JPH0453014Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本考案は、半導体レーザの波長を原子や分子の
吸収線に制御して安定化する半導体レーザ波長安
定化装置の特性の改善に関する。

《従来の技術》 第６図は本考案の先行技術である半導体レーザ
波長安定化装置を示す構成ブロツク図である。
LD１は半導体レーザ、PE１はこの半導体レーザ
LD１を冷却または加熱するペルチエ素子、CT１
はこのペルチエ素子PEを駆動して前記半導体レ
ーザLD１の温度を一定に制御する温度制御手段、
TB１はこれらを格納して温度変動を減少させる
恒温槽、BS１は前記半導体レーザLD１の出力光
を２方向に分離するビームスプリツタ、UM１は
このビームスプリツタBS１の一方の出射光を入
射し変調手段を構成する音響光学変調器、CL１
はこの音響光学変調器UM１の回折光出力を入射
し特定の波長の光を吸収する標準物質（ここでは
C_s）を封入した吸収セル、PD１はこの吸収セル
CL１の透過光を入射する光検出器、Ａ１はこの
光検出器PD１の出力電気信号を入力する増幅器、
LA１はこの増幅器Ａ１の電気出力を入力するロ
ツクインアンプ、CT２はこのロツクインアンプ
LA１の出力を入力し前記半導体レーザLD１の電
流を制御する制御手段を構成するPIDコントロー
ラ、SW１は前記音響光学変調器UM１にその一
端が接続するスイツチ、SG１はその出力で前記
スイツチSW１が周波数m（例えば2kHz）でオン
オフする信号発生器、SG２は前記スイツチSW１
の他端に接続する周波数_D（例えば80MHz）の第
２の信号発生器である。

半導体レーザLD１は恒温槽TB１内で温度検
出信号を入力する制御手段CT１によりペルチエ
素子PE１を介して一定温度に制御されている。
半導体レーザLD１の出力光はビームスプリツタ
BS１で２方向に分離され、、反射光は外部への出
力光となり透過光は音響光学変調器UM１に入射
する。スイツチSW１がオンの時音響光学変調器
UM１は信号発生器SG２の周波数_Dの出力で駆
動されるので、周波数ν_Oの入射光の大部分は回折
して周波数（ドツプラ）シフトを受け、１次回折
光として周波数ν_O＋_Dの光が吸収セルCL１に入
射する。スイツチSW１がオフのときは入射光は
全て０次回折光として周波数ν_Oで吸収セルCL１
に入射する。スイツチSW１は信号発生器SG１の
周波数mのクロツクで駆動されるので、吸収セ
ルCL１に入射する光は変調周波数m、変調深さ
_Dの周波数変調を受けることになる。第７図はC_s
原子のエネルギー凖位を示す説明図で、第８図の
スペクトル吸収線図に示すように852.112nm付近
の波長で9.2GHz離れた位置に２本の吸収スペク
トルを有する。吸収セルCL１に音響光学変調器
UM１で変調された光が入射すると、第９図の動
作説明図に示すように吸収信号の箇所でのみ透過
光量が変調を受けて出力に信号が現れる。この信
号を光検出器PD１で電気信号に変換し増幅器Ａ
１を介してロツクインアンプLA１において周波
数mで同期整流すれば、第１０図の周波数特性
曲線図に示すような１次微分波形が得られる。
PIDコントローラCT２により半導体レーザLD１
の電流を制御して、ロツクインアンプLA１の出
力を前記１次微分波形の中心にロツク（制御）す
れば半導体レーザの出力光はν_s−_D／２の安定な
周波数となる。

上記のような装置によれば、レーザの発振周波
数が変調されていないので、瞬時的にも非常に安
定な光源となる。

また音響光学変調器UM１の回折効率が変化し
ても、変調に寄与しない光の成分（０次回折光）
が増えて信号強度が下がるのみで、中心波長には
影響しない。

《考案が解決しようとする問題点》 しかしながら、上記のような構成の半導体レー
ザ波長安定化装置では、原子の吸収線にロツクす
るための信号を半導体レーザの電流にフイールド
バツクしているため、半導体レーザのチツプ温度
が変化して温度の制御性が悪くなる上に、レーザ
出力強度が変化してしまうという欠点があつた。

本考案はこのような問題点を解決するためにな
されたもので、温度制御性が良く、光出力強度が
一定な半導体レーザ波長安定化装置を実現するこ
とを目的とする。

《問題点を解決するための手段》 本考案は標準物質の吸収スペクトル線に半導体
レーザの波長を制御して波長を安定化する半導体
レーザ波長安定化装置に係るもので、その特徴と
するところは台上に半導体レーザ素子とこの半導
体レーザ素子からの出射光を反射するミラーとを
切り欠き部を介して配設し前記切り欠き部の間隔
を変えることにより半導体レーザ素子の波長が変
化するように構成した半導体レーザと、この半導
体レーザの出力光の一部を入射して周波数変調す
る変調手段と、この変調手段の出力光を入射して
特定の波長で吸収を起こす標準物資を封入した吸
収セルと、この吸収セルの透過光を電気信号に変
換する光検出器と、この光検出器の出力電気信号
に関連する電気信号で前記切り欠き部の間隔を制
御する制御手段とを備える点にある。

《作用》 切り欠き部の間隔を制御して波長を吸収線に制
御しているので、半導体レーザのチツプ温度が変
化しないで温度の制御性が良くなり、レーザ出力
強度が変化しない。

《実施例》 以下本考案を図面を用いて詳しく説明する。

第１図は本考案の一実施例を示す構成ブロツク
図である。第６図と大きく異なるのは半導体レー
ザLD１０が以下に示すように外部共振を利用し
て波長可変となる点である。

第２図は第１図装置の半導体レーザLD１０の
詳細な構成を示す要部構成説明図である。１は半
導体レーザ素子、２はこの半導体レーザ素子１の
出射光を入射するミラー、３はこのミラー２およ
び半導体レーザ素子１をその上に設置する台（マ
ウントとも呼ぶ）、４はこの台３上の前記半導体
レーザ素子１とミラー２の間に設けられた切り欠
き部、４１はこの切り欠き部４の拡張部、５はこ
の切り欠き部４の間隔を変える手段として切り欠
き部４の間に挿入されたPZT等の圧電素子、６
は前記台３と一体化したこの装置を支持するため
のステム部、７はこの装置のパツケージ部、８は
このパツケージ部７の一部に設けられたレーザ出
力用のガラス窓、９は前記半導体レーザ素子１や
圧電素子４に接続するリード線である。

PIDコントローラCT２の出力は上記半導体レ
ーザLD１０の圧電素子５に電圧信号の形でフイ
ードバツクされ、バイアス電流I_Bが半導体レーザ
素子１のレーザ電流として加えられる。

上記のような構成の半導体レーザ波長安定化装
置の動作を以下に詳しく説明する。

第２図の半導体レーザLD１０において、半導
体レーザ素子１の外側近傍にミラー２を置いて複
合共振器を構成しているので、わずかに異なる２
つの共振器モードができ、半導体レーザ素子１の
共振器長をL₁、半導体レーザ素子１とミラー２
の間で構成する共振器長をL₂とすると、実効的
な共振器間隔は｜L₁−L₂｜となり、モード間隔
が広がる。第３図および第４図はこの様子を示し
たもので、３１はレーザの利得曲線、３３は発振
閾値、３２は発振モードである。圧電素子５に電
圧を印加して弾性変形により切り欠き部４の間隔
を変化させると、L₂すなわち｜L₁−L₂｜が変つ
てモードが移動するので、第４図ａのように広い
範囲に渡つてモードホツピング無く波長を可変に
できる。また温度や電流を変えた場合にも第４図
ｂのように広い範囲に渡つて波長可変にできる。

あらかじめバイアス電流源I_Bで半導体レーザ
LD１０のレーザ電流を最大光出力付近で最もス
ペクトル幅の細い点にしておき、温度を室温付近
に固定する。さらにPIDコントローラCT２によ
り半導体レーザLD１０の圧電素子５にバイアス
電圧をかけ、半導体レーザLD１０の発振波長を
吸収波長の近傍に固定する。その上でフイードバ
ツクループをオンにし吸収線に波長をロツクす
る。

このような構成の波長可変半導体レーザ装置に
よれば、半導体レーザの電流にフイードバツクを
かけていないので、光出力が一定という利点があ
る。

また半導体レーザの電流が一定なので、温度制
御特性が優れている。

また半導体レーザLD１０の出力にモードホツ
ピングが現れないので、任意の半導体レーザ素子
が使えることになり、歩留りが良くなり、価格が
下がる。

また半導体レーザの温度を室温付近にできるの
で、ペルチエ素子PE１のパワーが小さくて済み、
小型にできる。

またレーザ電流を最高出力付近で使えるので、
出力のスペクトル幅が小さくなる。

なお上記の実施例において、切り欠き部におい
ててこを構成し、てこを利用して切り欠き部の間
隔変化を縮小し安定度や波長可変分解能を上げる
こともできる。

またミラー２側の台部を薄くして、ミラー２側
を動かして切り欠き部の間隔を変えるようにする
こともできる。

またミラー２の反射面が傾かないようにミラー
側の台部をロバーバル構造としてもよい。

またミラー２をハーフミラーとして半導体レー
ザ素子１からの光パワーをフオトダイオードでモ
ニタしてもよい。

また上記の実施例ではロツクインアンプLA１
の参照周波数として変調周波数mを用いたがそ
の整数倍の周波数としてもよい。

また吸収セルCL１の標準物資としては、C_sの
ほかに例えばR_b，NH₃，H₂Ｏなどを用いてもよ
い。

また上記の実施例では変調手段として音響光学
変調器を用いているが、これに限らず、例えば電
気光学素子を用いた位相変調器を用いてもよい。
これには例えば縦型変調器、横型変調器、進行波
形変調器などがある（Amnon Yarif：光エレク
トロニクスの基礎（丸善）、p247〜p253）。

また上記の実施例において音響光学変調器UM
１の出射光の一部をポンプ光として吸収セルに入
射し、他の一部を反対の方向から細い光束でプロ
ーブ光として吸収セルに入射して飽和吸収信号を
得る飽和吸収法（堀、角田、北野、藪崎、小
川：：飽和吸収分光を用いた半導体レーザの周波
数安定化、信学技報OQE82−116）を用いれば、
より安定な半導体レーザ波長安定化装置を実現す
ることができる。

第５図は本考案の第２の実施例を示す構成ブロ
ツク図である。第１図と異なる点のみについて以
下に述べる。半導体レーザKD１０の出力光の一
部をビームスプリツタBS２で分岐してこれを第
２の光検出器PD２で検出し、その出力を出力制
御手段CT３に入力し、出力制御手段CT３の出力
で半導体レーザ素子１のレーザ電流を駆動する。

このような構成の装置によれば、光波長の安定
化だけでなく、光出力強度をも高精度に安定化す
ることができる。

なお上記の実施例において、出力制御手段CT
３の出力をレーザ電流に帰還せず、半導体レーザ
の温度に帰還することにより、光出力強度を安定
化してもよい。

《考案の効果》 以上述べたように本考案によれば、温度制御性
が良く、光出力強度が一定な半導体レーザ波長安
定化装置を簡単な構成で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案に係る半導体レーザ波長安定化
装置の一実施例を示す構成ブロツク図、第２図は
第１図装置の半導体レーザ部分を示す構成断面
図、第３図および第４図は第２図装置の動作を説
明する動作説明図、第５図は本考案に係る半導体
レーザ波長安定化装置の第２の実施例を示す構成
ブロツク図、第６図は半導体レーザ波長安定化装
置の先行技術を示す構成ブロツク図特性曲線図、
第７図〜第１０図は第６図装置の動作を説明する
ための動作説明図である。 １……半導体レーザ素子、２……ミラー、３…
…台、４……切り欠き部、５……圧電素子、LD
１０……半導体レーザ、UM１……変調手段、
CL１……吸収セル、PD１……光検出器、m…
…変調周波数、LA１……ロツクインアンプ、CT
２……制御手段。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 標準物質の吸収スペクトル線に半導体レーザ
   の波長を制御して波長を安定化する半導体レー
   ザ波長安定化装置において、台上に半導体レー
   ザ素子とこの半導体レーザ素子からの出射光を
   反射するミラーとを切り欠き部を介して配設し
   前記切り欠き部の間隔を変えることにより半導
   体レーザ素子の波長が変化するように構成した
   半導体レーザと、この半導体レーザの出力光の
   一部を入射して周波数変調する変調手段と、こ
   の変調手段の出力光を入射して特定の波長で吸
   収を起こす標準物質を封入した吸収セルと、こ
   の吸収セルの透過光を電気信号に変換する光検
   出器と、この光検出器の出力電気信号に関連す
   る電気信号で前記切り欠き部の間隔を制御する
   制御手段とを備えることを特徴とする半導体レ
   ーザ波長安定化装置。 (2) 切り欠き部の間隔を変える手段として切り欠
   き部の間に圧電素子を挿入した実用新案登録請
   求の範囲第１項記載の半導体レーザ波長安定化
   装置。 (3) 変調手段として音響光学変調器を用いた実用
   新案登録請求の範囲第１項記載の半導体レーザ
   波長安定化装置。 (4) 変調手段として電気光学素子からなる位相変
   調器を用いた実用新案登録請求の範囲第１項記
   載の半導体レーザ波長安定化装置。 (5) 標準物質としてR_bまたはC_sを用いた実用新
   案登録請求の範囲第１項記載の半導体レーザ波
   長安定化装置。 (6) 半導体レーザの出力光の一部を受光する第２
   の光検出器と、この光検出器の出力が一定とな
   るように半導体レーザの電流または温度を制御
   する出力制御手段とを備えた実用新案登録請求
   の範囲第１項記載の半導体レーザ波長安定化装
   置。