JPH03241882A - レーザ発振波長安定化装置 - 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、光通信及び光計測における波長基準として用
いられるレーザ光の発振波長を、原子または気体分子の
共鳴吸収線の波長を基準として安定化するレーザ発振波
長安定化装置に関するものである。

（従来の技術） 第２図は、従来のレーザ発振波長安定化装置の構成国で
ある。

第２図において、１は所定の波長で発振する半導体レー
ザ、２はレンズ、３はビームスプリッタ、４は音響光学
変調器、５は光吸収性気体を封入したガラス管からなる
吸収セル、６は受光器、７はロックインアンプ、８は高
周波発振器、９はスイッチ、１０は低周波発振器、１１
はＰＩＤ制御回路である。

このような構成において、半導体レーザ１の片端面から
の出射光は、レンズ２により平行光とされ、ビームスプ
リッタ３を通過後、音響光学変調器４に入射される。こ
の入射光は音響光学変調器４において、高周波発振器８
による変調信号で周波数ｆ、ｎだけ周波数がシフトされ
る。その際、スイッチ９がオンのとき１改変調光Ｆが得
られ、オフのとき無変調光（ｒＪ次突変調光Ｚが得られ
る。

０改変調光Ｚと１改変調光Ｆは、両者とも吸収セル５を
通過して受光器８に到達し、ここで、充電変換される。

吸収セル５においては、そ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。こ
のとき、低周波変調器１０により、０改変調光Ｚと１改
変調光Ｆを周波数ｆ。で切り替えることによって、変調
周波数ｆ。で変調幅ｆ、／２の変調光が得られる。この
変調光が吸収セル５に入射され、受光器６で光電変換さ
れた信号は、ロックインアンプ７でロックイン検出され
る。

その出力は、０改変調光Ｚと１改変調光Ｆの平均周波数
（波長）と吸収セル５のピーク周波数（波長）との周波
数差に相当している。この誤差信号がＰＩＤ制御回路１
１を介してレーザの注入電流に帰還されることにより、
レーザの発振波長が安定化される。安定化された出力光
ＳＯがビムスプリッタ３の片面側から出力される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来の装置では、音響光学変調器４
の０改変調光Ｚ及び１改変調光Ｆの両方を数ｃｍの長さ
をもつ吸収セル５中を伝搬させ、同一の受光器６で受光
しなければならない。そのとき、１改変調光Ｆは０改変
調光Ｚに対しである角度をもった光となるため、受光器
６の受光面を大きくしなければ受光できないという問題
がある。

また、Ｏ改変調光Ｚと１改変調光Ｆの光強度が違うため
、受光面では周波数変調だけでなく強度変調も受けた光
となる。これは、前述した誤差信号に対して致命的な雑
音となり、レーザの安定性に悪影響を及ぼす。さらに、
音響光学変調器４の出力光は、０改変調光Ｚと１改変調
光Ｆだけでなく、２次、３次変調光等の高周波成分も出
力され、この成分も雑音となり安定なレーザ光が得られ
ない。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、光学系の安定性に優れた実用的なレーザ発振
波長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） 」二記目的を達成するため、本発明では、半導体レーザ
と、該半導体レーザからのレーザ光を周波数変調可能で
、変調光と無変調光とをそれぞれ異なるポートから出射
する光周波数変調手段と、該周波数変調光の所定の波長
の光のみを吸収する光吸収媒体と、該光吸収媒体の出力
光を検出する光検出手段とからなる光学系を備え、前記
半導体レーザを前記光吸収媒体の吸収波長に同期させて
発振させるレーザ発振波長安定化装置において、前記光
周波数変調手段から出射された変調光と無変調光との強
度が等しくなるように調整する強度調整手段と、等強度
の変調光と無変調光とを重ね合わせ、前記光吸収媒体に
入射させる光合波手段とを設けた。

（作　用） 本発明によれば、半導体レーザを出射した光は、光周波
数変調手段に入射される。光周波数変調手段に入射され
た光に対しては、所定の周波数変調が任意にかけられる
。光周波数変調手段からは、この周波数変調光及び無変
調光が、それぞれ異なるポートから出射される。

光周波数変調手段から出射された変調光と無変調光は、
強度変調手段にて互いの強度が等しくなるように調整さ
れる。強度が等しくなった変調光と無変調光は、光合波
手段で重ね合わせられた後光吸収媒体に入射される。

光吸収媒体に入射された光は、所定の波長を有する光の
み吸収され、その媒体の吸収波長のピーク値と入射光の
中心周波数との誤差が検出される。

この光吸収媒体から出射さ和た光は、光検出手段にて検
出され、この検出に伴う謂差信号に基づいて、半導体Ｌ
・−ザの発振波長を吸収波長に同期させることにより、
安定化された光出力が得られる。

（実施例） 第１図は、本発明に係るレーザ発振波長安定化装置の一
実施例を示す構成図である。

第１図において、１０１は半導体レーザモジュール（以
下、単に半導体レーザという）　、１０２は光分岐手段
としての先ファイバカップラ（以下、光カップラという
）　、１０３は音響光学変調器、１０４は光合波手段と
しての光カップラ、１０５は強度調整手段としての光可
変減衰器、１０Ｂはレンズ、１０７は吸収セル、１０８
は受光器、１０９は高周波発振器、１１０はスイッチ、
ｔｌｌは低周波発振器、１１２はロックインアンプ、１
１３はＰＩＤ制御回路、ＦＢ＋　、ＦＢ２　、ＦＢ３　
、ＦＢ４　、ＦＢ５　。

ＦＢ６は光ファイバである。

半導体レーザ１０２は、例えば波長１．５５００μｍで
発振するＩｎＧａＡｓＰ系の分布帰還型半導体レーザ（
ＤＦＢ型ＬＤ）から構成されている。また、光ファイバ
により出力が取り出せるように、光フアイバ用出力端子
（図示せず）を備えている。

光カップラ１０２は、半導体レーザ１０１と音響光学変
調器１０３間に挿入され、入力端が光ファイバＦＢ、を
介して半導体レーザ１０１の出力端子に、−の出力端が
光ファイバＦＢ２を介して音響光学変調器（０３の入力
端子にそれぞれ接続されており、半導体レーザ１０１の
出射光を２分岐し、他の出力端から光ファイバＦ　Ｂ　
３を介して当該装置の出力光ＳＯを出力する。

音響光学変調器１０３は、半導体レーザ１０１の出射光
に対して所定の周波数変調をかける。具体的には、高周
波発振器１０９による変調信号で周波数ｆＩｎだけ周波
数がシフトされる。その際、スイッチ１１０がオンのと
き１次変調光を得るとともに、オフのとき無変調光（０
次変調光）を得、１次変調光と０次変調光をそれぞれ異
なるポートから出射する。また、光ファイバによる入出
力が行えるように、光フアイバ用入出力端子・（図示せ
ず）を備えている。

先カップラ１０４は、二つの入力端子が光ファイバＦＢ
４．ＦＢ、を介して音響光学変調器１０３の１次変調光
及び０次変調光用の各ポートと、それぞれ接続され、入
射した１次変調光と０次変調光とを重ね合わせ、この光
を出力端子に接続された光ファイバＦＢ６、さらにレン
ズ１０６を介して吸収セル１０７に入射させる。

光可変減衰器１０５は、光ファイバＦＢ４に挿入され、
音響光学変調器１０３による０次変調光の強度を減衰さ
せることによって、先ファイバＦＢ。

を伝搬する１次変調光の強度と等しくなるように調整す
る。

レンズ１０６は、例えばセルフォックレンズ等から構成
され、光ファイバＦ　Ｂ　ｂを介して入射した光カップ
ラ１０４の出射光を平行光に変換して吸収セル１０７に
入射する。

吸収セル１０７は、例えばセル長が５ｃｍで、吸収気体
として同位体置換アセチレンガス（１３Ｃ２Ｈ２を１０
Ｔｏｒｒ封入した、１．５４９５μｍの吸収線（半値全
幅８００ＭＨｚ、吸収強度１０％）を有するセルから構
成されている。

また、第３図は、吸収セル１０７の入力光周波数に対す
る透過光強度特性を示すグラフであって、横軸が光周波
数（波長）を、縦軸が透過光強度をそれぞれ表している
。

受光器１０８は、吸収セル１０７の出力光を受光して電
気信号に変換し、この電気信号をロックインアンプ１１
２に出力する。

ロックインアンプ１１２は、受光器１０８による電気信
号を、低周波発振器１１１による低周波信号で同期検波
し、０次変調光と１次変調光の平均周波数（波長）と吸
収セル１０７のピーク周波数（波長）との差に応じた誤
差信号ＥＳをＰＩＤ制御回路１１３に出力する。

ＰＩＤ制御回路１１３は、ロックインアンプ１１２によ
る誤差信号ＥＳを入力し、半導体レーザ１０１の発振波
長を吸収線ピークに同期するよう、制御した注入電流を
半導体レーザ１０１に供給する。

次に、上記構成による動作を説明する。

まず、所定の波長（，１，５５００μｍ）で発振した半
導体レーザ１０１の出射光は、光ファイバＦＢ、を導波
後、光カップラ（０２に入射され、ここで２分岐される
。光カップラ１０２の−の分岐光は光ファイバＦＢ２を
導波後、音響光学変調器１０３に入射され、他の分岐光
は光ファイバＦＢ、を介して、当該装置の出力光ＳＯと
して出力される。

音響光学変調器１０３への入射光は、高周波発振器１０
９による変調信号で周波数ｆ、ｎだけ周波数がシフトさ
れる。その際、スイッチ１１０がオンのとき１次変調光
が得られ、オフのとき０次変調光（無変調光）が得られ
る。このようにして、得られた０次変調光は光ファイバ
ＦＢ４に導波され、一方、１次変調光は光ファイバＦＢ
５に導波される。

０次変調光は、光ファイバＦＢ４を介して光可変減衰器
１０５に入射され、ここで光ファイバＦＢ、に導波され
た１次変調光強度と等しくなるように減衰作用を受けた
後、光カップラ１０４に入射される。また、光カップラ
１０４へは光ファイバＦＢ、を介して１次変調光も入射
される。

光カップラ１０４では、強度が等しくなるように調整さ
れた０次変調光と１次変調光が重ね合わされ、このいわ
ゆる合波光が光ファイバＦＢ６に導波される。光ファイ
バＦＢ６を介した合波光は、次にレンズ１０６に入射さ
れ、ここで平行光に変換されて吸収セル１０７に入射さ
れる。

吸収セル１０７に入射した光は、ある特定の周波数にお
ける光吸収を生じさせる。このとき、吸収セル１０７を
透過した光強度は、第３図に示すような特性を示す。吸
収セル１０７の透過光は、受光器１０８にて受光され、
ここで充電変換され、電気信号がロックインアンプ１１
２に出力される。

この電気信号は、ロックインアンプ１１２にて同期検波
される。このとき、この電気信号は、音響光学変調器１
０３において微小量周波数変調されているので、吸収セ
ル１０７の吸収特性の一次微分形に相当する誤差信号Ｅ
Ｓが発生される。次に、この誤差信号ＥＳは、ＰＩＤ制
御回路１１３に入力される。

ＰＩＤ制御回路１１３は、入力した誤差信号ＥＳに基づ
き、半導体レーザ１０１への注入電流を制御する。これ
により、吸収セル１０７の吸収線ピークに半導体レーザ
１０１の発振波長が同期され、半導体レーザ１０１の発
振波長は、この波長に安定化される。

この波長安定光は、光カップラ１０２にて２分岐され、
先ファイバＦＢ、を介して当該装置の出力光ＳＯとして
出力される。

実際、第１図の構成において、半導体レーザｌｏｔの中
心発振波長の変動を、ＩＸｌＸｌｏ−５ｎ先周波数にし
てＩ　Ｍ　Ｈｚ　）以下に抑えることができた。

また、第１図の構成において、吸収セル１０７の周囲温
度を変化させることによって、吸収セル１０７の封入ガ
スの温度を変化させた。このとき、吸収セル１０７の半
値全幅は数十％変化したが、その中心周波数に関しては
測定精度１０ＭＨｚの範囲内で変化はみられなかった。

以上説明したように本実施例によれば、音響光学変調器
１０３から出射された１次変調光と０次変調光（無変調
光）のうち、強度の強い０次変調光を光可変減衰器１０
５で減衰させることにより、１次変調光と０次変調光の
強度を等しくなるように調整しながら、さらにこれらを
光カップラ１０８で重ね合わせた後、吸収セル１０７に
入射するように構成したので、誤差信号に対する雑音の
影響を抑止でき、安定な出力が得られる。また、受光器
１０８の受光面を大きくすることなく、０次、１次変調
光を的確に入射できることから、受光器１０８の小型化
を図れる利点がある。

なお、本実施例においては、吸収セル１０７への封入ガ
スとして同位体置換アセチレンガスを用いたが、これに
限定されるものではなく、通常のアセチレンガス、アン
モニアガス、メタンガス、二酸化炭素等を用いても、上
記したと同様の作用効果を得ることができる。

また、光周波数変調手段として音響光学変調器１０３を
用いたが、電気光学変調器等、他の構成の変調器を光フ
ァイバ人出力型にして用いることもできる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、光周波数変調手
段から出射された変調光と無変調光との強度が等しくな
るように調整する強度調整手段と、等強度の変調光と無
変調光とを重ね合わせ、光吸収媒体に入射させる光合波
手段とを設けたので、半導体レーザの発振波長を高精度
で所定の波長に同期させ、安定化することができる。ま
た、光検出手段の受光面を大きくすることなく、変調光
、無変調光を的確に入射することができ、光検出手段の
小型化を図れ、ひいては装置の小型化を図れる等の利点
がある。

また、本装置は、光学系の安定性に優れ、小型化を図れ
、また、光学系を全てファイバにて構成できるため、コ
ヒーレント光通信における波長標準光源や光計測におけ
る光源として利用できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザ発振波長安定化装置の第１
の実施例を示す構成図、第２図は従来のレーザ発振波長
安定化装置の構成図、第３図は本発明に係る吸収セルの
人出力特性図である。 図中、１０１・・・半導体レーザ、１０２　、１０４・
・・光フアイバカップラ、１０３・・・音響光学変調器
、１０５・・・光可変減衰器、１０７・・・光波長基準
用吸収セル、１０８・・・受光器、１１２・・・ロック
インアンプ、１１３・・・ＩＤ制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　半導体レーザと、該半導体レーザからのレーザ光を周
   波数変調可能で、変調光と無変調光とをそれぞれ異なる
   ポートから出射する光周波数変調手段と、該周波数変調
   光の所定の波長の光のみを吸収する光吸収媒体と、該光
   吸収媒体の出力光を検出する光検出手段とからなる光学
   系を備え、前記半導体レーザを前記光吸収媒体の吸収波
   長に同期させて発振させるレーザ発振波長安定化装置に
   おいて、 前記光周波数変調手段から出射された変調光と無変調光
   との強度が等しくなるように調整する強度調整手段と、 等強度の変調光と無変調光とを重ね合わせ、前記光吸収
   媒体に入射させる光合波手段とを設けたことを特徴とす
   るレーザ発振波長安定化装置。