JPH04158591A - 周波数安定化光源 - 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、レーザ光源の周波数安定化装置に関するもの
であり、例えば、アセチレン分子が持つ１．５μｍ帯の
光吸収スペクトルのうち、一つの光吸収ピークを周波数
基準とし、この光吸収ピークにレーザ光の周波数を固定
して周波数を安定化させる周波数安定化光源に関する。 また、本発明は、原理的に無変調で光周波数を高確度に
安定化できるため、特に、次世代通信方式として研究が
進められている光へテロダイン通信において雑音成分の
少ない発信局光源及び受信局光源として利用できる。

【従来技術】

レーザ光源の光周波数を安定化させる方法としては、特
定周波数の光吸収ピークを持つ原子又は分子を封入した
光吸収セルを周波数基準として用いる方法、ファブリベ
ロー共振器の光共振透過特性を周波数基準として用いる
方法などが検討されているが、原子又は分子を封入した
光吸収セルによる安定化の方法が最も周波数安定度が高
く、簡単にシステム化できる利点がある。そのため、ル
ビジウムやセシウム原子を封入した吸収セルにより０．
８μｍ帯の半導体レーザのレーザ光の周波数安定化光源
の実用化がすでに行われており、アラン分散評価でσ＝
　１０′□＋２程度の安定度が実現されている。 一方、この原子又は分子を封入した光吸収セルの吸収ピ
ークによる特定周波数にレーザ周波数を固定する方法と
しては、従来から様々な制御方法が提案されている。代
表的なものとしては、次の３つの方法が挙げられる。 （１）吸収スペクトルの微分信号による制御本制御方法
は、発振周波数に直接変調をかけたレーザ光を、光吸収
セルに入射させ、光検出器でレーザ光の発振周波数に応
した透過光強度を検知し周波数制御を行う方法である。 検知される透過光強度は、レーザ光の周波数に変調がか
かっているため光吸収セルの吸収ピーク曲線に従った強
度変調を持つ。この強度変調に対応した光検出器の出力
信号を、ロックインアンプに人力し、半導体レーザに変
調を加えるときに利用した変調信号と位相同期検波する
ことにより、吸収スペクトルの周波数に対する微分値出
力を得る。この微分値出力は、レーザ光の周波数が光吸
収セルの吸収周波数と一致したときは０となり、周波数
が吸収周波数を原点として正負にずれたときはそれぞれ
負及び正の値となる。そのため、周波数弁別特性をもつ
。したがって、この信号を半導体レーザ電源に負帰還し
、前記微分値出力が零となるように出力電流をコントロ
ールすることにより、レーザ光の周波数を光吸収セルの
吸収周波数に安定化することができる。 （２）音響光学変調器による制御 本制御方法は、半導体レーザのレーザ光を任意の周波数
でＯＮ、ＯＦＦさせている音響光学変調器に入射させ、
ＯＮのときにはＯＦＦのときのレーザ光の周波数に音響
光学変調器の駆動周波数の変調器が加わるようにする。 また、音響光学変調器をＯＮとＯＦＦさせたときに、そ
れぞれの状態のレーザ光の周波数が光吸収セルの吸収ピ
ークの中心周波数を挟むように半導体レーザを調整し、
音響光学変調器の出力光を光吸収セルに入射させて、そ
の透過光を光検出器で検知する。この信号をロックイン
アンプに入力し、音響光学変調器のＯＮ、ＯＦＦをさせ
ている発振器の周波数と位相同期検波することにより、
吸収ピークの周波数に対する微分の近似値を得る。この
近似値を半導体レーザ１ｔＢに負帰還し、近似値が零と
なるように出力電流をコントロールすることにより、レ
ーザ光の周波数を光吸収セルの吸収周波数に安定化する
ことができる。 （３）透過率測定による制御 半導体レーザの出力光を、ビームスプリッタにより一定
の強度比率に２分岐する。 一方の光は第１の光検出器に直接入射させ、他方の光は
光吸収セルに通過させたのち第２の光検出器で検知する
。吸収ピーク曲線の傾きが最も大きくなる周波数におい
て、それぞれの光検出器の出力が等しくなるようにゲイ
ンを調整する。それぞれの検出器の出力を差動アンプに
入力し、その差分を出力させる（以下、差動出力値とい
う、）。 この差動出力値は、特定周波数において０、特定周波数
からずれた場合、正負の電圧を出力する周波数弁別信号
となる。そして、差動出力値が零になるように、半導体
レーザの電源に、この差動出力値を負帰還させることに
より、レーザ光の周波数を光吸収セルの吸収ピーク近傍
の特定周波数に安定化することができる。

【発明が解決しようとする課Ｍ】

しかしながら、前述したこれらの制御方法にはそれぞれ
次のような課題がある。 （１）の制御方法は、半導体レーザに加える微弱な変調
と、ロックインアンプを用いた位相同期検波により光吸
収セルの光吸収微分曲線を得て、半導体レーザ出力光の
中心周波数の安定化を図っている。そのため、どうして
も半導体レーザの出力光周波数に微弱な変調がのってし
まう欠点が有る。 さらに位相同期検波を行っているためにロックインアン
プの時定数よりも短い時間での周波数安定化が不可能で
ある。 （２）の制御方法も、以上に述べた（１）の制御方法と
同様な課題を有する。 （３）の制御方法は、（１）、（２）の制御方法と比較
して半導体レーザの出力光周波数に変調がのることはな
い上にロックインアンプを必要としないため短期安定度
がよいと言う長所があるが、その反面、光吸収セルの光
吸収ピークでの周波数にレーザ光の周波数を安定化する
ことが不可能なため（１）及び（２）の制御方法と比較
し、周波数の確度が失われてしまうという課題がある。

【課題を解決するための手段】

そこで、本発明では、光学系とフィードバック系の２つ
で成る制御系を採ることとする。 光学系において半導体レーザのレーザ光を２分して周波
数遷移量が等しく、かつ、周波数の遷移方向が互いに逆
である２つの光周波数シフタを用いて、２分したレーザ
光の周波数をそれぞれ遷移させる。そして、その周波数
遷移したレーザ光を光吸収セルに通した後に透過光量を
検出する構成とする。ただし、周波数遷移した２つのレ
ーザ光は半導体レーザへの注入電流又は温度によってそ
れぞれの光周波数が光吸収ピークの高周波数側の側面と
低周波数側の側面になるように調整する。 また、フィードバック系においては検出された二つの透
過光量を比較し、その比較出力が零となるように半導体
レーザの注入電流に負帰還をかけることで周波数を安定
化する構成とする。

【作用】

このような手段をとることにより、無変調の信号を用い
ながら、なお、高精度の発振周波数制御を半導体レーザ
に施すことができるようになる。

【実施例】

第１図は、本発明の一実施例を示したものである。半導
体レーザ１からの周波数ｆ　ＬＤのレーザ光をビームス
プリンタ２により２方向に分岐する。 それぞれの光をａ光、ｂ光と名付ける。光の進路は２本
の実線で成る矢印で示しである。 ａ光は、ビームスプリッタ２を透過後、第１の光周波数
シフタ３により周波数ｆ　ＬＤ＋Δｆに周波数遷移され
る。一方、ｂ光は、第２の光周波数シフタ４により周波
数ｆ　ＬＤ−Δｆに周波数遷移される。ａ光、ｂ光をそ
れぞれ周波数弁別器５に入射する。周波数弁別器５は、
所定の周波数だけを吸収する特性（光吸収特性）を有し
、所望の光吸収特性が得られるようにした光吸収セル、
エタロンなどを用いることができる。本実施例では光吸
収セルを用いた場合について説明する。光吸収セルの中
には、アセチレン（Ｃｚ）ｌｚ）、水蒸気（ＬＯ）、ル
ビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）などのガスが、単
独又は複数種類封入されており、特定周波数において封
入物質で定まる吸収スペクトルを有する。 第２図は、光吸収ガスとしてアセチレンを封入した場合
の光吸収セルにおける吸収スペクトルの一例を示したも
のである。この図から明かなように、レーザ光の周波数
（横軸）が変化するのに対応してレーザ光が光吸収セル
を透過する透過光強度（横軸）も変化する。 周波数弁別器５を透過したａ光とｂ光はそれぞれ第１の
光検出器６、第２の光検出器７で電気信号Ｖ、、Ｖ、に
変換される。この場合、吸収ピークの周波数をｆｏとし
、半導体レーザ１からの周波数ｆＬゎが、ｆ　ＬＤ　＝
　ｆ　ｏのときにＶ、＝Ｖ、となるようにビームスプリ
ッタ２の分岐比もしくは光検出器６，７の出力ゲインな
どを調整しておく。 差動アンプ８に電気信号Ｖ、と■、を入力すると、差動
出力値　Ｖ、、、＝Ｖ、−Ｖ、　　を得ることができる
。 第３図に示す通り、横軸に半導体レーザ１からの周波数
ｆ　ＬＤ　［Ｈ２］、縦軸に差動出力値Ｖ　ｄｅｆ　［
四をとると、この曲線は吸収ピークの一次微分の近位と
なる。 ■４．．の値は、 ｆゆ＜ｆｏでは　Ｖｄ、ｆ〈０、 ｆＬＩｌ−ｆｏでは　Ｖ　ａ−ｔ　＝　０、ｆ　Ｌｌｌ
　＞　ｆ　ｏでは　Ｖ、、、＞Ｏとなる。 そのため、このｖ　ａｍ　ｔを駆動電流源９に負帰還さ
せることにより、レニザ光の周波数ｆ　ＬＤを常にｒｏ
に安定化することができる。

【発明の効果】

以上、述べたように本発明の周波数安定化光源の制御系
では、発振レーザを光学系で２分して、それぞれ逆方向
に周波数シフトさせた後、周波数弁別器を通してそれぞ
れの光の透過光強度を検出し、フィードバック系で２つ
の光の強度から得られる信号の差動出力値が零となるよ
う制御した。 そのため、本発明による周波数安定化光源は、変調方式
を採用することなく、しかも次に示すような固有の効果
を有することができた。 （１）　　吸収ピークの周波数にレーザ光の周波数を安
定化することができる（差動法ではレーザ光の周波数を
吸収ピークの側面に安定化させることになる。）ため温
度ドリフトの影響を受は難く、長期安定度が非常にりれ
た周波数安定化光源が実現できた。 （２）　　位相検波法による安定化のような時定数によ
る帯域の制限が無いため、制御系の帯域を広げることに
より、周波数の短期安定度が非常に優れた周波数安定化
光源が実現できた。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による周波数安定化光源の一実施例の構
成を、第２図は吸収セル中のアセチレンの光吸収スペク
トルを、第３図は差動出力値とレーザ光の周波数との関
係をそれぞれ示す。 図において、１は半導体レーザ、２はビームスプリフタ
、３は第１の光周波数シフタ、４は第２の光周波数シフ
タ、５は周波数弁別器、６は第１の光検出器、７は第２
の光検出器、８は差動アンプ、９は駆動電流源　をそれ
ぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光源（１）と；該レーザ光源から出力されるレー
   ザ光線を２分割するためのビームスプリッタ（２）と；
   該ビームスプリッタで分割されたそれぞれのレーザ光の
   周波数を遷移させるための第１の光周波数シフタ（３）
   及び第２の光周波数シフタ（４）と；該第１の光周波数
   シフタ及び第２の光周波数シフタでそれぞれ周波数遷移
   されたレーザ光線をそれぞれ透過させ、かつ、特定周波
   数の光を吸収する周波数弁別器（５）と；該周波数弁別
   器を透過したレーザ光のそれぞれの光強度を検出し、そ
   の検出した光強度に応じた信号を出力する第１の光検出
   器（６）及び第２の光検出器（７）と；該信号に応じて
   前記レーザ光源からの出力光の周波数を前記周波数弁別
   器の光吸収特定周波数に一致せしめるように、前記レー
   ザ光源を制御する制御回路（８）とからなることを特徴
   とする周波数安定化光源。