JPH0346838A - 絶対周波数基準に独自に同期されたソースを持つ光波通信システム - 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】 ＶＬ＠方〜野 本発明は光波通信システム、より詳細には、このシステ
ム内で使用するための波扶或は周波数安定化技術に関す
る。

１肌夏亘遣 コヒーレント光波通信システムは、光ファイバの損失最
小（ｉｏｓｓ　ｃｉｎｉｍａ　）を活用するためＩＵ−
Ｖ族生導体レーザーを使用した１　２μｍがら１．６μ
ｍの長波長リジームにて現在でも引き続いて設計されて
いる。このようなシステムの二つの大きな利点は、はぼ
理想的な受信機感度及び向トされた周波数選択性にある
。

コヒーレント光波通信シスデム用途においては光源の波
長（周波数）安定性に関して適当に接Ｕ１シ。

た公差を保持することか必要である。（”波長パど”周
波数”との間の数学的関係から、ここではこれら用語は
一般性を失うことなく互換的に使用される。）換言すれ
ば、送信機の光源と受信機のローかル発振器の光源とか
一つの共通の波長、或はおπいから一定の波長オフセッ
トを持つ二つの別個の波長に同期されなけばならない。

不幸にして、半導体レーザーは接合温度及び注入電流の
変動に起因１ノでかなり大きな周波数変動を示し、この
ため、これらを送信機の光源、受信機のローカル発振器
、システム周波数基準、或は基準クロックとして使用す
るためには、この半導体レーザーの波長を安定化及び制
御するための複雑な周波数コントロール或は補償ループ
を加えることか要求される。

半導体レーザーに対する周波数安定化技術に関しては、
千年ぐらい前から技術文献において広範に渡って議論さ
れている。議論されている技術の範囲は非常に広く、フ
ァブリ　ベロ干渉計及び原子或は分子遷移ラインの基準
としての使用まで含まれるか、殆どの報告は、０．８μ
ｍの付近で動作するＡｌＧａＡｓレーザーを伴う短波長
領域に限定される。これに関しては、例えば、Ｃ，Ｊ、
ニールセン（Ｃ，Ｊ。

Ｎ１ｅｌｓｅｎ　）らによって、Ｊ、Ｏｔ、Ｃｏｍｍｕ
ｎＶｏｌ、４．ベージ１２２−５　＜１９８３年）にｕ
Ａ４！！のファブリ　ベロ干渉計の使用について扱−′
）論文：Ｓ、ヤマク手（Ｓ、Ｙａｍａ）８ｕｃ旧）らに
よ−１て、１ＥＥＥ　　Ｊ、クラオンタム　−＝”１．
−１．−り−上〜ワーン（Ｉｌ’１ＦＩｊＪ、Ｑｕａｎ
ｔｕｍ　ｆＥｌｃｃｔ、ｒｎｎ　＞　、　Ｖｃ　ｌ　　
ＱＥ　−３９ベージ１５１４（１９８３年）に１８・区
の原子遷移ラインの使用に関する論文、及びＨ，ツチタ
（１１Ｔｓｕｅｈｉｄａ）らのＬ上ｎ−、−、Ｊ−Ａｒ
−、、ｐ　−１、−Ｐ　、ｕ、、ｇ、−ｖＶｏｌ、２１
．ベージＬｌ−Ｌ二’３　（１９８２）に掲載の分子遷
移ラインの使用に関する論文を参照すること。

ファブリ　ベロ干渉計技術は、共振空胴の変動に起因す
る長期的ドリフト（ｌｏｒ＋＋ｇ　ｔｅｒｍ　ｄｒｉｆ
ｔ−ｓ）に弱い。長期安定性は原子或は分子遷移ライン
を使１を目−ることによって確保できる６後渚のアプロ
ーチては、原子遷移ラインの方か分子遷移ラインより好
ましい、原子スペクトルは、比較的少数の十分に離れた
、従って、簡単に同定が可能な強いラインを提供する。

一方、分子遷移ラインのスペクトルは複雑で弱く、この
ために、基準として非常に長い吸収セルを必要とする。

１．２ｇｍ以上で動作するより長い波長の半導体レーザ
ーの半導体レーザー周波数安定化に関しての実験の報告
は非常に少ない。これらソースは、通常、ｍ−ｖ族材料
、例えばＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐ／　Ｉ　ｎ　Ｐをベースと
する。報告されている実験は、全て１分子遷移ラインを
基準として使用する。一つの実験においては、アンモニ
ア（ＮＨ：ｌ）分子の吸収ラインがＩｎＧａＡｓＰ分散
フィードバック　レーザーの周波数を安定化するために
使用される。これに関しては、Ｔ、ヤマグチ（Ｔ、Ｙａ
ｎａｇａｗａ　）らによって、Ａ１、Ｐｈ　　ｓ、Ｌｅ
ｔｔｌ、　Ｖｏｌ、　４７．ベージ１０３６−８　（１
９８５年）に掲載の論文を参照すること。もう一つの実
験においては、Ｉ　ｎＧａＡｓＰレーザーを周波数ロッ
クするためにフッ化水素分子（ＨＦ）のファースト　オ
ーバートーン振動一回転ライン（ｆｉｒｓｔ　ｏｖｅｒ
ｔｏｎｅ　　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ−ｒｏｔａｔｉｏｎｌ
ｉ口ｅｓ）が使用される。これに関しては、Ｓ、ヤマグ
チ（Ｓ、Ｙａｓａｇｕｃｈｉ　）らのＡ１．Ｐｈｓ。

Ｌｅｔｔ、、Ｖｏｌ、４１．ベージ１０３４−６（１９
８２年）に掲載の論文を参照すること。もつ一つの実験
においては、水蒸気（Ｈ２０）分子及びアンモニア分子
の吸収ラインが汚染ガス監視のためのスペクトル測定に
使用される。これに関しては、Ｍ、オオッ（Ｍ、０ｈｔ
ｓｕ　）らによるＪｎ、Ｊ、Ａｌ１、Ｐｈ　　ｓ、、Ｖ
ｏｌ、２２．ベージ１５５３−７　（１９８３年）に掲
載の論文を参照すること。

長波長領域に関しての報告は１分子遷移ラインの使用に
のみ限定されることは注目すべきことである。これは、
明らかに、基底状態から放射されるこの波長領域におけ
る有効な原子遷移を発見することか困難であるという多
くの報告、或は成功例か報告されてないという事実によ
る。短な波長のＡｌＧａＡｓ半導体レーザーを安定化す
るために励起された原子状態からの遷移に対応するオプ
トガルバニック（ｏｐｔｏｇａｌｖａｎｉｃ）信号を使
用することは周知である。これに関しては、Ｓ、ヤマグ
チらのＩ　ＥＥＥＪ、　　ｕａｎｔｕｍ　　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ、、Ｖ。

１、ＱＥ−１９，１５１４−９（１９８３年）に掲載の
クリプトンのオプトガルバニック効果に関しての論文を
参照すること。

不幸にして、オプトガルバニック効果を長い波長の半導
体レーザーに対する周波数安定化技術に利用することの
試みは、この分野における著名な専門家か１９８２年に
長い波長の半導体レーザー（ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ）
からの出力パワーは、放電チューブ内にインピータンス
変化を生成するのに十分でないと報告した時点から重大
な疑いを掛けられることとなった。オプトガルバニック
効果は、その放電内に存在する種の非イオン化遷移と対
応する波長の光学（レーザー）照射によるガス放電の大
きなインピータンス変化に関与するため、この専門家は
オプトガルバニック信号は、少なくとも、長い波長のレ
ーザーに対しては、検出か困難であると結論した。

これに関しては、Ｓ、ヤマグチらのＡ　　　１．Ｐｈｓ
、Ｌｅｔｔ、、Ｖｏｌ、４１．ベージ１３０４（１９８
２年）に掲載の論文を参照すること。ヤマグチ（Ｙａ装
ａｇｕｃｈｉ　）らによって、短波長に対して発展およ
び改良された周波数安定化のためのオプトガルバニック
信号技術の拡張についての過去２０年に渡る研究が発表
されなかったのは、長波長でのこの技術の失敗を予測す
るこの専門家の発表か他の研究者に戸惑いを与えたため
だと推測される。

光波通信システムに応用される場合は、送信機内の半導
体レーサーを安定化させるためには絶対周波数基準が示
唆されており、一方、フィードバック制御回路を介して
の周波数（ＩＦ）安定化は受信機のローカル発信機を実
質的に送信機周波数（つまり。

その送信機の周波数あるいはこれから少しオフセットさ
れた周波数）にロックするために使用されている。周知
のコヒーレント光波通信システムにおいては、送信機ソ
ースに対する安定化方法と無関係に、受信機のところで
ＩＦトラッキング及び修正回路が各の受信機のローカル
発信機を送信機ソースの周波数と同期するように安定化
するために引き続き使用されている。これに関しては、
例えば、絶対安定化か送信機レーザーのところで使用さ
れ、受信機ローカル発信機レーザーに対してはＩＦロッ
キング　フィードバック制御回路が使用されるＹ、ヤマ
モト（Ｙ、Ｙａｓａｎｏｔｏ）らによってＩＥＥＥ　　
Ｊ、ｏｆ　　　ｕａｎｔｕｍ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ、Ｖｏｌ、ＱＥ−１７，Ｎｏ、６．ベージ９１９−９
３５，９２３　（１９８１年）に掲載の論文を参照する
こと。

１眠Ω１旦 光波通信システム内における半導体レーザーの精密て瞬
時の安定化か各が別個のレーザーを持つフィードバック
制御ループ内のオプトガルバニック効果を介して動作す
る絶対周波数基準要素を採用することによって自律的お
よびローカル的に達成される。

絶対周波数基？ｆ！要素は原子遷移ラインを示し、例え
ば、アルゴン（１，２ｇｍから１．４ｐｍ）およびクリ
プトン（１，４ｇｍから１．６ｇｍ）等の貴ガスを含む
ガス放電チューブ内に実現される。他の絶対周波数基準
要素は、アンモニア、水蒸気、フッ化水素等からの分子
遷移ラインを示す。標準の同期検出およびフィードバッ
ク制御技術か正しい絶対周波数安定化を確保するために
使用される。

本発明は本発明の一例としての実施態様の以下の説明を
図面とともに読むことによって一層理解できるものであ
る。

１１巳口ｉ明 コヒーレント光波通信システムは使用される受信のタイ
プ、つまり、ヘテロタイン受信か或はホモダイン受信か
によって少なくとも二つの範鴫に分けることかできる。

ヘテロダイン受信は入り光波信号を異なる周波数の局所
的に生成された光波信号と混合するコヒーレント受信機
を使用する。信号の混合は、中間周波数（ｉｎｔｅｒ＋
５ｅｄｉａｔｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ、ＩＦ　）、つま
り、入り光波信号と局所的に生成された光波信号の間の
周波数、つまり、ビート周波数の新しい信号を生成する
。ホモダイン受信においては、コヒーレント受信機は入
り光波信号を実質的に同一の周波数を持つ局所的に生成
された光波信号と結合する。

これはゼロ　ビート受信として知られている。

ヘテロダイニング或はホモダイニングのいずれの場合も
１元の入り光波信号上に存在する情報かＩＦ或はベース
バントに翻訳される。この翻訳された信号か標準の電気
復調技術を使用して復調される。

ホモダイニングの場合は、この復調された信号は、直接
にベースバンドの所に現われることに注意する。

コヒーレント　システムは入り光波信号の位相及び周波
数情報か混合プロセスを通じて保持されるために変調フ
ォーマットと検出技術の多くの組み合わせを提供する。

第１図は、−例としてのコヒーレント光波通信システム
な略ブロック図にて示す、データ１０１が送信機１００
に光波信号１０２の変調及び伝送のために送られる。光
波信号１０２は伝送媒体３００を通′して光波受信機２
００に送られる。受信された光波信号はミキサー２０９
内において局所的に生成された信号と混合され、これに
よって、ＩＦ倍信号生成され、これが出力データ２１４
を抽出するために処理される。

第１図に示されるシステム内においては、送信機及び受
信機の各々は原始或は分子遷移ラインによってオプトガ
ルバニック効果デバイス及びフィードバック制御回路を
使用して提供される絶対周波数標準に独立してロックさ
れる。これはシステム内の全てのレーザーか最初に自律
的に同一のレージング波長にロックされることを確保す
る。結果として、このシステムは送信機レーザーと受信
機局所発振器レーザーの周波数を同期するための手操作
による調箇無しに通信を開始できる。つまり、このシス
テムは、゛コールドスタート（ｃｏｌｄ　５ｔａｒｔ）
　”能力を持つ。

これに加えて、当業者においては、このシステムは、全
ての先行技術によるヘテロダイン／ホモダイン検出光波
通信システムによって送＠機及びローカル発振器のレー
ザー周波数をマツチングするために要求されたＩＦロッ
キング回路を必要としないことか明らかである。

オプトガルバニック効果か吸収のいずれかを使用して、
貴ガスはレーザー周波数をロックするのに使用できる非
常に優れた基準ソースを提供する。アルゴン、クリプト
ン、ネオン及びキセノン　ガスによってカバーされるス
ペクトル　レンジは０．８ｇｍから１．６ｇｍに渡る多
くの遷移ラインを持ち、これらは、多くの半導体レーザ
ー、そして、特に、ｍ−Ｖ族をベースとするレーザーに
適する。アンモニア、フッ化水素、水蒸気などの分子か
らの多くの分子遷移ラインも、レーザーを特定の周波数
に周波数ロッキングするための絶対周波数標準として使
用すること力ｔできる。但し、原子遷移ラインの方が、
般的には、分子遷移ラインよりも、最も有効な原子遷移
ライン（≧１０００　　ＧＨｚ）の間の周波数分離が半
導体レーザーのチューニング　レンジを適当に越えるた
めに好ましい。

第１図に示されるように、このシステムは伝送媒体３０
０を通じて受信機２００に接続された送信機１００を含
む。この送信機及び受信機は、ガス放電要素内のガス種
によって提供される絶対周波数標準に独立的に同期され
た各々のレーザー　ソースを含む。第１図に示される光
波通信システムは極端に単純化された形式にて示される
か、当業者においては、以下に説明される本発明の原理
は、複数の送信機及び受信機を持つ光波通信システム、
例えば、ＷＤＭ網等にも拡張できることは、当然理解で
きるものである。

第１図に示されるように、送信機１００は入力ターミナ
ル１０１に供給される高速データ信号に応答し、結果と
して、出力ボートエ０３の所に変調された光学出力信号
１０２を生成する。変調された光学出力信号１０２は、
次に、伝送媒体３００を通じて伝送される７第１図に示
される一例としてのシステムは、レーザーがデータによ
って直接に変調される直接変調システムとして説明され
るが、例えば、外部変調を使用する間接変調もこの絶対
周波数安定化に影響を与えることなく送信機内において
使用することか出来る。

送信機１００は半導体レーザー１０４、ガス放電要素１
０５及びオプトガルバニック制御回路１０６を含む。レ
ージング状態にバイアスされると、レーザー１０４は光
ルミネセンス波長入、として一般的に知られる特性波長
の光学信号１０７を放射する。

この信号は、ガス放電要素１０５を実質的に強度が低下
されることなく通過し、信号１０２として出現する。レ
ーザーからの光学信号１０７に応答して、ガス放電要素
１０５はオプトガルバニック効果を介してリート１０Ｂ
上に電気信号を生成する。この電気信号は、オプトガル
バニック制御回路１０６に供給される。オプトガルバニ
ック制御回路１０６はこの電気信号を処理し、これによ
って、リート１０９を介してレーザー１０４の波長をガ
ス放電要素１０５内のガス種の原子或は分子遷移ライン
によってセットされる絶対周波数基準にマツチするよう
に制御する。ガス放電要素及びオプトガルバニック制御
回路の動作に関する詳細は以下に第２図から第６図との
関連で説明される。

送信機１００からの光学信号を受＠＠２００の入力に接
続する伝送媒体３００は、通常、送信機と受信機の間の
光学信号の伝播を支えるための当公費において周知のあ
る長さの光ファイバあるいは光学スター結合器と光ファ
イバとの組み合わせから成る。

受信機２００はローカル発振器、ミキサー及び受信され
た光波信号からデータ信号を抽出するための追加の処理
要素を含む。受信された光波信号は、伝送媒体３００か
らミキサー２０９の一つの入力ボートに向けられる。ロ
ーカル発振器からの基準信号は、経路２０８を介してミ
キサー２０９の他方の入力ボートに向けられる。経路２
０８は自由空間経路並びに任意のガイドされた形式の光
波伝送媒体を含む。ミキサー２０９内において、受信さ
れた光波信号が基準信号と結合され自由空間並びに任意
のガイドされた形式の伝送媒体を含む経路２１０上のミ
キサー出力信号か生成される。

ローカル発振器はレーザー２０１、ガス放電要素２０３
及び第１図に示されるように接続されたオプトガルバニ
ック制御回路２０４を含む。このため、ローカル発振器
は、送信機１００として示される構成の組み合わせ及び
機能を二重にする。先行技術によるローカル発振器及び
関連する安定化回路とは対比的に、本発明によるローカ
ル発振器は、送信機信号を受信しこの信号を使用切てロ
ーカル発振器の周波数をロッキングすることの必要性を
排除する。

コヒーレント　ホモダイン受信では、レーザー１０４及
び２０１を実質的に同一の光ミネセンスを持つように安
定化することが要求される。一方、コヒーレント　ヘテ
ロダイン受信においては、ヘテロダイニングに必要な二
つの異なる周波数の原子或は分子遷移ラインを持つ種を
選択することか要求される。別の方法としては、同一の
原子或は分子遷移ラインを送信機及び受信機の所で使用
し、この送信機及びローカル発振器のレーザーを独立し
て周波数安定化することも出来る。後者の例においては
、レーザー間のオフセット燗波数は、（下に説明の例に
おけるＦＳＸのような）特定の変調フォーマットを使用
することによって、或は遷移ラインにスターク効果（Ｓ
ｔａｒｋ　ｅｆｆｅｃｔ）或はジ−マン効果（Ｚｅｅｍ
ａｎ　　ｅ　ｆｆｅｃｔ）を加えることによってローカ
ル発振器をオフセット　ロッキングすることによって達
成される。

スターク効果を使用した場合は、結果として、外部的に
加えられた電場に応答して該当する遷移ラインの要求さ
れる周波数シフトか起こり、一方、ジ−マン効果を使用
した場合は、結果として、外部的に加えられた磁場に応
答して該当する遷移ラインの要求される周波数シフトが
起こる。ヘテロダイン及びホモダインの両者の動作、及
びこの動作を可能とする実施態様か以下に考察される。

受信機のローカル発振器の動作の詳細は以下の通りであ
る。レージンタ状態にバイアスされると、レーザー２０
１は光ルミネセンス波長として知られる特性波長の光学
信号２０２を放射する。この信号か実質的に強度が低下
されることなくガス放電要素２０３内を通過して信号２
０７として出現する。光学信号２０２に応答して、ガス
放電要素２０３はオプトガルバニック効果を介してリー
ト２０５上に電気信号を生成する。この電気信号は、オ
プトガルバニック制御回路２０４に供給される。オプト
ガルバニック制御回路２０４はこの電気信号を処理し、
これによって、レーザー２０１の波長をリート２０６を
介して、ガス放電要素２０３内のガス種の原子或は分子
遷移ラインによってセットされる絶対周波数基準にマツ
チするように制御する。前述のごとく、このガス放電要
素及びオプトガルバニック制御回路の動作に関しての詳
細は、後に第２図から第６図との関連で説明される。

ミキサー出力信号の処理は以下のように遂行される。光
検出器２１１（例えば、ＩｎＧａＡｓ　　ＰＩＮダイオ
ード）は、経路２１０Ｌの光学信号を電気信号に変換す
る。光検出器からの電気信号は、次に、増幅器２１２に
よって増幅され、その後、復調される。第１図に示され
るバンドパスフィルター２１３は、ＦＳＸ変調された信
号のコヒーレント　ヘテロタイン受信の場合の特定の例
に対するものである。この例か以下により詳細に説明さ
れる。

現昨点においては、実用コヒーレント光波通信システム
はコヒーレント　ヘテロダイン受信を採用するワイド偏
差ＦＳＸシステムである。このシステムは比較的大きな
ライン幅のレーザー動作を提供でき、他方において、デ
ータによる送信機レーザーソースの直接の変調を可能と
する。より具体的には、二進データかレーザー出力信号
を二進の１に対する゛マークパ周波数と二進のゼロに対
する“スペース′°周波数との間で変調する。この“マ
ーク”周波数と“スペース”周波数との間の周波数差（
Δｆ）は、通常、任意のレーザー　ライン幅とデータ　
ピット速度に対して最適化される。これに関しては１例
えば、フオスチニ（Ｆｏｓｃｈｉ口ｉ）らのＩＥＥＥト
ラン　クション　オン　コζニュ　−ション（ＩＥＥＥ
　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　　ｏｎ　　Ｃｏｍｍｕｎ
ｉｃａｔｉｏｎｓ）、　　Ｖ　ｏ　　１３６、ベージ３
０６−３１４　（１９８８）に掲載の論文を参照するこ
と。送信機レーザーの“マーク″周波数或は“スペース
”周波数のいずれかが絶対周波数標準にロックされる。

周波数ロック、ＦＳＫ変調送信機レーザーからの受信信
号は、同一の周波数標準にロックされたローカル発振器
信号とミックスされる。この結果としての信号は、ベー
スバンドの変調された光波信号の全く同一の複製である
。つまり、′スペース”データかＯＨｚの所に現われ、
“マーク”データかΔｆＨｚに等しい周波数の所に現わ
れる。ミキサー出力信号の光検出に続いて、この信号の
“スペース“部分を除去してＦＳＫ信号をＡＳＫ信号に
変換するために、“マーク″周波数Δｆ　　Ｈｚを中心
とするバスバンドを持つ単純なバンドパス　フィルター
を使用して復調か行なわれる。包結線検出器（図示無し
）によって復調か完結される。

実験例においては、５０ＭｂｐｓのＮＲＺ疑似ランダム
　データか直接に公称上１．５ｐｍにて動作する可調２
セクション多重量子井戸ＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ分散ブラッ
グ反射器レーザーを変調するのに使用された。レーザー
がそれぞれ約１０３ｍＡ及び５ｍＡの電流を持つ利得セ
クション及びブラッグ　セクションを使用して大雑把に
チューニングされた。

“スペース”周波数と“マーク”周波数との間の周波数
差が約Δｆ＝２ＧＨｚにセットされた。独立したクリプ
トンを満たされた中空陰極ランプからのオプトガルバニ
ック効果を用いて、送信機レーザー及び受信機ローカル
発振器レーザー（及び公称上１゜５ｐｍにて動作する可
調２セクション多重量子井戸ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ分
散ブラッグ反射器レーザー）が”スペース”に対する１
、５２２４１Ｌｍのにｒ　２　ｐ　ａ　　３　ｄ　ｓに
周波数ロックされた。受信機ローカル発振器レーザーが
９３ｍＡ（利得セクション）及び２７ｍＡ（ブラッグ　
セクション）の電流にて粗くチューニングすることによ
って送信機レーザーと同一の遷移ラインに独立的にロッ
クされた。

１．３ＧＨｚの３ｄＢバンド幅の“マーク”周波数（２
ＧＨｚ）を中心とするミキサー出力信号はＦＳに゛マー
ク”信号をＡＳにに変換する。復調が包結線検出器きに
よって完結される。

このシステム内に使用されるレーザーはレーザ安定化技
術において周知の温度チューニング要素を使用してもチ
ューニングされたことに注意する。一般的に、粗いチュ
ーニングは１ＯＧＨｚ／’Ｃ以上の変動を扱うことがで
きる温度チューニングによって達成され、細かなチュー
ニングはＧ　Ｈｚ　／　ｍ　Ａのオーダーの変動を扱う
ことができる電流注入によって達成される。

ここに説明されるように、本発明の原理に従って展開さ
れる全てのシステムは、送信機レーザー及びローカル発
振器レーザーを周波数同期させるためにＩＦロッキング
　フィードバック制御回路を使用することを回避する。

これは特に、通常、パワー分割器、延遅ライン、ミキサ
ー及びワイドバンド増幅器を含むこの制御回路のコスト
及び煩雑さを考えると重要である。さらに１周波数取得
システムが完全に排除される。

第２図の構成は、第１図内の送信機レーザー１０４及び
ローカル発振器レーザー２０１に対する周波数安定化装
置についてより詳細に示すことを意図する。第２図は長
い波長の半導体レーザーに対する周波数安定化装置の一
つの実施態様をブロック図にて示す、用語“長波半導体
レーザー”は、１．２ｐｍ以上の波長領域にて動作する
半導体レーザーを指す、この波長領域においては、Ｉｎ
ＧａＡｓＰ複合体から誘導されたｍ−ｖ族生導体材料が
ここに定義されるような長波レーザーを製造するのに適
当である。

第２図に示されるように、レーザー１０は光学信号１１
を生成するが、これがレンズ１２によってガス放電ラン
プ１４上に集められる。光学信号１３はガス放電ランプ
１４に入射され、ガス放電ランプからリート２５上にオ
プトガルバニック信号が発生することを誘発する。光学
信号１３はガス放電ランプを通過して光学信号１５とし
て実質的に衰えることなく出現する。最初のセトリング
期間の後、光学信号１１．１３及び１５が要求される遷
移ラインの波長（周波数）に安定化される。

ガス放電ランプ１４からのリード２５上のオプトガルバ
ニック信号（周波数弁別信号）はオプトガルバニック効
果の結果として起こる。オプトガルバニック効果は、放
電内に存在するガス種の遷移波長にチューニングされた
強いモノクローム光線（レーザー光）の照射によって生
成される低圧ガス放電管の間の電圧の変化として観察さ
れる。ガス放電管或はランプはインジケータ　ランプ及
び中空の陰極ランプを含む。

安定抵抗器１７を通じて制限される電源１７はリード２
５を介してガス放電ランプ１４に一定の電流を供給する
。このオプトガルバニック信号はり−ト２５によってフ
ィードバック制御ループに供給される。このループは結
合コンデンサー１８、監視抵抗体１９、オプションのバ
ンドパス　フィルター及び前置増幅器２０．ロックイン
増幅器２１、比例増幅器２２．積分器２３．電流源２４
及び発振器２６を含む、このフィードバックループ内の
要素は実質的に第１図に示されるように接続される。レ
ーザーｌＯを制御するためのこのフィードバック　ルー
プ構戎は、当業者にとって周知である。これに関しては
、例えば、ＩＥＥＥ　　Ｊ、　　ｕａｎｔ、Ｅｌｅｃｔ
、Ｖｏ　１．ＱＥ−１９，Ｎｏ、１０、ベージ１５１４
　（１９８３）にＳ、ヤマグチ（Ｓ、Ｙａｍａｇｕｃｈ
ｉ　）らによって掲載の論文を参照すること。

ガス放電ランプ１４からの出力リート２５はＡＣ結合コ
ンデンサ１８に接続される。出力ＡＣ電圧の変化は抵抗
体１９によって検出され、バントパスフィルター及び前
置増幅器２０に供給される。バンドパス　フィルター及
び全増幅器２０はオプションの要素であり、実質的に発
振器周波数の回りに中心を持つ細いバスハントを持つよ
うに設計される。バンドパス　フィルター及び前置増幅
器２０からの出力信号は、使用された場合は、ロックイ
ン増幅器２１に供給される。ロックイン増幅器２１はガ
ス放電ランプによって生成される信号を同期的に検出す
るために使用される０周波数デイザリングによって得ら
れるファースト　プリバチイブ（ｆｉｒｓｔ　ｄｅｒｉ
ｖａｔｉｖｅ）信号はフィードバック制御ループ内の周
波数弁別子として使用される。ロックイン増幅器２１か
らの出力は平行の経路に沿って比例増幅器２２及び積分
器２３に供給される。比例増幅器２２及び積分器２３か
らの結合された出力信号はエラー信号であり、これは、
電流源２４によってレーザー１０に供給されるバイアス
電流を正すのに使用される。この修正及びバイアス電流
の結果として、レーザーの公称動作波長が修正される。

典型的には、レーザーＩＯの周波数は最初に温度によっ
て（粗い調Ｗ１）。

或は注入電流によって（微調節）、或は温度と注入電流
の組み合わせによって、丘に説明されるように要求され
る原子遷移ラインの数ＧＨｚ内の公称動作波長を持つよ
うに調節される。フィードバック制御ループはこのレー
ザーの公称動作波長を要求される遷移ラインの波長と実
質的に一致させる（周波数同期＞ｉａ癒を持つ。

発振器２５はロックイン増幅器２１と電流源２４の両方
に接続される０発振器２５はオプトガルバニック信号を
検出するためのソース変調を確立するために低周波数デ
ィザ−信号をレーザー１０及びフィードバック制御ルー
プに提供する。この低周波数ディザ−信号は、通常、数
ｋＨｚのオーダーを持つ。

第３図はロックイン増幅器２１によって測定される一例
としてのファースト　プリバチイブ信号２８を示す。信
号２８はＫｒ２ｐ＋ｏ−３ｄ３遷移（１゜５３３９ｐｍ
）のファースト　プリバチイブ信号である。第３図に信
号２９として示される下側トレースは７５０ＭＨｚの自
由スペクトル　レンジを持つ共集点ファブリ　ペロ干渉
計に対する干渉フリンジの周波数マーカーのシーケンス
である。このマーカーはファースト　プリバチイブ信号
のピークからピークまでの幅の測定を可能にするが、こ
のケースにおいては、この幅は原子遷移ライン波長付近
の約１０ｐＶ／ＭＨｚのスロープの所の約３８０　Ｍ　
Ｈｚである。

第４図はエラー信号トレースを示すが、レーザーｌＯは
、最初はフリー　ラニング　モート（オーブン　ループ
）にあり、最終的に周波数安定化されたモード（クロー
ズド　ループ）に落ち着く、このトレースはＫｒ　　２
ｐ＋ｏ−３ｄ３遷移（１，５３３９ｐｍ）を示す中空の
険極ランプを使用して実際に測定されたものである。フ
リー　ラニング動作か曲線３１によって示されるが、こ
こでは、ピークからピークまでの周波数の変動が３００
ＭＨｚを越える。

曲線３２と曲線３３（曲線３２を１０倍にしたもの）は
周波数安定化された動作の間の周波数変動は実質的に数
ＭＨｚに縮小されることを示す。

出出願人は、長波長半導体レーザーか貴ガス種な含むガ
ス放電ランプからのオプトガルバニック信号によって周
波数安定化できることを実験的に発見した。オプトガル
バニック信号か、レーザーの公称動作波長をガス放電ラ
ンプ内のガス種の要求される遷移ライン波長と実質的に
一致させるように標準フィードバック制御ループ或はサ
ーボ　ループに供給される。殆どのケースにおいて、長
波長半導体レーザーへのバイアス電流を調節することの
みによって周波数ロッキングを達成することが可能であ
る。示されてはいないか、大まかな周波数の１Ａｆ１ｙ
をするためにレーザーの動作温度を調節をして１周波数
ロッキングを達成することも必要となる場合かある。

一つの実験的な例においては、周波数ロッキングが熱電
気的に冷却された銅のヒー、ト　シンク上に搭載された
Ｉ　ｎＧａＡｓＰ分散Ａｓ−ドバック　レーザーを使用
して達成された。熱シンクの温度はＯ２ｌ′Ｃ以内に調
節された。レーザーの周波数チューニンク能力は１．８
０Ｈｚ／ｍａ及び１４．２０Ｈｚ／’Ｃてあフた。レー
ザーの公称動作波長かＡｒ２Ｐ＋ｏ−３ｄ、遷移（１、
２９６０１Ｌｍ）に対応するオプトガルバニック信号が
観察されることが期待される領域にａＩ節された。この
初期調節を達成するために、レーザーに対する動作温度
及び注入電流がそれぞれ８°Ｃ及び６５ｍａにセットさ
れた。ガス放電ランプには約０．６ｃｍの直径及び約２
．３ｃｍの長さを持つＡｒに満たされたミニチュア　ク
ロランプ（ジェネラル　エレクトリックＡＲ９）か使用
された。通常のクロー放電か３５ｇａを越える放電電流
に保持された。ランプはランプを横断して約８０ボルト
に落ちる１００ボルトの電源によって放電された。ラン
プに照射されるレーザー　パワーは約１ｍＷであった。

ロックイン増幅器２１の出力の所の周波数弁別信号を得
るために、発振器２６によってレーサーへの注入電流を
約２ｋＨｚの小さな量（８５μａ）に正弦的にディザ−
された。クローズド　ループ動作の際の周波数安定性は
、１３ＭＨｚより良好な安定性を示した。

長波長半導体レーザーは長波長レジーム内の貴ガスに対
する多くの原子遷移ラインに安定化できることが考えら
れる。第５図及び６図はこの長波長レジーム内の貴ガス
に対する複数の原子遷移ラインを示す。これら原子遷移
ラインは、上に説明のクローランプのような市販のガス
放電ランプ、クリプトン或は他の貴ガスを含む中空の陰
極ランプ等によって得ることが可能である。

第５図はアルゴンに対するパーシャル　エネルギー図を
示す、原子遷移ラインがそれと関連する遷移に対する１
、２４ｍから１．４μｍレンジの対応する波長とともに
示される。この波長レンジ内の遷移及びこれらの特定の
波長は以下のとおりである。

遷　移　　　　　　波長（蓼ｍ） ２　ｐ　＋。−３ｄ、　　　　１．２９６０２ｐｓ　−
２ｓ、　　　　１．３０１１２ｐ、。−３ｄ６　　　　
１．３２１７２ｐ、−３ｄ、　　　　　　１．３２３１
２Ｐ３−３５．ｉ）ノ１．３２７６ 上に説明の遷移ラインに加えて、アルゴンによりて以下
の遷移ラインか示される。

遷　移　　　　　　波長（終ｍ） ２ｐ２−３ｓ、　　　　１．２７０５ ２　ｐ　ａ　−２ｓ　−、１、２７３６２Ｐ　４−２５
２　　　．１　、２７４９２ｐ、−３ｄ、’／　　　　
１．２８０６２　Ｐ　４−２　Ｓ　：ｌ　　　　１　、
２９３６２　ｐ、　−３ｓ　、””　　　１　、３３１
８２ｐａ　−３ｄｘ　　　　１．３３７０２ｐ、−３ｄ
、　　　　１．３５０７ ノ ２　ｐ　１　−３　ｓ　ｔ　　　　　　１　、　５０５
０２　ｐａ　　＋　３　ｄ３１　、　５３３３２ｐｓ　
　−２ｓ４　　　　１．５１７７第６図はクリプトンに
対するパーシャル　エネルギー　ダイヤグラムを示す。

原子遷移ラインか関連する遷移に対する１、４ｕＬｍか
ら１．６ｇ、ｍレンジの対応する波長とともに示される
。この波長レンジの遷移及びこれらの特定の波長は以下
のとおりである。

遷　移　　　　　　波長（終ｍ） ツノ ２ｐＡ　−３ｃＬ　　　　　　１．　５２４３２Ｐ＋ｏ
　　　３ｄ：＋　　　　　　　１　、５３３９２　Ｐ　
６　−２　ｓ　９１　、　５３７６上に記述される遷移
ラインに加えて、以下の遷移ラインがクリプトンによっ
て示される。

遷移　　　波長（ルｍ） Ｉ　Ｓｉ　−２ｐ７　１．２８６５ ２Ｐ＋ｏ−３ｄｌ”　　　　ｔ、２９８Ｂ２ｐａ　−２
ｓ＜　　ｉ、　３１８１ ２ｐｙ　−２ｓｓ　　１．５００９ ２　ｐ　＊　−３ｄ　ｔ　〃ｌ　、　５２１３２　ｐ　
ｓ　−３ｄ　２　１．５３３０Ｉｓ２−２ｐ、　　１．
５４７８ 上に説明の原子遷移ラインに加えて、貴ガス種のキセノ
ンを含むガス放電ランプは、３９？−２５４（１，５４
２２ｐｍ）、２Ｐ？　−Ｔ２Ｓ４　　（１，５４１８ｐ
ｍ）、２ｐａ　−２ｓｓ　　ｃｉ、４７３２）、２Ｐ９
−２５４　　（１，３６５７ｐｍ）、及び２Ｐｉ。

−２５ｓ　　（１，２６２３ｐｍ）の所に有効な長波長
遷移を示すことか発見された。また、貴ガス種ネオンを
含むガス放電ランプは、２ｐｐ　−２ｓｓ　　（１。

２９ｓ５ｇｍ）ｌ　２Ｐ２−２ｓｓ　　（１，３２２８
７ｚｍ）、及び２ｐ＋−３５，（１，５２４３ｇｍ）の
所に有効な長波長遷移を示すことも発見された。これら
遷移は長波長レーザーの安定化に対して有効であるか、
これらは解説の目的で示されたものであり、限定を、α
図するものではない。遷移ランイ及び関連する原子種に
ついての追加の情報に関しては、ジャー　ル　才ブ　フ
ィジカル　アンド　　々カルリフ　レンス　“−タ（Ｊ
ｏｕｒｎａｉ　ｏｒ　Ｐｈｙｓｉｃａｌａｎｄ　Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｄａｔａ　）　、　
Ｖ　ｏ　ｌ　、　３　、　Ｎｏ、４．ベージ８２５−９
５　（１９７４年）；Ｃ０Ｂ、モーア（Ｃ，Ｂ、Ｍｏｏ
ｒｅ　）による　　ｘ−１１ｚ￥−−準（Ａｔｏｍｉｃ
　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｌｅｖｅｌｓ）　、合衆国標準局（Ｎ
ａｔｉｏｎａｌ　Ｂｕｒｅａｕ　ｏｆ　５ｔａｎｄａｒ
ｄｓ）　、ベージ４６４（１９４９年）；及びリーダー
（Ｒｅａｄｅｒ）らによる東ヱ五ンに　　　　　　　　
　　　　（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ　　ａｎｄ　　Ｔｒ
ａｎｓｉｔｉｏｎ　　Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｉｅｓ　　
ｆｏｒ　　＾ｔｏｓｓ　　ａｎｄＡｔｏｍｉｃ　Ｉｏｎ
ｓ）　、合衆国標準局（１９８０年）を参照すること。

この明細書の後半では長波長レジームての動作及び周波
数安定化について開示されたが、本発明の原理は周知の
原子及び分子遷移ラインを使用したオプトガルバニック
効果を介しての短な波長レジームての動作及び周波数安
定化にも同様に適用するものである。

本発明を使用して達成される追加の利点は、絶対周波数
基？Ｆｌ要素か小さく、安価で、効率か良く、安定して
おり、しかも復元が可壷であることである。

本発明の一例としての実施態様においては、オプトガル
バニック効果が使用されたか、吸収効果を使用すること
も可能である。但し、オプトガルバニック効果の方が、
ガス放電要素内の励起された状態の原子或は分子ライン
による吸収を監視するためにフィードバック制御回路内
の光検出器が必要とされないためより好ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理に従って同一の絶対周波数基準に
独立的に同期されたソースを持つ光波通信システムの略
ブロック図を； 第２図は本発明の原理に従う長波長半導体レーザーに対
する一例としての周波数安定化装置のブロック図を； 第３図は第２図の装置内で使用されるガス放電ランプか
ら得られる原子遷移の一例としてのファースト　デリバ
テイフ信号を； 第４図はレーザーかフリー　ランした時、および周波数
安定化された時のエラー信号トレースを：そして− 第５図および第６図はそれぞれアルゴンおよびクリプト
ンに対するパーシャル　エネルギー　ダイヤグラムを示
す図である。 ２０９　　　・　・　・　・ ２１１　　　　・　・　・　・ ２１３　　　・　・　・　・ ３００　　　　・　・　・　・ ミキサー 光検出器 バントパス フィルター 伝送媒体 テレグラフ　カムパニ 〈主要部分の符号の説明〉 １０４．２０１　・・・・　　レーザー１０５．２０３
　　・・・・　　ガス放電要素Ｆ／６３ 狙坂数 周 壜尋更 Ｆ／Ｇ、５ Ｆ／６．６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、伝送媒体上を互いに通信するための送信機及び受信
   機を持つ光波通信システムにおいて、該送信機及び該受
   信機が各々レーザー及びこれに結合された該レーザーを
   所定の波長の光学信号を生成するために制御するための
   レーザー安定化装置を含み、 各々の該レーザー安定化装置がそれと関連するレーザー
   からの光学信号に応答してオプトガルバニック信号を生
   成するためのガス放電要素を含み、該ガス放電要素が該
   所定の波長の所の原子遷移ラインを持つ原子種を含み、
   該安定化装置がさらに、該オプトガルバニック信号に応
   答して該レーザーからの光学信号の波長を実質的に該所
   定の波長と等しくなるように修正するために該レーザー
   の特性を動的に調節するためのフィードバック制御手段
   を含むことを特徴とする光波通信システム。 ２、請求項１に記載のシステムにおいて、該ガス放電要
   素が該原子種を入れるための包囲手段を持つ中空の陰極
   ランプを含み、該包囲手段が該所定の波長において実質
   的に透明であることを特徴とする光波通信システム。 ３、請求項１又は２に記載のシステムにおいて、該原子
   種がネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンから成
   る一群から選択されることを特徴とする光波通信システ
   ム。 ４、伝送媒体上を互いに通信するための送信機及び受信
   機を持つ光波通信システムにおいて、該送信機及び該受
   信機が各々レーザー及びこれに結合された該レーザーを
   所定の波長の光学信号を生成するために制御するための
   レーザー安定化装置を含み、 各々の該レーザー安定化装置がそれと関連するレーザー
   からの光学信号に応答してオプトガルバニック信号を生
   成するためのガス放電要素を含み、該ガス放電要素が該
   所定の波長の所の分子遷移ラインを持つ分子種を含み、
   該安定化装置がさらに、該オプトガルバニック信号に応
   答して該レーザーからの光学信号の波長を実質的に該所
   定の波長と等しくなるように修正するために該レーザー
   の特性を動的に調節するためのフィードバック制御手段
   を含むことを特徴とする光波通信システム。 ５、請求項４に記載のシステムにおいて、該ガス放電要
   素が該分子種を入れるための包囲手段を持つ中空の陰極
   ランプを含み、該包囲手段が該所定の波長において実質
   的に透明であることを特徴とする光波通信システム。 ６、請求項４に記載のシステムにおいて、該分子種がア
   ンモニア、フッ化水素、及び水蒸気から成る一群から選
   択されることを特徴とする光波通信システム。 ７、請求項１又は４に記載のシステムにおいて、各々の
   該フィードバック制御手段がディザー信号を生成するた
   めの発振器手段、 該ディザー手段に応答して同期的に該オプトガルバニッ
   ク信号を検出して修正信号を生成するための手段、及び 該修正信号及び該ディザー信号に応答して該レーザーが
   該光学信号を該所定の波長と実質的に同一波長にて放射
   するようにドライブ電流を該レーザーに供給するための
   バイアス手段を含むことを特徴とする光波通信システム
   。 ８、請求項７に記載のシステムにおいて、該ガス放電要
   素が該種を入れるための包囲手段を持つ中空の陰極ラン
   プを含み、該包囲手段が該所定の波長において実質的に
   透明であることを特徴とする光波通信システム。 ９、請求項７に記載のシステムにおいて、該ガス放電要
   素が該種を入れるための包囲手段を持つインジケータラ
   ンプを含み、該包囲手段が該所定の波長において実質的
   に透明であることを特徴とする光波通信システム。 １０、伝送媒体上を互いに通信するための送信機及び受
   信機を持つ光波通信システムにおいて、該送信機及び該
   受信機が各々レーザー及びこれに結合された該レーザー
   を所定の波長の光学信号を生成するために制御するため
   のレーザー安定化装置を含み、 該送信機の所の該レーザー安定化装置がそれと関連する
   レーザーからの光学出力信号に応答してオプトガルバニ
   ック信号を生成するためのガス放電要素を含み、該ガス
   放電要素が第一の所定の波長の原子遷移ラインを持つ原
   子種を含み、該安定化装置がさらに、該オプトガルバニ
   ック信号に応答して該送信機の所の該レーザーからの光
   学信号の波長を実質的に該所定の波長と等しくなるよう
   に修正するために該レーザーの特性を動的に調節するた
   めのフィードバック制御手段を含み、該受信機の所の該
   レーザー安定化装置がそれと関連するレーザーからの光
   学出力信号に応答してオプトガルバニック信号を生成す
   るためのガス放電要素を含み、該ガス放電要素が該第一
   の所定の波長の原子遷移ラインを持つ原子種を含み、該
   安定化装置がさらに、該原子遷移ラインを第２の所定の
   波長の所に現われるようにシフトさせるために該ガス放
   電要素を通じて電磁場を生成するための手段、及び、該
   オプトガルバニック信号に応答して該受信機の所の該レ
   ーザーからの光学信号の波長を実質的に該第二の所定の
   波長と等しくなるように修正するために該レーザーの特
   性を動的に調節するためのフィードバック制御手段を含
   むことを特徴とする光波通信システム。 １１、伝送媒体上を互いに通信するための送信機及び受
   信機を持つ光波通信システムにおいて、該送信機及び該
   受信機が各々レーザー及びこれに結合された該レーザー
   を所定の波長の光学信号を生成するために制御するため
   のレーザー安定化装置を含み、 該送信機の所の該レーザー安定化装置がそれと関連する
   レーザーからの光学出力信号に応答してオプトガルバニ
   ック信号を生成するためのガス放電要素を含み、該ガス
   放電要素が第一の所定の波長の分子遷移ラインを持つ分
   子種を含み、該安定化装置がさらに、該オプトガルバニ
   ック信号に応答して該送信機の所の該レーザーからの光
   学信号の波長を実質的に該第一の所定の波長と等しくな
   るように修正するために該レーザーの特性を動的に調節
   するためのフィードバック制御手段を含み、 該受信機の所の該レーザー安定化装置がそれと関連する
   レーザーからの光学出力信号に応答してオプトガルバニ
   ック信号を生成するためのガス放電要素を含み、該ガス
   放電要素が該第一の所定の波長の分子遷移ラインを持つ
   分子種を含み、該安定化装置がさらに、該分子遷移を第
   ２の所定の波長の所に現われるようにシフトさせるため
   に該ガス放電要素を通じて電磁場を生成するための手段
   、及び、該オプトガルバニック信号に応答して該受信機
   の所の該レーザーからの光学信号の波長を実質的に該第
   二の所定の波長と等しくなるように修正するために該レ
   ーザーの特性を動的に調節するためのフィードバック制
   御手段を含むことを特徴とする光波通信システム。