JPH0496386A - 波長安定化レーザ装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えばコヒーレント光通信や光計測における
波長基準として用いて好適な波長安定化レーザ装置に関
し、特に原子または分子気体の共鳴線および吸収線の波
長や光干渉計の波長を基準波長とし、この基準波長に同
期させたレーザ光を発振し得る波長安定化レーザ装置に
関するものである。

［従来の技術］ 第４図は、従来の波長安定化レーザ装置の構成を示すブ
ロック図である。第４図において符号ｌは半導体レーザ
、２は波長基準媒体、３は受光器、４はロックインアン
プ、５は発振器である。

半導体レーザ１は発振器５により微小量、直接変調（周
波数変調）される。この変調された半導体レーザ１の一
端面からの出射光６は波長基準媒体２を通過し、受光器
３において光電変換されて電気信号に変えられる。この
電気信号は、ロックインアンプ４により発振器５の出力
信号と比較、処理されて誤差信号が得られる。この誤差
信号は半導体レーザ１にフィードバックされ、誤差信号
に基づいて半導体レーザ１の駆動電流を変えることによ
って、上述の波長基準媒体２の基準波長に半導体レーザ
１の中心発振波長を同期させてレーザ光の安定化を図る
ようにしている。ここで、上述の波長基準媒体としては
、クリプトンなどの原子の共鳴線やアンモニアなどの分
子の吸収線、光ファブリペロ干渉計等の光干渉計などが
用いられている。

［発明が解決しようとする課題１ しかしながら、かかる従来の波長安定化レーザ装置では
、波長基準媒体として、一般に波長間隔の大きい原子の
共鳴線を用いた場合、光通信等で使用される限られた波
長帯の範囲において数本の共鳴線しか利用できない欠点
があった。

また、多数の吸収線が存在する分子の吸収スペクトルを
利用する場合には、波長間隔が比較的大き過ぎて、レー
ザ光の波長を吸収スペクトル中の任意の波長に設定する
ことはできない欠点もあった。

さらに、ファブリペロ干渉計を用いる場合においては、
共振器長の設定によって任意の波長に設定できるが、周
囲温度の変化等の外乱によって、その光路長が変化し、
共振点がシフトするなど共振特性の変化してしまう欠点
があった。このように干渉計を用いた場合には、原子の
共鳴線や分子の吸収線を利用する場合と比較して、安定
性にかける問題がある。

本発明の目的は、上述の技術的課題を解決すべ（、レー
ザ光を任意の波長で安定化できる波長安定化レーザ装置
を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、第１の半導体レーザと、該第１の半導体レー
ザからの出射光の一部を周波数変調する第１の光周波数
変調手段と、該光周波数変調手段による周波数変調光の
うち所定の波長の光のみを吸収する媒体と、該媒体を透
過した光を光電変換する第１の光検出器と、該光検出器
からの入力信号と前記第１の光周波数変調手段からの参
照信号とに基づいて前記第１の光周波数変調手段を制御
して、前記第１の半導体レーザの出射光の波長を前記媒
体の吸収波長に同期させる第１のロックインアンプとを
備えた基準レーザ部と、複数の共振波長ピークを有しか
つ前記媒体の吸収波長に同期した前記第１の半導体レー
ザからの出射光を受光する光干渉計と、該光干渉計の光
路長を調節する手段と、前記光干渉計からの透過光を光
電変換する第２の光検出器と、該光検出器からの入力信
号と前記基準レーザ部の第１の光周波数変調手段からの
参照信号とに基づいて前記光路長調節手段を制御して、
前記第１の半導体レーザの出射光の波長に前記光干渉計
の共振波長ピークのいずれか１つの波長を同期させる第
２のロックインアンプとを備えた干渉計部と、第２の半
導体レーザと、該第２の半導体レーザからの出射光の一
部を前記第１の光周波数変調手段と異なる周波数に周波
数変調する第２の光周波数変調手段と、前記干渉計部の
光干渉計を透過した前記第２の半導体レーザからの出射
光の残部が前記第２の光検出器により光電変換されて得
られる入力信号と前記第２の光周波数変調手段からの参
照信号とに基づいて前記第２の光周波数変調手段を制御
して、前記干渉計部の光干渉計の共振波長ピークのいず
れか１つの波長に前記第２の半導体レーザからの出射光
の波長を同期させる第３のロックインアンプとを備えた
ことを特徴とする。

［作　用１ 本発明においては、分子の吸収線を用いて光干渉計を安
定化し、この安定化された光干渉計を使って、従来、安
定化できなかった、光干渉計の共振波長ピーク中の任意
の波長に半導体レーザの発振波長を安定化できる。

［実施例］ 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明の波長安定化レーザ装置の一実施例の構
成を示すブロック図である。この例の波長安定化レーザ
装置は、第１図に示すように、光吸収媒体の吸収波長で
レーザ光を発振する基準レーザ部８と、この基準レーザ
部８からのレーザ光の波長に光干渉計の共振波長ピーク
のいずれか１つの波長を同期、安定化させるとともに、
光干渉計の温度調節を行うことにより光路長を維持して
光干渉計の共振波長ピークを安定化する干渉計部９と、
この安定化された光干渉計の共振波長ピークの何れかの
波長でレーザ光を発振する安定化レーザ部１０とから概
略構成されている。

基準レーザ部８は、半導体レーザ１１と、この半導体レ
ーザ１１からの出射光のうち所定の波長λの光のみを吸
収する波長基準媒体１４と、この波長基準媒体１４を透
過した透過光を光電変換する光検出器Ｉｌｌと、上述の
半導体レーザ１１を直接変調する発振器１１３と、上述
の光検出器Ｉｌｌからの電気信号と上述の発振器１１３
からの参照信号とを比較して上述の半導体レーザ１１か
らの出射光の波長が上述の波長基準媒体１４の吸収波長
λ１となるように上述の発振器１１１を制御するロック
インアンプ１５とから構成されている。

上述の波長基準媒体１４としては、通常のアセチレンガ
ス、アンモニアガス、メタンガス、二駿化炭素等、ある
いは同位体置換アセチレンガス等の光吸収性ガスが好適
に用いられる。いずれのガスを用いても発振波長安定化
を図ることができる。

また、干渉計部９は、複数の共振波長ピークを有すると
ともに上述の半導体レーザ１１からの出射光を光カップ
ラ１１０を介して受光するリング共振器１３と、このリ
ング共振器１３の温度環境を調節してリング共振器１３
の光路長を調節する温度調節器（光路長調節手段）　１
ｇと、上述のリング共振器１３を透過した透過光を光電
変換して電気信号に変える光検出器１１２と、この光検
出器１１２からの電気信号のうち、上述の半導体レーザ
１１からの出射光の波長に対応する電気信号のみを選別
する電気フィルタ１１５と、この電気フィルタ１１５で
選別された電気信号と上述の基準レーザ部８の発振器１
１３からの参照信号とを比較して上述のリング共振器１
３の共振波長ピークの１つが半導体レーザ１１からの出
射光の波長λ１に同期するように温度調節器１８を制御
し、この制御によりリング共振器１３の光路長を安定化
させるロックインアンプ１６とから構成されている。

さらに、安定化レーザ部ｌＯは、第２の半導体レーザ１
２と、この半導体レーザ１２からのレーザ光を周波数変
調する外部変調器１９と、この外部光変調器１９を駆動
する上述の発振器１１３と異なる周波数をもつ発振器１
１４と、上述の第２の半導体レーザ１２からの出射光が
上述の光カップラ１１０を介して上述のリング共振器１
３を透過し、その透過光を光電変換して得た電気信号の
うち、波長λ１以外のリング共振器１３の共振波長ピー
ク中の波長λ。

に対応する電気信号のみを選別する電気フィルタ１１６
と、この電気フィルタ１１６で選別された電気信号と上
述の発振器１１４からの参照信号とを比較して半導体レ
ーザ１２からの出射光の波長がリング共振器１３の共振
波長ピーク中の波長λ２に同期するように発振器１１４
を制御する第３のロックインアンプ１７とから構成され
ている。

上述の基準レーザ部８と安定化レーザ部１０の両片端光
出力は、上述したように光カップラ１１０で重ね合わさ
れ干渉計部９に送られている。

次に、上述した構成からなる波長安定化レーザ装置の動
作を第１図に従って説明する。

半導体レーザ１１は発振器１１３で直接変調され、その
出射光は周波数変調されている。その一部の出射光１１
ｇは波長基準媒体１４を透過して、その透過光は、第２
図（ａ）に示すように、波長λ、の光のみが吸収される
。この透過光は受光器１１１で光電変換され、その電気
信号は入力信号としてロックインアンプ１５に送られる
。このロックインアンプ１５には、一方で発振器１１３
からの参照信号が与えられる。ロックインアンプ１５で
は、上述の入力信号と参照信号とを比較し、波長基準吸
収線とのずれが誤差信号として検出される。この誤差信
号は半導体レーザ１１にフィードバックされ、出射光が
波長λ１となるように発振波長が安定化される。このよ
うにして得られたえ、の波長をもつ安定化光１１９は半
導体レーザ１１から光ファイバおよび光フィバカップラ
１１０を介してリング共振器１３に入射される。

リング共振器１３は、第２図（ｂ）に示すように、その
共振器長に対応した周波数毎に、吸収特性をもつ。ここ
では、複数の吸収線のうちの１つの吸収線を第２図（ａ
）の吸収線の波長λ１に合わせられる。すなわち、波長
λ１に安定化された半導体レーザ１１の出力光１１９は
リング共振器１３を透過し、その透過光は受光器１１２
で光電変換され、その信号だけ電気フィルタ１１５によ
って選択され、ロックインアンプ１６に送られる。この
ロックインアンプ１６には、一方で上述の発振器１１３
からの出力信号が参照信号として与えられる。したがっ
て、ロックインアンプ１６では、第２図（ａ）の吸収線
からのずれが、誤差信号としてロックイン検出される。

この誤差信号は、ロックインアンプ１６からリング共振
器１３の温度調節器１８に送られ、第２図（ａ）に示し
た吸収線の１本の波長が第２図に示す波長λ、となるよ
うにリング共振器１３の温度環境を調節してその光路長
が制御され、安定化される。

このようにして安定化されたリング共振器１３を用いて
第２の半導体レーザ１２の発振波長を安定化する。すな
わち、半導体レーザ１２の片側出射光は、発振器１１３
と異なる周波数の発振器１１４により駆動される外部周
波数変調器１９を用いて第１の半導体レーザ１１の場合
と同様に周波数変調される。この変調光は光カップラ１
１０を通り、リング共振器１３に入射される。このリン
グ共振器１３からの透過光は、受光器１１２で光電変換
され、その信号は電気フィルタ１１６で上述のリング共
振器１３の共振波長ピークの１つの波長λ２に対応する
信号のみが選択される。この選択された信号とリング共
振器１３の共振周波数とのずれは誤差信号としてロック
インアンプ１７でロックイン検出される。この誤差信号
は半導体レーザ１２にフィードバックされ、これにより
例えば第２図（ｂ）の波長λ２に半導体レーザ１２の発
振波長を同期、安定化させる。

また、第２図（ｂ）の共振周波数のどの共振点でも安定
化することが可能である。

上述の実施例では、第１図に示すように半導体レーザ１
１の変調に発振器１１３による直接変調方式を用い、ま
た半導体レーザ１２の変調に外部光変調方式を用いたが
、各半導体レーザにいずれの変調方式を用いても本発明
の目的、効果を達成することができる。なお、外部光変
調器としては、例えば音響光学変調器、ＬｉＮｂＯ５変
調器、電気光学変調器などの変調器を用いても同様の効
果を得ることができる。

また、上述の実施例では、リング共振器１３の光路長調
節手段として温度調節器１８を用いたが、これに限らず
、リング共振器１３の光路長を調節し得る手段であれば
如何なる手段をも使用することができる。

さらに、上述の実施例では、基準レーザ部８と安定化レ
ーザ部ｌＯの両片端光出力を光カップラ１１０で重ね合
わされ干渉計部９に送るように構成したが、これら３つ
の構成要素を相互に光学的に結合する手段であれば、上
述のような光カブラに限らず、光ファイバ等の他の光学
的結合手段を用いて結合してもよい。

（実験例） 第１図に示した装置において、半導体レーザ１１、１２
として波長１．５５００μｍで発振するＩｎＧａＡｓＰ
系の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ型ＬＤ）をそれぞ
れ使用した。セル長５ｃｍの吸収セル１４に、光吸収媒
体として同位体置換アセチレンガス（”Ｃ２Ｈｚ）を１
０　Ｔｏｒｒ封入した。第３図はアセチレンガスと同位
体置換アセチレンガスの吸収特性をそれぞれ示した図で
ある。セル長を１０ｃｍとし、圧力を７６０Ｔｏｒｒと
した。同位体置換アセチレンガスの吸収線のうち、波長
１．５４９４９μｍの吸収線（半値全幅８００ＭＨｚ、
吸収強度１０％）に前記半導体レーザ１１を波長同期さ
せた。発振器１１３の周波数を１０ｋＨｚとし、第１図
の構成系を使って半導体レーザ１１の中心発振波長の変
動をＩ　Ｘ　１０−’ｃｍ　（光周波数にして１　ＭＨ
ｚ）以下に迎えた。

このようにして得た波長安定化光を光フアイバカップラ
１１０を介してリング共振器１３に入射した。ここでリ
ング共振器１３として、直径が１３ｍｍ、損失が０．０
４ｄＢ／ｃｍ、フィネスが３０の石英系導波路形リング
共振器を用いた。このリング共振器の共振周波数間隔は
５　ＧＨｚである。また、温度による屈折率変化は１０
−’／”Ｃで１℃につき１．２５ＧＨｚの共振波長ピー
クのシフトが可能である。半導体レーザ１１の１ｏｋＨ
ｚの変調光の成分を、１０ｋＨｚのバンドパス特性をも
つ電気フィルタ１１５に通し、ロックインアンプ１６で
ロックイン検出し、リング共振器１３の共振器長を安定
化した。

この構成系において、リング共振器１３の共振ピークの
１本を波長１．５４９４９μｍ（光周波数にして１９３
６１２ＧＨｚ）の吸収線に合わせた。共振ピークの周波
数安定性はＩ　Ｍ）ｌｚが得られた。

さらに、半導体レーザ１２の片側出力光を音響光学変調
器１９に入射し、１００ｋＨｚで変調幅１２ＯＮＨｚ（
７）周波数変調を与え、安定化されたリング共振器１３
に入射した。半導体レーザ１２の１００ｋＨｚの変調光
の成分を、１００ｋＨｚのバンドパス特性をもつ電気フ
ィルタ１１６に通し、ロックインアンプ１７でロックイ
ン検出し、リング共振器１３の１本の共振ピーク、波長
１．５４９５３　μｍ（光周波数にして１９３６０７Ｇ
Ｈｚ）で安定化した。この構成系を用いることにより、
半導体レーザ１２の中心発振波長の変動をＩ　Ｘ　１０
−’ｃｍ（光周波数にしてＩ　ＭＨｚ）以下に抑えるこ
とができた。

この実験例では、リング共振器の共振周波数間隔を５　
ＧＨｚとしたので、５　ＧＨｚごとの任意の周波数にお
いて半導体レーザの発振波長を安定化することが可能で
ある。さらに、リング共振器の共振器長を任意に選ぶこ
とにより、任意の波長において安定化も可能である。

特に、光吸収媒体として同位体置換アセチレンガスに加
えて第３図に示したアセチレンガスをも用いれば、１．
５０μ加から１．５６μｍの広範囲にわたって局在する
吸収線間の連続な波長で安定化が可能である。これによ
り１本の吸収線を使う場合に発生するリング共振器の波
長分散特性の影響による周波数誤差を除去することが可
能である。

以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

［発明の効果１ 以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザの
発振波長を極めて高精度で任意の波長に同期させ、安定
化させることができることから、コヒーレント光通信に
おける波長標準光源や光計測における光源として利用で
きる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の波長安定化レーザ装置の一実施例を示
す構成ブロック図、 第２図は光吸収性ガスおよびリング共振器を透過した光
の光強度を示すグラフ、 第３図はアセチレンガスおよび同位体置換アセチレンガ
スの光吸収特性を示すグラフ、第４図は従来の光吸収セ
ルを用いた波長安定化レーザ装置を示す構成ブロック図
である。 １・・・半導体レーザ、 ２・・・吸収セル（波長基準媒体）、 ３・・・受光器、 ４・・・ロックインアンプ、 ５・・・発振器、 ８・・・基準レーザ部、 ９・・・干渉計部、 ｌＯ・・・安定化レーザ部、 １１・・・第１の半導体レーザ、 １２・・・第２の半導体レーザ、 １３・・・リング共振器（光干渉計）、１４・・・吸収
セル（波長基準媒体）、１５・・・第１のロックインア
ンプ、 １６・・・第２のロックインアンプ、 １７・・・第３のロックインアンプ、 １８・・・温度調節器（光路長調節手段）、１９・・・
外部変調器（光周波数変調手段）、１１０・・・光カッ
プラ、 １１１・・・受光器（第１の光検出器）、１１２・・・
受光器（第２の光検出器）、１１３・・・発振器（光周
波数変調手段）、１１４・・・発振器（光周波数変調手
段）、１１５、１１６・・・電気フィルタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）第１の半導体レーザと、該第１の半導体レーザから
   の出射光の一部を周波数変調する第１の光周波数変調手
   段と、該光周波数変調手段による周波数変調光のうち所
   定の波長の光のみを吸収する媒体と、該媒体を透過した
   光を光電変換する第１の光検出器と、該光検出器からの
   入力信号と前記第１の光周波数変調手段からの参照信号
   とに基づいて前記第１の光周波数変調手段を制御して、
   前記第１の半導体レーザの出射光の波長を前記媒体の吸
   収波長に同期させる第１のロックインアンプとを備えた
   基準レーザ部と、 複数の共振波長ピークを有しかつ前記媒体の吸収波長に
   同期した前記第１の半導体レーザからの出射光を受光す
   る光干渉計と、該光干渉計の光路長を調節する手段と、
   前記光干渉計からの透過光を光電変換する第２の光検出
   器と、該光検出器からの入力信号と前記基準レーザ部の
   第１の光周波数変調手段からの参照信号とに基づいて前
   記光路長調節手段を制御して、前記第１の半導体レーザ
   の出射光の波長に前記光干渉計の共振波長ピークのいず
   れか１つの波長を同期させる第２のロックインアンプと
   を備えた干渉計部と、 第２の半導体レーザと、該第２の半導体レーザからの出
   射光の一部を前記第１の光周波数変調手段と異なる周波
   数に周波数変調する第２の光周波数変調手段と、前記干
   渉計部の光干渉計を透過した前記第２の半導体レーザか
   らの出射光の残部が前記第２の光検出器により光電変換
   されて得られる入力信号と前記第２の光周波数変調手段
   からの参照信号とに基づいて前記第２の光周波数変調手
   段を制御して、前記干渉計部の光干渉計の共振波長ピー
   クのいずれか１つの波長に前記第２の半導体レーザから
   の出射光の波長を同期させる第３のロックインアンプと
   を備えたことを特徴とする波長安定化レーザ装置。