JPH0391982A - 波長可変安定化光源 - 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〕 本発明は、例えば，マイクロコンピュータを制御手段と
して応用した，半導体レーザを用いた波長可変安定化光
源に関するものである。

この波長可変安定化光源は、波長伝達特性に複数のピー
クを有する波長基準器における所定のピーク波長に半導
体レーザの発振波長を粗く設定する波長設定制御と、こ
のように設定されたピーク波長を波長基準とし、精密に
半導体レーザの波長を安定化する波長安定化制御と、こ
の２つの制御を切り替えるスイッチとから構威される。

特徴として、波長を精密に設定でき．かつ，選択できる
波長の設定範囲が広範囲に及ぶ点が挙げられる。

本発明は、例えば．ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃ
ｓ）、アセチレン（ｃｚｏｚ）、アンモニア（ＮＨ３）
等が広い波長範囲に呈する強く鋭い複数の吸収ピークや
エタロンの有する一定間隔の透過ピーク等を波長基準と
するため、現在広《使用されている　０．７）ｔｍ帯．
０．８μｍ帯．１．３μｆｆｌ帯及び１．５μ＋ｗ帯の
レーザ光の波長を高精度に設定でき，かつ，任意のピー
クを選択することにより可変ができ、発振波長が安定な
ことから、産業上において高精度な広い波長域の基準と
して利用できる。

また、つぎの世代の通信方式として研究が進められてい
る光ヘテログイン通信の発信局光源及び受信局光源とし
て利用できる。

〔従来技術〕

半導体レーザの発振波長λは、周囲温度Ｔ，注入電流■
によりそれぞれ約＋１０　０　ｐ　ｍ　／　’Ｃ、＋１
０ｐｍ／ｍＡ変化することが知られている。

したがって、半導体レーザの波長を変化させる方法とし
ては、周囲温度を変化させたり、注入電流を変化゛させ
たりする方法が一般的であった。

しかしながら、単に周囲温度や注入電流を精密に制御す
ることにより半導体レーザの発振波長を変化させる手法
では、設定できる波長精度は、高々数ｐＩｌ１程度であ
り、更に半導体レーザを連続運転していると、それが同
じ温度と注入電流下での動作であっても発振波長のゆっ
くりしたドリフトが生じ、その値は約−０．１ｐｍ／ｈ
であると報告されている（後記参考文献による）。

また、半導体レーザの発振波長を高精度に固定する方法
としては、特定の波長で強く鋭い吸収ピークを有する原
子及び分子を波長基準として用いた光吸収セル方式が、
同一出願人等による「波長安定化光源」　（特願昭６３
−　２４８２５０号）において実現されている。しかし
ながら、光吸収セル方式では、複数の吸収ピークのうち
のいずれか一つに波長を固定するので、安定な波長を得
るのには極めて有効であるが、波長を変化させることが
できなかった。

（参考文献） 「＾ｈｉｇｈｌｙ　Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　Ｓｅｍｉｃ
ｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｌａｓｅｒａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐ
ｌｉｃａｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ　Ｐｕｍ
ｐｅｄ　Ｒｂ＾ｔｏｎｉｃ　　Ｃｌｏｃｋ　Ｊ　　Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　３９ｔｈ＾ｎｎｕ
ａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
　Ｃｏｎｔｒｏｌ＋　Ｍａｙ１９８５，　Ｐｈｉｌａｄ
ｅｌｐｈｉａ，　ＵＳＡ，　ｐｐ４３　〜５３〔発明が
解決しようとする課題〕 半導体レーザの発振波長を温度や注入電流により変化さ
せる方法においては、設定できる波長の精度が高々数ｐ
ｍ程度であり、また温度や注入電流の条件が一定でも波
長ドリフトが生しるという課題があった。

一方、光吸収セルを用いる方法では、光吸収セルにおけ
る複数の吸収ピークのうち一つの吸収ピークに波長を固
定することにより波長ドリフトをなくすことはできたが
（アラン分散表示による波長安定度は、積分時間７０秒
で２Ｘ　１０　−　”）．波長を可変にす．ることはで
きなかった。したがって、本発明では、半導体レーザの
発振波長が温度や注入電流により可変できることと、光
吸収セルやエタロンにより特定波長に高安定化できるこ
とと、光吸収セルやエタロンが広い波長範囲において複
数の吸収及び透過ピークを有することから広範囲に渡っ
て特定の光波長に安定化できることとを利用して、発振
波長が高安定であり、かつ原子及び分子を封入した吸収
セルやエタロンの有する複数のピークのうち所定のピー
ク近傍の波長を精密に出力できるレーザ光源を実現する
。

〔課題を解決するための手段及び作用〕本発明では、半
導体レーザの温度変化による広い波長範囲（光吸収セル
の特性曲線のピークで複数個にわたる範囲の意）におけ
る連続的な発振波長の移動（波長設定制御）と、注入電
流による精密な波長安定化（波長安定化制御）の２種類
の半導体レーザの発振波長制御を行い、波長変更時にこ
の２つの制御をスイッチにより切り替えて前述した課題
を解決し波長可変安定化光源を実現するものである。す
なわち、 第１の波長設定制御は、確定した初期温度及び注入電流
における発振波長λｉから使用する波長基準器の有する
目標とするピーク波長λｔまでの間にある他のピーク・
の数（Ｎ）のデータと、そのピーク波長にするための温
度のデータとを基に、コントローラにより半導体レーザ
の温度を掃引させ、波長を目標とするピーク波長λｔま
で広範囲に変化させる。

また、同時に波長基準器を透過したレーザ光の受光信号
により波長掃引中において検知したピーク数を計数し、
初期波長と目標とするピーク波長との間のピークの数（
Ｎ）のデータと比較することにより目標の波長のピーク
を確定し、その確定したピークに光波長を粗く設定する
。

このような制御を行う上で必要なピーク波長のデータや
ピークの数は、レーザ分光技術等で正確に測定されたデ
ータを使用する。例えば、アセチレン（ＣＪ２）の場合
ｒｌ．５μｎ帯ＤＦＢレーザを用いたアセチレン分子吸
収線の検出」　〔第４９回応用物理学会学術講演会予稿
集、１９８８秋季、６ｐ−Ｑ−１２等）である。

第２の波長安定化制御は、同一出願人等による「波長安
定化光源」　（特願昭６３−　２４８２５０号）に記載
した波長の安定化を制御する系であり、粗く設定された
目標の波長ピークを波長基準として半導体レーザの発振
波長の波長基準からのズレを検知し、その補正信号を電
流源に帰還させることにより精密に波長制御を行うもの
である。

以上に述べた２つの制御をスイッチで切り替えることに
より広い波長範囲において多数の安定した基準波長光を
発振する波長可変安定化光源を実現できる。

〔実施例〕

第１図は、本発明に係る波長可変安定化光源の一実施例
を示し、ピーク検知及び波長安定化方弐として差動方式
を用いた。半導体レーザ１からの出力されたレーザ光は
、出力用のビームスブリソタ４で分岐され、一方は出力
光として．他方は波長制御に使用される。この実施例で
は、差動方式を取っているため、波長制御用に分岐され
た該他方のレーザ光はさらにビームスプリッタ１ｌで同
じ強度のレーザ光に分岐される。その分岐されたレーザ
光の一方は波長基準器５に入射し、その透過光は第１の
受光器６ａで検知される。

また、その分岐されたレーザ光の他方はレーザ強度モニ
ター用の信号ｂ〔第３図（ｂ）に示す波形の信号）とし
て、反射鏡１２を介して第２の受光器６ｂで検知される
。波長基準器５を透過したレーザ光は、該波長基準器５
の波長透過特性に対応した信号ａ（第３図（ａ）に示す
波形の信号）として第１の受光器６ａで受光出力される
。第１及び第２の受光器６ａと６ｂから出力された信号
の出力差を差動アンブＩ３により検出し、半導体レーザ
ｌの温度を変化させ、波長を掃引した場合のレーザ光の
強度変化の影響をなくした吸収ピーク信号Ｃ（第３図（
Ｃ）に示す波形の信号）を得る。

波長基準器５は、広い波長範囲において複数の波長基準
となる透過或は、吸収ピークを有する必要がある。

したがって、ファブリ・ベロー干渉計やルビジウム（Ｒ
ｂ）、セシウム（Ｃｓ）、アセチレン（Ｃ２Ｈ２）、シ
アン化水素（ＩＩｃＮ）　．アンモニア（Ｎｌ＋３）等
の原子及び分子を単独又は複数封入した光吸収セル等が
用いられる。

本実施例では、アセチレン（Ｃ　．　ＨＺ　）を封入し
た光吸収セルを用いた場合について述べる。動作は３段
階に分かれている。

第１段階は、波長の初期設定動作である。

半導体レーザｌは、温度コントローラ２及び電流源３に
より決まった初期温度Ｔｉ、初期注入電流１ｉの条件の
下で初期波長λｉに設定される。

第２段階は、波長の設定動作である。

すなわち、コントローラ１０に記憶されている波長基準
器５の有する複数のピーク波長データのうちの一つのピ
ーク波長λｔをコントローラ１０に指定して入力する。

コントローラ１０は、半導体レーザ１の温度及び発振波
長特性データによりピーク波長λｔの発振波長の温度設
定信号を温度コントローラ２に出力する〔なお、半導体
レーザにおける温度及び発振波長特性の内容を説明する
ために第２図に．半導体レーザ発振波長温度依存性とア
セチレン（ＣＪｚ）の光伝達特性について発振波長，光
波長，温度に絡まして図示した。図中、λｉは初期波長
，λｔはピーク波長を表す〕。この時点でコントローラ
１０はスイッチ７に対し差動アンプ１３からの出力信号
Ｃ（第３図（Ｃ）に示す波形の信号）をピーク検知器９
に接続するよう切り替えを指示する。ピーク検知器９で
は、信号レベル検知器９ａにより負の信号レベル入力時
を吸収ピークと判断し、ＯＮ信号（第３図（ｄ）に示す
波形のピーク検知信号）をコント．ローラｌＯに出力す
る。

すなわち、温度掃引時のピーク検知信号ｄ（第３図（ｄ
）に示す波形の信号）をコントローラＩＯで計数し、そ
の計数値がコントローラ１０に記憶されている初期波長
λ．から目標ピーク波長λ１に至るまでのピーク数に達
した時点で温度を固定し、ピーク検知器９の出力がＯＮ
信号（波長が吸収ピーク内にはいっている）になるよう
に波長を固定する。

第３段階は波長の安定化動作であり、コントローラ１０
により差動アンブ１３からの出力信号をスイッチ７で切
り替え波長安定化手段８の回路に接続する。この場合で
は、基準電圧源８ａの基準電圧と差動アンプｌ３の出力
電圧との差を差動アンプ８ｂの出力として電流源３に負
帰還することにより、半導体レーザｌの出力波長を、吸
収ピークの形状に対応する差動アンブ１３の出力のうち
基準電圧源８ａの出力に一敗する波長に安定化する。

以上に述べた３段階の波長制御をコントローラ１０によ
り制御されたスイッチ７で切り替えることによりアセチ
レン（ｃｚｌのもつ所定の吸収ピーク波長に半導体レー
ザの発振波長を精密に安定化できた。

以上の実施例で使用したコントローラ１０はマイクロコ
ンピュータを適宜用いるとよい。

また、上述した実施例におけるピーク検知器９と波長安
定化手段８の回路の制御は差動方弐によるが、変調方式
の場合も同様に波長可変安定化光源を実現でき、その場
合の一実施例を第４図に示す。発振器１５の周波数で注
入電流により半導体レーザ１の発振波長に微少変調を施
し、波長基準器５からの透過光を受光器６で検出し、そ
の出力ａａ（第５図（ａ）に示す波形の信号）を発振器
ｌ５の周波数でロックインアンブ１４により位相同期検
波を行って、ピークの微分形状に対応する信号ｃａ　（
第５図（ｂ）に示す波形の信号）を得る。この信号ｃａ
を使って前述した差動方式同様制御を３段階に切り替え
スイッチ７によりピーク検知器９及び電流源３（変調方
式の場合、波長安定化手段８はロックインアンプ１４の
位相同期検波となりロックインアンプの出力信号を直接
電流源３に入力すれば良い）に切り替えることにより行
った。ロックインアンブ１４から出力された前記微分信
号ｃａを各々検知レヘルが設定されており並列に接続し
たプラスレベル検知器９ｂとマイナスレベル検知器９ｃ
に人力し、第５図（Ｃ）に示す波形の信号ｃａａ，　ｃ
ａｂのように微分形状の信号をパルス形状に加工して出
力する．次にマイナスレベル検知器９ｃの出力が立ち下
がる時にＯＮ状態になり、プラスレベル検知器９ｂの出
力が立ち上がる時にＯＦＦ状態を出力する論理回路９ａ
に対しレベル検知器９ｂ，９ｃからの信号ｃａａ，ｃａ
ｂ（第５図（Ｃ）に示す波形の信号）を入力すればピー
ク内に発振波長が存在するときＯＮ状態で、発振波長が
ピークをはずれるとＯＦＦ状態となる信号ｄａ（第５図
（ｄ）に示す波形の信号）が得られ、発振波長のピーク
検知ができる。

以上のような制御回路を使用し、変調方式においても、
波長設定制御と波長安定化制御をスイッチで切り替える
ことによりアセチレン（Ｃｆｆｉｌｌ．）のもつ所定の
吸収ピーク波長に半導体レベルの発振波長を精密に安定
化でき、波長可変安定化光源が実現できた。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明による波長可変安定化光源
は、光吸収セルの特性曲線で複数個のピークにまたがる
広い範囲の制御と、ピークの１つについてする狭い範囲
の精密な制御とを併用し、マイクロコンピュータを用い
たコントローラで制御するものとした。

すなわち、広い波長範囲に複数の波長基準となるピーク
を有する波長基準器を用い、この複数の波長基準ピーク
のうち所定の一つのピーク波長に設定する波長設定制御
手段と、そのピークを波長基準として波長を安定化する
波長安定化制御手段をスイッチで切り替えることにより
、次に示すような固有の効果を有する。

（１）波長基準器の有する複数のピークのうち所定の波
長光をドリフトがなく高安定に出力できる。

（２）波長基準とするピークを切り換えることにより広
い波長域にわたって出力光が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る波長可変安定化光源の第１の実施
例を、第２図は半導体レーザの温度による発振波長変化
とアセチレンの光伝達特性の対応を示し、第３図は第１
図において図示した記号を示す図である． 第４図は本発明に係る波長可変安定化光源の第２の実施
例を、第５図は第４図において図示した記号を示す図で
ある． 図中、ｌは半導体レーザ、２は温度コントローラ、３は
電流源、４はビームスプリンタ、５は波長基準器、６は
受光器、７はスイッチ、８は波長安定化手段、９はピー
ク検知器、１０はコントローラ、１１はビームスプリツ
タ、１２は反射鏡、１３は差動アンブ、１４はロックイ
ンアンプ、工５は発振器をそれぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体レーザ（１）と、該半導体レーザ（１）の温度を
   変化させ波長を広範囲に粗く制御する温度コントローラ
   （２）と、該半導体レーザ（１）の発振波長を精密に制
   御するように注入電流を微調可能とした電流源（３）と
   、該半導体レーザ（１）より発振されたレーザ光を分岐
   し、一方のレーザ光を出力光とするビームスプリッタ（
   ４）と、光波長基準となる複数のピークを持つ光伝達特
   性を有する波長基準器（５）と、該ビームスプリッタ（
   ４）で分岐され、かつ、該波長基準器（５）の光伝達特
   性に対応する強度変化を受けた他方のレーザ光を受光す
   る受光器（６）と、該受光器（６）の出力を２枝に分岐
   するスイッチ（７）と、該スイッチ（７）の第１の分岐
   に接続され、前記光伝達特性の一つのピークの近傍の一
   点に発振波長を安定化させるために前記電流源（３）に
   制御信号を出力する波長安定化手段（８）と、該スイッ
   チ（７）の第２の分岐に接続され、前記半導体レーザ（
   １）の発振波長が該温度コントローラ（２）によって変
   動されたときに該受光器（６）の出力のピークを検出す
   るピーク検知器（９）と、前記スイッチ（７）の切り替
   えを制御するとともに該ピーク検出器（９）の出力を受
   けて、該半導体レーザ（１）の発振波長の温度特性に基
   づいてピークの計数値と該半導体、レーザ（１）の発振
   波長とを指定された値に設定するためのコントローラ（
   １０）とからなる波長可変安定化光源。