JPH04157780A - 半導体レーザの周波数安定化装置 - 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】 口振　要〕 半導体レーザの光発振周波数を制御するたｔの発振制御
部を有する半導体レーザの周波数安定化装置に関し、 光発振周波数の安定化のために、半導体レーザおよびそ
の周波数安定化装置からなる系内の光発振周波数を低周
波で微小変調する従来の外部変調手段を排除することを
目的とし、半導体レーザからの出力光を受けて、一方で
はその透過光を送比し、他方では反射光を送出するファ
ブリ・ペローエタロンと、透過光および反射光をそれぞ
れ受光する第１および第２受光器と、第１および第２受
光器の各出力を相互に減算して光出力検出信号を生成す
る減算部と、からなり、発振制御部は光出力検出信号の
レベルを零にするように光発振周波数を制御するように
構成する。

口産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザの光発振周波数を制御するたｔ
の発振制御部を有する単導体レーザの周波数安定化装置
に関する。

近年、コヒーレント光通信システムにおいてはその伝送
容量を飛躍的に増大させるべく、これに対応する種々の
伝送方式が採用されつつある。例えば波長多重伝送方式
や光膜波数多重伝送方式である。

ところでこのような光多重伝送方式を実現するためには
、複数の波長あるし１は周波数に対応する光発振源、す
なわち複数の半導体レーザが不可欠となるが、この場合
、各該半導体レーザ毎に極めて高精度な光発振周波数の
安定化が必要となる。

これは複数の周波数相互間のＶＪ隔を厳密に一定に保っ
たｔである。

本発明は上述のような背景のもとて使用される半導体レ
ーザの周波数安定化装置の改良につし）で述べる。なお
、本発明による技術は、上菖己のコヒーレント光通信分
野のみならず、光による測長技術分野にも適用し得るも
のである。この分野では、光の干渉を利用した計測手法
を採用しており、やはり光発振周波数の安定化は不可欠
だからである。

〔従来の技術〕

第１３図は従来例による半導体レーザの周波数安定化装
置を示す図である。本図において、１０は半導体レーザ
であり、その光発振周波数を安定化させるのが周波数安
定化装置２０である。この装置２０は図示する構成要素
２１〜２６からなる。

半導体レーザ１０からの出力光、例えば前方出力光を光
通信用のデータ光に用いるとすれば、その後方出力光を
、レンズ２１を介してファブリ・ペロ・　　−エタロン
２２に印加し、ここでフィルタされた特定周波数の透過
光は、受光器２４より掃引検出信号Ｓ、として発振制御
部２５に与えろれ、発振制御部２５はこの信号Ｓ、に基
づいて半導体レーザ１０の発振周波数を制御する。ここ
に該発振周波数は一定値に安定化される。この場合、外
部変調手段が重要な役割を果す。図中この外部変調手段
は、ファブリ・ペローエタロン変調手段２３および／ま
たは半導体レーザ直接変調手段２６として示されており
、これについて特性図を参照しながら以下に説明する。

第１４図は第１３図の装置内におけるファブリ・ペロー
エタロンの共振特性を示す図であり、横軸には半導体レ
ーザ１０の光発振周波数を、縦軸にはファブリ・ペロー
エタロン２２からの透過光の出力レベルをそれぞれとっ
て示す。本図は、ファブリ・ペローエタロン２２が共振
特性を示すことを表している。その共振周波数は整数倍
の関係で複数環れる。

ここで半導体レーザ１Ｇおよびその周波数安定化装置２
０からなる系内の光発振周波数を低周波数（データの伝
送速度に比べて低周波数）、例えば１００ＫＨｚで微小
変調する。これは前述の外部変調手段（２３、２６）で
行われる。

第１４図の特性をもった透過光を、該外部変調手段によ
り低周波で変調した信号を受光器２４で電気信号に変換
し、この電気信号を発振制御部２５に入力する。この中
には、該電気信号に対して周波数弁別を行う、いわゆる
同期検波回路が含まれており、第１４図の透過光波形を
微分した形の検出信号が得られる。

第１５図は第１３図の装置内における受光器からの掃引
検出信号の変化を示す図であり、縦軸には上記検出信号
の出力レベルをとって示す。この検出信号は、第１４図
の波形を微分したものであるから、山状の該波形の頂点
では微分値零（図中の゛零点″）となり、一方、該山状
の波形の中腹（左右２つある）で、正の最大の微分値お
よび負の最大の微分値が得られる。このような発振制御
部２５は、上記零点を常に追従するように、半導体レー
ザ１０の光発振周波数を制御する。かくして、半導体レ
ーザ１０の光発振周波数は、第１５図のｆに常に固定さ
れ、周波数の安定化が行える。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のとおり従来の周波数安定化装置２０は、第１４図
の特性の透過光波形を第１５図のように微分した波形を
得るたｔに、外部変調手段（２３、２６）が不可欠とな
る。しかしながらこの外部変調手段を用いる周波数安定
化装置には問題がある。

すなわち、半導体レーザ１０と周波数安定化装置２０を
含む系内に、上述した微小変調用の低周波成分が含まれ
ることになることから、該半導体レーザの例えば前方光
により光通信用のデータ光を送信するとすれば、当然そ
のデータ光に、後方光に含まれる該低周波成分がノイズ
として侵入することになり、伝送品質を劣化させてしま
うという問題である。

したがって本発明は上記問題点に鑑み、従来の外部変調
手段を用いることなく周波数安定化が行える新規な構成
からなる半導体レーザの周波数安定化装置を提供するこ
とを目的とするものである。

〔課題を解決するた杓の手段〕

第１Ａ図は本発明に係る半導体レーザの周波数安定化装
置の基本構成を示す図である。なお、全図を通じて同様
の構成要素には同一の参照番号または記号を付して示す
。

本発明に係る周波数安定化装置３０は、ファブリ・ペロ
ーエタロン２２と、第１受光器３１と、第２受光器３２
と、減算部３３と、発振制御部３４とからなる。

ファブリ・ペローエタロン２２は、半導体レーザ１０か
らの出力光Ｐ。を受光して、一方ではその透過光Ｐ１を
送出し、他方では反射光Ｐ２を送出する。

第１受光器３１および第２受光器３２は、透過光Ｐ１お
よび反射光Ｐ２をそれぞれ受光する。

減算部３３は、第１受光器３１の出力と第２受光器３２
の出力とを相互に減算して光出力検出信号Ｓ。

を生成する。

発振制御部３４は、光出力検出信号Ｓ、のレベルを零に
するように光発振周波数を制御する。

第１Ｂ図は第１Ａ図の基本構成の変形例を示す図であり
、ファブリ・ペローエタロン２２の前段に光分岐手段２
８、例えば図示するハーフミラ−あるいは光カプラを設
け、この光分岐手段２８を介して反射光Ｐ２を取り出す
ようにする。なお、以下の説明は第１Ａ図の基本構成を
主体にして行う。

０作　用〕 第２図は本発明の原理説明に用いる図である。

本図は透過光Ｐ１の光出力レベル（実線）と反射光Ｐ２
の光出力レベル（点線）の光発振周波数に対する変化を
示す図である。ただし透過光Ｐ１については、前述した
第１４図の特性と同じである。

半導体レーザ１０からの出力光Ｐ。の光エネルギーは一
定に保存されることから、ファブリ・ペローエタロン２
２より透過光Ｐ１　として消失したエネルギーの残余の
エネルギーは反射光として消失することになる。一般に
この反射光は無駄に捨てられ、むしろ半導体レーザ１０
の出力光Ｐ。に戻り、これに悪影響を与えていた。

本発明においては第２図の点線で示す光出力レベルを有
するファブリ・ペローエタロンからの反射光Ｐ２を取り
出し接極的に利用する。なお、反射光Ｐ２を取り出す最
も簡単な方法としては、第１Ａ図のようにファブリ・ペ
ローエタロン２２の主軸を、出力光Ｐ０の光軸に対して
傾斜させる方法が挙げられる。また、第１Ｂ図に示すよ
うに光分岐手段２８を介して取り出すようにしても良い
。

第２図に示すように、透過光Ｐ１と反射光Ｐ２の各光出
力レベルは相補的な関係にある。そこで、一方の光出力
レベノベ例えば反射光Ｐ２の光出力レベルを反転させて
、他方の光出力レベル、すなわち透過光Ｐ＋の光ａカレ
ベルと加算する。この光出力レベルの反転および加算は
減算部３３で行われ、その出力として光出力検出信号Ｓ
Ｐを得る。

第３図は減算部からの光出力検出信号を説明するための
図である。本図の光出力検出信号レベルは第２図の点線
のカーブＰ、を上下反転させて、第２図の実線のカーブ
Ｐ１に加え合わせたものに相当し、零レベルを中心に正
（＋）および負（−）に振れる。この零レベルと信号レ
ベルＳＰとの交点を零点と称することにすると、この零
点は、第２図のレベルＰ２とレベルＰ１とが交差する点
に相邑する。この点での光発振周波数の周波数をｆｏ　
とすると、周波数安定化装置３０によって、半導体レー
ザ１０の光発振周波数をｆｏに固定的に安定させること
ができる。この場合、周波数安定化装置３０内の発振制
御部３４は、信号ＳＰが常に上記の零点に追従するよう
に半導体レーザ１０を制御することになる。

本発明による第３図の“零点”は前述した第１５図に示
す従来の“零点”に対応するものであるが、この零点を
得るために本発明では従来の外部変調手段（２３、２６
）を全く導入していないことに注目すべきである。した
がって従来の外部変調手段を用いることによって生じた
既述の問題は解消されることになる。

〔実施例〕

第４図は本発明の一実施例を説明するたｔの図であり、
減算部３３の具体例が示されている。すなわち減算部３
３は引算回路として組まれた演算増幅器４１で実現され
る。なお、引算回路とは、２つの人力のうち一方をレベ
ル反転回路を通してレベル極性切り替えをした後に加算
する加算回路をも含む概念である。

上記演算増幅器４１の出力を受けて動作する発振制御部
３４は、半導体レーザ１０の光発振周波数を、信号Ｓ、
が常に零点に収束するように動作するものであり、その
ために例えばバイアス制御手段４２や温度制御手段４３
を制御する。これらの手段４２および４３の少なくとも
一方を制御すればよく、必要なら両方を制御する。

バイアス制御手段４２は、一般的な半導体レーザ駆動回
路に含まれる周知のバイアス電流制御回路でよい。

また温度制御手段４３は、一般的な半導体レーザ駆動回
路に付帯せしめられる周知の熱源素子、例えばペルチェ
効果を有する半導体デバイスでよい。

通常、半導体レーザはこのような熱源素子によって一定
温度〈例えば２５℃）下で動作せしとられ、光発振周波
数がシフトしないようにしている。この熱源素子を前記
光出力検出信号ＳＰが常に零点に収束するように制御す
ればよい。

第５図は第１Ａ図の周波数安定化装置に周波数設定部を
付加した図である。第２図および第３図を再び参照する
と、光発振風波数における特定の周波数ｆ。は、零点が
定まると一義的に定まる。

したがって零点が定まると、この周波数ｆ。を動かすこ
とができない。そうすると、実用上は使い勝手が悪い。

例えば既述の光周波数多重伝送方式（ＦＤＭ）　におい
ては、多数のチャネルが所定の周波数間隔をおいて周波
数軸上に配列されることになるが、その所定の周波数間
隔を厳密に設定すべく、例えばある周波数帯を担う半導
体レーザの光発振周波数を例えば３Ｇｌ（Ｚ　シフトさ
せたい、という要求が生じ得る。この要求に応えるたｔ
には、前記の周波数ｆ。が任意に設定可能でなければな
らない。このために第５図に示す周波数設定部５１を設
ける。

第６図は周波数設定部の第１例を示す図である。

第１例では、傾斜手段６１を用いる。該手段６１は、フ
ァブリ・ペローエタロン２２を出力光Ｐ０の光軸°に対
し任意の角度で図中の矢印の方向に傾斜させる。その駆
動源としては一オーダの変位をする圧電素子（Ｐ２Ｔ）
を用いることができる。傾きを変えることにより、ファ
ブリ・ペローエタロンの共振器長が変えられることを利
用したものである。

第７図は周波数設定部の第２例を示す図である。

第２例では、温度制御手段６２を用いる。ファブリ・ペ
ローエタロンの温度を変えることにより共振器長が変え
られることを利用したものである。

第８図は周波数設定部の第３例を示す図である。

第３例では、電界制御手段６３を用いる。この手段６３
は、ファブリ・ペローエタロンの両端に固着された電極
対に電圧を印加する。これは電気光学効果を有するファ
ブリ・ペローエタロンに対スる電界を変えることにより
共振器長が変えられることを利用したものである。

第９図は周波数設定部の第４例を示す図である。

第４例では、押圧手段６４を用いる。これは光弾性効果
を有するファブリ・ペローエタロン２２を、その主軸に
そって外圧により伸縮せしすることにより共振器長が変
えられることを利用したものである。なお、その押圧源
としては圧電素子（ＰＺＴ）を用いることができる。

第１θ図は周波数設定部の第５例を示す図である。

第５例では、調整手段６５を用いる。これは一対のミラ
ーからなるファブリ・ペローエタロン２２のミラー対の
間隔を変えることにより共振器長が変えられることを利
用したものである。ミラー対の間隔を変える駆動源とし
ては、圧電素子（ＰＺＴ）を用いることができる。

第１１図は受光器の第１の変形例を説明する図である。

本図において、既述の第１および第２受光器は、それぞ
れ第１の大口径受光器７１および第２の大口径受光器７
２となっている。それぞれ透過光Ｐｌのおよび反射光Ｐ
２の光軸に対し広角度αおよびβをもって、Ｐｌおよび
Ｐ２を受光可能である。これは、多少の光軸ずれを許容
するものであり、製造上のマージンを大きくとれるメリ
ットがある。

このように大口径の受光器７１．７２が採用できたのは
本発明において従来の外部変調手段（２３、２６）を排
除したからである。この外部変調手段の変調周波数は、
半導体レーザの光発振周波数に比べればきわめて低いも
のの、例えば１００にＨｚと高い周波数である。このよ
うな高鳳波に応答する高速ホトダイオード（受光器３１
　、３２）　は一般に小口径である。

ところが本発明によると、上記の変調周波数に対応する
周波数は、光出力検出信号ＳＰのレベル変動の周波数で
あり、はぼ直流に近いものである。

そうすると、このような低周波用のホトダイオードとし
ては一般に大口径のものが安価に入手できる。この点に
着目し、大口径の受光器７１　、７２を採用したもので
ある。

第１２図は受光器の第２の変形例を説明する図である。

上述のように大口径の受光器を用いることにより製造上
のマージンが大きくとれるというメリットがある。

ところで、上記の光出力検出信号ＳＰのレベル変動の周
波数は、上述のように常に低いとは限らない。これは半
導体レーザ１０の光発振周波数がかなり高速にシフトす
る場合もあるからである。そうすると、信号Ｓ、のレベ
ル変動の周波数もそれについて高いものとなる。

このようなときは高速応答に適した小口径のホトダイオ
ードが必要になる。そこで小口径のホトダイオード、す
なわち小口径受光素子をアレイ状に複数配列して、形状
からすると第１１図の大口径受光器７１．７２とほぼ等
価なものとする。これが、第１のアレイ形受光器８１お
よび第２のアレイ形受光器８２である。

第４図から第１２図までファブリ・ペローエタロン２２
を斜めにして反射するような構成を取っていたが、これ
らの構成において第１Ｂ図のように反射光を光分岐手段
２８により分岐しその光を受光するような構成としても
よい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、外部変調成分が全
くなく、半導体レーザによる本来の光データ伝送品質を
ほとんど劣化させない、という大きな利点が生ずる。

また、これに加えファブリ・ペローエタロン２２からの
反射光Ｐ２は、半導体レーザの出力光Ｐ。

には戻らないように構成しているから、この戻り光の影
響による光データ品質の劣化ということはあり得ない。

さらに、第３図に示すとおり、光出力検出信号Ｓ、の振
幅は、従来の対応する検出信号（第１５図）の振幅の概
略２倍となるから、発振制御部３４にはいわゆるＳ／Ｎ
の高い制御入力が与えられることになり、この点からも
半導体レーザの周波数は一層安定化されることになる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明に係る半導体レーザの周波数安定化装
置の基本構成を示す図、 第１Ｂ図は第１Ａ図の構成の変形例を示す図、第２図は
本発明の原理説明に用いる図、第３図は減算部からの光
出力検出信号を説明するための図、 第４図は本発明の一実施例を説明するための図、第５図
は第１Ａ図の周波数安定化装置に周波数設定部を付加し
た図、 第６図は周波数設定部の第１例を示す図、第７図は周波
数設定部の第２例を示す図、第８図は周波数設定部の第
３例を示す図、第９図は周波数設定部の第４例を示す図
、第１０図は周波数設定部の第５例を示す図、第１１図
は受光器の第１の変形例を説明する図、第１２図は受光
器の第２の変形例を説明する図、第１３図は従来例によ
る半導体レーザの周波数安定化装置を示す図、 第１４図は第１３図の装置内におけるファブリ・ペロー
エタロンの共振特性を示す図、 第１５図は第１３図の装置内における受光器からの掃引
検出信号の変化を示す図である。 図において、 １０・・・半導体レーザ、 ２２・・・ファブリ・ペローエタロン、２８・・・光分
岐手段、　　　３０・・・周波数安定化装置、３１・・
・第１受光器、　　　３２・・・第２受光器、３３・・
・減算部、　　　　　３４・・・発振制御部、４１・・
・減算増幅器、　　　４２・・・バイアス制御手段、４
３・・・温度制御手段、　　５１・・・周波数設定部、
６１・・・頌斜手段、　　　　６２・・・温度制御手段
、６３・・・電界制御手段、　　６４・・・押圧手段、
６５・・・調整手段、 ７１・・・第１の大口径受光器、 ７２・・・第２の大口径受光器、 ８ト・・第１のアレイ形受光器、 ８２・・・第２のアレイ形受光器、 Ｐｏ・・・出力光、　　　　Ｐｌ・・・透過光、Ｐ２・
・・反射光、　　　　　Ｓ、・・・光出力検出信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体レーザ（１０）の光発振周波数を制御するた
   めの発振制御部を有する半導体レーザの周波数安定化装
   置において、 前記半導体レーザ（１０）からの出力光（Ｐ＿０）を受
   けて、一方ではその透過光（Ｐ＿１）を送出し、他方で
   は反射光（Ｐ＿２）を送出するファブリ・ペローエタロ
   ン（２２）と、 前記透過光（Ｐ＿１）および反射光（Ｐ＿２）をそれぞ
   れ受光する第１受光器（３１）および第２受光器（３２
   ）と、 前記第１受光器（３１）の出力と前記第２の受光器（３
   ２）の出力とを相互に減算して光出力検出信号（Ｓ＿Ｐ
   ）を生成する減算部（３３）と、から構成し、前記発振
   制御部は前記光出力検出信号（Ｓ＿Ｐ）のレベルを零に
   するように前記光発振周波数を制御する発振制御部（３
   ４）からなることを特徴とする半導体レーザの周波数安
   定化装置。 ２、前記光出力検出信号（Ｓ＿Ｐ）のレベルを零にする
   ときの前記光発振周波数の周波数（ｆ＿０）を任意に設
   定するための周波数設定部（５１）を備える請求項１に
   記載の周波数安定化装置。 ３、前記発振制御部（３４）が、前記半導体レーザ（１
   ０）のバイアスを変化させるバイアス制御手段（４２）
   および該半導体レーザ（１０）の動作温度を変化させる
   温度制御手段（４３）の少なくとも１つを制御する請求
   項１に記載の周波数安定化装置。 ４、前記周波数設定部（５１）が、前記ファブリ・ペロ
   ーエタロン（２２）を前記出力光（Ｐ＿０）の光軸に対
   し任意の角度で傾斜させる傾斜手段（６１）、該ファブ
   リ・ペローエタロンの動作温度を変化させる温度制御手
   段（６２）、該ファブリ・ペローエタロンの電気光学効
   果を変化させる電界制御手段（６３）、該ファブリ・ペ
   ローエタロンの光弾性効果を変化させる押圧手段（６４
   ）および該ファブリ・ペローエタロンを構成するミラー
   対の間隔を制御する調整手段（６５）の少なくとも１つ
   からなる請求項２に記載の周波数安定化装置。