上の分離角を持ち、実用
上問題はない、しかも、５，７．９の角数の場合は、従
来技術の３に比して、著しく、性能が高められている。

第７図に、本発明の多重反射器の干渉器（第４図及び第
５図に例示）を使った半導体レーザの周波数安定化の一
実施例を示す。

レーザ光源として半導体レーザ８を使用して、その出力
レーザ光をビームスプリッタ１２で一定の強度比率で２
つの光に分ける。一方の光は光電変換素子ＡＩ３に直接
入射させ、他方の光を多重反射形干渉器９に入射させ、
その干渉信号を光電変換素子ＢＩＯで検知する。

第８図に、光電変換素子Ａ１３．Ｂ１０の光波長を掃引
した時の各々の出力信号を示す。

この場合、光電変換素子ＢＩＯの多重反射形干渉器９の
干渉ピーク曲線内に光波長が存在するときには、Ａ−Ｂ
の出力値は、Ａの出力値に対応する光波長からの半導体
レーザ８の出力波長のズレとして取り扱うことができ、
従って光電変換素子Ａ１３、ＢＩＯの信号を差動アンプ
１４に入力し、半導体レーザ駆動電流源１５へその差動
アンプからの出力を入力し、この差動アンプ１４の出力
を０にするように半導体レーザへの注入電流を調整する
ことにより、半導体レーザの出力波長を、多重反射形干
渉器９の干渉特性曲線上の一点に対応する光波長に、半
導体レーザ８の出力光波長を高精度に安定化することが
でき、高安定な安定化光源を得ることができた。

また、上述の安定化手法は、基準光強度（光電変換器へ
の出力）による波長変動をモニターする手法であるが、
他の手法、例えば同−出願人等による（特願昭６３−２
４８２５０号）「波長安定化光源」記載の各種安定化手
法による安定化光源も作成できる。

〔発明の効果〕

以上、述べたように本発明に係る多重反射形干渉器及び
それを用いた安定化レーザ光源は、従来形の干渉器及び
それを用いた安定化光源に比べて以下に示す固有の効果
を有する。

（１）多重反射により、実質的な光路長を長くすること
ができ、その結果フリースベクトルレンジと干渉ピーク
の線幅を狭くでき、高精度の光波長基準となる。

（２）共振器内部の空間を有効に利用するので、小型の
干渉器を作製できる。

（３）干渉ピークの線幅が狭く、波長制御信号の高いＳ
／Ｎが得られるため、安定化光源の波長基準として用い
ることにより、光波長を高精度に安定化する安定化光源
を得ることができる。

（４）入射光と反射光を空間的に分離することができ、
光源への戻り光の影響を無くすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は干渉器からの戻り光低減手法例を示す図、第２
図は従来形干渉計構造模式図、第３図は従来形干渉特性
の模式図、第４図は本発明（第１発明）の多重反射形干
渉器の原理を示す図、第５図は本発明（第２発明）の多
重反射形干渉器の原理を示す図、第６図は多角形状を持
つ多重反射形干渉器の干渉特性の角数依存性を示す図、
第７図は本発明の多重反射干渉器を波長基準として使用
した安定化光源の一実施例を示す図、第８図は第６図の
安定化光源の動作原理を示す図である。 図中、ｌと５は光透過性媒質、２と２°は完全反射鏡面
、３と６は光入射面用半透面、４と７は光透過面用半透
面、 ８は半導体レーザ、 は本発明 の多重反射干渉器、 ｌＯと１３は光電変換器、 １２はビ ームスプリ ツタをそれぞれ示す。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光透過性媒質（１）をはさんで延在し、該媒質中
   を進行する光を交互に反射する平行平板状の２枚の反射
   鏡（２、２′）と、前記２板の反射鏡に対して斜めに交
   わる角度に配置され、入射光を第１の反射鏡に導くため
   の第１の反透鏡（３）と、前記２板の反射鏡に対して斜
   めに交わる角度に配置され、第１又は第２の反射鏡から
   の反射光を該媒質の外へ導くための第２の半透鏡（４）
   とから成ることを特徴とする多重反射干渉器。
2. （２）５以上の奇数の角を持つほぼ正多角柱の形状を有
   する光透過性媒質（５）で成り、角柱の任意の２つの側
   面のうち、第１側面は入射光を該媒質内部に導く半透鏡
   面（６）を有し、第２側面は該媒質内部を透過して到来
   した光を該媒質外部に導く半透面（７）を有し、その他
   の側面は該媒質内部を透過して到来した光の反射鏡面を
   有することを特徴とする多重反射干渉器。
3. （３）レーザ光源（８）と、該レーザ光源の出射光を受
   けて、干渉信号を出力する多重反射干渉器（９）と、該
   多重反射干渉器からの干渉信号を受ける光電変換器（１
   ０）と、該光電変換器の出力信号に応じて前記レーザ光
   源からの出力光の波長を、該多重反射干渉器の干渉特性
   ピーク曲線の１点に一致せしめるように、該レーザ光源
   を制御する光波長制御回路（１１）とを備えて成る安定
   化光源において、前記多重反射干渉器が請求項１又は請
   求項２記載の多重反射干渉器であることを特徴とする安
   定化レーザ光源。