JPH05198883A

JPH05198883A - 周波数安定化光源

Info

Publication number: JPH05198883A
Application number: JP35779391A
Authority: JP
Inventors: Yoshizo Honda; 芳三本多
Original assignee: Ando Electric Co Ltd
Current assignee: Ando Electric Co Ltd
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1991-12-26
Publication date: 1993-08-06

Abstract

(57)【要約】【目的】例えばレーザダイオードを利用して、応答速
度の大きな電流負帰還制御系を構成することにより、安
定化された光周波数と、狭いスペクトル線幅とをもつ光
源を提供する。【構成】光分岐器２で光周波数可変光源１の出射光を
シフタ入力光１１とレーザ光１２に分岐し、光周波数シ
フタ３で入力光１１からオフセット光１３を出力する。
光周波数弁別器４Ａは、レーザ光１２に対応する弁別信
号光１６と、オフセット光１３に対応するオフセット弁
別信号光１４を出力する。光検出器５Ａはオフセット弁
別信号光１４を受光し、光検出器５Ｂは弁別信号光１６
を受光する。減算器７Ａは光検出器５Ａ・５Ｂの出力の
差を出力し、光周波数制御器８Ａは光周波数可変光源１
に光周波数制御信号１５Ａを出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ光源外部に光
周波数弁別器を用いてレーザ光源の光周波数の変動を検
出し、その弁別信号からレーザ光源の光周波数に対し負
帰還制御をする周波数安定化光源についてのものであ
る。

【０００２】

【従来技術】レーザ光源の光周波数は、光源内部の利得
媒体や、励起源、温度などにより、自発的に変動した
り、制御することもできる。しかも、出力レーザ光のパ
ワーも同様の原因で変動する。代表的なものに、例えば
レーザダイオード（半導体レーザ）がある。半導体レー
ザの光周波数は、注入電流や、その他、半導体内部の状
態、温度によって変動し、あるいは制御される。

【０００３】これらの光周波数の変動率の数値例を挙げ
ると、半導体の組成がＩｎＧａＡｓＰで発光波長が約
1.5μｍのレーザダイオードでは、注入電流を 1mA増や
すと光周波数は、ほぼ1GHz小さくなり、また、周囲温度
を１°あげると光周波数は、ほぼ 10GHz小さくなる。注
入電流を増やすと、出力光パワーが増える。レーザ発振
の始まるしきい値電流から、ほぼ線形に出力光パワーは
増える。しかし、注入電流と温度を一定に保ったままで
も、半導体内部の揺らぎが原因で、光周波数が数MHz 〜
数十MHz の範囲で高速に変動したりする。内部構造によ
ってはもっと大きいものもあり、経年変化も存在する。

【０００４】例えばコヒーレント光通信などでは、光周
波数が1MHz以下に安定化された光源が必要である。この
場合、レーザダイオードは、小型・低消費電力・長寿命
などの特徴から、注入電流を制御することにより、光周
波数の変動を打ち消し、安定化することができる。この
方式は、電流負帰還制御方式と呼ばれる。

【０００５】次に、電流負帰還制御回路の原理を図３に
より説明する。図３の１は光周波数可変光源であり、外
部からの電気信号により直接または間接に光周波数が変
化するものを使用する。図３にはレーザダイオードを用
い、注入電流で光周波数を変化できることを利用する
が、レーザダイオード以外のレーザ光源でも使用できる
ものもある。周波数可変光源１はレーザ光１１を出射
し、レーザ光１１は光周波数弁別器４Ｂに入力され、そ
の時点での光周波数に応じた強さで出力の弁別信号光１
４が光検出器５Ｃで受光される。

【０００６】次に、光周波数弁別器４Ｂの一例を説明す
る。光周波数弁別器とは入力光の光周波数に応じて出力
信号が変化するものであり、例えば、エタロン（ファブ
リ‐ペロー共振器）を利用することができる。エタロン
の例を図４と図５で説明する。エタロンの構造は、例え
ば図４のような両面がハーフミラーのガラスプレートで
ある。入射光が面に垂直な場合は、入射光と同じ光軸上
において、エタロンの透過光でも、反射光でも、光周波
数弁別信号として利用することができる。例えば、透過
光の光周波数特性は、図５のように高い透過率（共振の
ピーク）と低い透過率が連続的に繰り返し現れる。

【０００７】パワー透過率（出力光パワー÷入射光パワ
ー）は光周波数に依存し、出力光パワーは入射光パワー
に比例する。ピークを繰り返す周波数間隔はＦＳＲ（フ
リー・スペクトル・レンジ）と呼ばれ、両面間の光路長
に反比例し、数値例としては屈折率約 1.5のガラスでプ
レート厚が20mmなら、ＦＳＲは5GHzである。また、共振
のピークの鋭さを表すパラメータは、ピークの両側の光
周波数で、ピーク透過率の半分の透過率を与える両周波
数の差が用いられ、エタロンのＦＷＨＭ（半値全幅）と
呼ばれる。

【０００８】さらに、ＦＳＲ÷ＦＷＨＭはフィネスと呼
ばれ、光がエタロン内部を１往復したときの光の減衰率
だけで決まり、図４の例では両面のハーフミラーの反射
率でほぼ決まる。数値例として、両面ともにハーフミラ
ーのパワー反射率が0.94なら、フィネスは50である。Ｆ
ＳＲが5GHzでフィネス50なら、ＦＷＨＭは 100ＭＨｚと
なる。ピーク透過率の0.7 〜0.8 倍くらいの透過率をも
つ光周波数の近くでは、光周波数が5MHz変わると、透過
率は 5〜 6％ほど変わる。

【０００９】図３では、エタロンを光周波数弁別器４Ｂ
として用いる。光検出器５Ｃは弁別信号光１４のパワー
に比例した電気信号を出力し、増幅器６Ｃで増幅後、安
定化周波数との差周波数を検出する回路へ接続される。
すなわち、減算器７Ｃの一方の入力に入る。減算器７Ｃ
の他方の入力には基準電圧源７Ｄが接続され、両者の差
が出力される。

【００１０】基準電圧源７Ｄは、レーザ光１１の光周波
数が安定化周波数に等しいときに増幅器６Ｃの出力電圧
に等しくなるよう予め設定しておく。レーザ光１１の光
周波数が安定化周波数に等しい場合は、減算器７Ｃの出
力はゼロである。レーザ光１１の光周波数が安定化周波
数からずれた場合は、２つの入力間に差が生じるので、
減算器７Ｃの出力は差周波数に応じた信号となり、次の
電流加算器８Ｂの一方の入力に入る。電流加算器８Ｂの
他方の入力には、基準電流源８Ｃが接続される。

【００１１】電流加算器８Ｂの出力は光周波数可変光源
１の光周波数を制御する信号として接続されるが、光源
１がレーザダイオードである場合は、電流加算器８Ｂの
出力は、レーザダイオードの注入電流である。したがっ
て、レーザダイオードの光周波数が安定化周波数と一致
したときは、電流加算器８Ｂへの減算器７Ｃからの入力
はゼロだから、基準電流源８Ｃの電流が、レーザダイオ
ードの注入電流となる。ここで、基準電流源８Ｃは、レ
ーザダイオードの光周波数が安定化周波数に等しくなる
ように予め設定しておく。

【００１２】次に、図３の光周波数が安定化される動作
を図６を用いて説明する。図６は、図５の光周波数帯域
のうち、レーザ光１１に対する安定化周波数付近を拡大
したものである。安定化周波数はｆ₀₂で、レーザ光１１
の光周波数がｆ₀₂に等しいときは、減算器７Ｃの出力は
ゼロで、レーザダイオードの注入電流は、基準電流源８
Ｃの電流である。

【００１３】光周波数が低くなってｆ₀₁となったとき
は、弁別信号光１４のパワーが大きくなり、減算器７Ｃ
の出力は小さくなる。このとき、電流加算器８Ｂは注入
電流を小さくすることになるから、結果的に、レーザダ
イオードの光周波数は上昇して、ｆ₀₂になるまでこの作
用が続く。逆に、光周波数が高くなってｆ₀₃となったと
きは、弁別信号光１４のパワーが小さくなり、減算器７
Ｃの出力は大きくなる。このとき、電流加算器８Ｂは注
入電流を大きくすることになるから、結果的に、レーザ
ダイオードの光周波数は低下して、ｆ₀₂になるまでこの
作用が続く。

【００１４】実際の光源では、出力パワーが変動する。
例えば、レーザダイオードの場合には、半導体内部の状
態の揺らぎや、制御電流の変化、温度変動、レーザへの
戻り光の存在などが原因である。図３の増幅器６Ｃの出
力信号の大きさは、光周波数弁別器４Ｂの入射レーザ光
１１のパワーと、その光周波数における透過率との両方
に比例するので、光源１の変動でレーザ光１１の光パワ
ーが変化すると、光周波数の変化の有無とは関係なく、
減算器７Ｃの出力は変化する。このため、光源１への光
周波数制御信号１５Ｃとして戻される。例えば、光パワ
ーが 5％近く変わると、弁別信号光１４の変化は光周波
数が5MHzほど変わった場合と同じ大きさになり、結局、
光源１の光周波数は5MHz変えられてしまう。

【００１５】次に、図３を改良した周波数安定化光源の
構成を図７により説明する。図７は光源１の出力光パワ
ーの変動を検出することによって影響を相殺し、光周波
数の変化だけを検出して負帰還制御をするものであり、
図３の構成に光パワー検出と光パワーの影響相殺という
作用を追加したものである。光源１の出力光は、光分岐
器２によって、光周波数弁別器４Ｂに入射されるレーザ
光１１と、光パワー検出のためのレーザ光１２とに分岐
される。レーザ光１２は光検出器５Ｄで受光され、増幅
器６Ｄで増幅されて除算器７Ｂの一方の入力に入る。光
周波数弁別器４Ｂの出力１４は光検出器５Ｃで受光され
て増幅器６Ｃで増幅され、除算器７Ｂの他方の入力に入
る。

【００１６】増幅器６Ｃの出力は、光源１の出力パワー
と光周波数弁別器４Ｂの透過率の両方に比例し、増幅器
６Ｄの出力は、光源１の出力パワーに比例する。このた
め、除算器７Ｂの出力は、光源１の出力パワーには依存
せず、光周波数弁別器４Ｂの透過率だけに依存するの
で、図７の減算器７Ｃの入出力は光周波数の変化だけが
現れる。光源１の注入電流は、光周波数の変化だけに依
存する。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】図７には変動の速さに
対する応答速度の問題がある。図７の除算器７Ｂは内部
の回路構成が複雑なので、現状では約1MHzの信号応答が
速さの限界があるが、光検出器、増幅器、減算器、電流
加算器などは、数十MHz 以上の信号にも充分応答するの
で、電流負帰還系の応答速度のネックは除算器７Ｂであ
る。したがって、図７では、1MHzより速い光周波数変動
成分（発振スペクトル線幅として説明される）に対して
は、安定化されないことになる。このことは例えば、次
に述べる理由でスペクトル線幅の狭いレーザ光が得られ
ないことになる。

【００１８】発振スペクトル線幅が1MHz以下の狭いレー
ザ光を得るのに用いるレーザダイオードは、現状で、光
周波数安定化制御をしない状態での発振スペクトル線幅
は、数MHz 〜数十MHz である。この種の変動を減らする
ためには、電流負帰還系の応答帯域を発振スペクトル線
幅と同程度かそれ以上とする必要がある。したがって、
図７のように除算器を用いる構成では、応答速度が1MHz
程度を越えられないので、レーザダイオードのうち発振
スペクトル線幅が数MHz 以上のものを用いて、スペクト
ル線幅が1MHz以下のレーザ光を得ることはできない。

【００１９】

【発明の目的】この発明は、単体での発振スペクトル線
幅が数MHz 〜数十MHz であり、しかも電気信号により光
周波数が変化するレーザ光源、例えばレーザダイオード
を利用して、電流負帰還制御系が数十MHz 以上の応答帯
域をもつ構成にし、安定化された光周波数と、狭いスペ
クトル線幅とをもつ光源の提供を目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】図７では、除算器７Ｂの
ため応答速度が制限されたが、この発明では、弁別信号
への光源１の出力光パワーの変動の影響を相殺するため
に、図１の手段により、除算器を用いない構成にする。
すなわち、光周波数可変光源１と、光周波数可変光源１
の出射光をシフタ入力光１１とレーザ光１２に分岐する
光分岐器２と、シフタ入力光１１の光周波数を一定のｆ
ａだけシフトした光周波数をもつオフセット光１３を出
力する光周波数シフタ３と、レーザ光１２とオフセット
光１３を入力とし、レーザ光１２に対応する弁別信号光
１５と、オフセット光１３に対応するオフセット弁別信
号光１４を出力する光周波数弁別器４Ａと、オフセット
弁別信号光１４を受光する光検出器５Ａと、弁別信号光
１５を受光する光検出器５Ｂと、光検出器５Ａの出力と
光検出器５Ｂの出力の差を出力する減算器７Ａと、減算
器７Ａの出力を入力とし、光周波数可変光源１に光周波
数制御信号１５Ａを出力する光周波数制御器８Ａとを備
え、光周波数可変光源１の光周波数は、光周波数制御信
号１５Ａに従って変化するものである。

【００２１】

【作用】次に、この発明による周波数安定化光源の構成
を図１により説明する。図１の３は光周波数シフタ、４
Ａは光周波数弁別器、５Ａと５Ｂは光検出器、６Ａと６
Ｂは増幅器、７Ａは減算器、８Ａは光周波数制御器であ
り、その他は図７と同じものである。

【００２２】光周波数可変光源１の出射光は、光分岐器
２で２つに分岐される。一方のレーザ光１２は、光周波
数弁別器４Ａに入射され、その出力である弁別信号光１
６は、光検出器５Ｂで受光され、電気信号となって、増
幅器６Ｂで増幅され、減算器７Ａの一方の入力に入る。
光分岐器２の他方の出力であるシフタ入力光１１は、光
周波数シフタ３に入射する。

【００２３】光周波数シフタ３は、入射光周波数を常に
一定のｆａだけシフトした光周波数にして出力する。こ
の出力光であるオフセット光１３は、光周波数弁別器４
Ａに入射され、その出力であるオフセット弁別信号光１
４は、光検出器５Ａで受光され、電気信号となって、増
幅器６Ａで増幅され、減算器７Ａの他方の入力に入る。
したがって、減算器７Ａの出力は、光周波数が常に一定
のｆａだけ異なる２種の光周波数に対応する弁別信号の
差である。

【００２４】次に、減算器７Ａの出力は、光周波数制御
器８Ａに入り、光周波数制御信号１５Ａとなって、光周
波数可変光源１の光周波数を制御する。ここで、目標と
する安定化周波数は、光周波数弁別器４Ａの特性と、減
算器７Ａの出力がゼロのときの光周波数制御器８Ａの出
力で決まるが、ｆａが正の数であるときの安定化の作用
について、図２を用いて説明する。光周波数弁別器４Ａ
の弁別特性は、図２の山型の曲線のように、ある光周波
数でピークをもち、その両側の光周波数では同様の傾き
でピークから離れていくものとする。この性質は、エタ
ロンを用いれば実現できる。

【００２５】光周波数弁別器４Ａに同時に入射されてい
る２つの光周波数、ｆ₀₂（レーザ光１２）とｆ₀₂＋ｆａ
（オフセット光１３）が、図２のようにピークの光周波
数をはさんで、弁別特性の傾きの極性の異なる点にある
状態をつくる。ここで、レーザ光１２の光周波数が変化
する場合において、下降してｆ₀₁になると弁別信号１６
は小さくなり、上昇してｆ₀₃になると弁別信号１６は大
きくなるが、他方、オフセット光１３の光周波数は、ｆ
₀₁に対応してｆ₀₁＋ｆａとなるとオフセット弁別信号１
４は大きくなり、ｆ₀₃に対応してｆ₀₃＋ｆａとなるとオ
フセット弁別信号１４は小さくなる。

【００２６】増幅器６Ａ・６Ｂの増幅率を含めて、光周
波数可変光源１の光周波数がｆ02であるときに、減算器
７Ａの出力がゼロになるように設定しておくと、光周波
数ｆ0 の変化と共に減算器７Ａの出力は単調に変化す
る。すなわち、ｆ₀ が低くなると、減算器７Ａの出力
は、正となり、ｆ₀ が高くなると、減算器７Ａの出力
は、負となる。

【００２７】しかも、この構成で光周波数可変光源１の
光パワーが変化した場合、減算器７Ａの２つの入力信号
はどちらも光周波数可変光源１の光パワーに比例して同
様に増減するから、減算器７Ａの出力が正から負に変わ
れば、光周波数は低から高に変わるので、減算器７Ａの
出力ゼロは、いつも光周波数が目標の光周波数になる。

【００２８】光周波数制御器８Ａは、ｆ₀₂より光周波数
が高いか低いかで符号が変わる減算器７Ａの出力によっ
て、光周波数可変光源１の光周波数を上下させる光周波
数制御信号１５Ａを出力する。

【００２９】

【実施例】光周波数可変光源１には、波長が1.5 μｍ
で、発振スペクトル線幅が約 20MHzであり、ＩｎＧａＡ
ｓＰで構成されるレーザダイオードを用いる。光周波数
シフタ３には、超音波光変調器（ＡＯＭ）を用いる。シ
フト周波数は、数十MHz から百数十MHz のものがある
が、ここでは、80〜120MHzのものを用いる。このシフト
周波数はＡＯＭ内部の電子回路が発生源なので、水晶発
振器を利用すれば、ここでは、シフト周波数は常に一定
と見なせる。

【００３０】光周波数弁別器４Ａには、ガラスプレート
の両面にハーフミラーとなる誘電体を蒸着したエタロン
を用いる。プレート厚20ｍｍ、屈折率 1.5、両ハーフミ
ラーそれぞれのパワー反射率0.94とすれば、図２の山型
の幅は約100MHzである。シフト周波数ｆａの場合、ほぼ
図２の状況が達成される。

【００３１】光周波数制御器８Ａは、図３や図７の構成
と同じく、電流加算器８Ｂと基準電流源８Ｃを用いる。
すなわち、減算器７Ａの出力を電流加算器の一方に入力
し、他方の入力には、基準電流源を接続する。電流加算
器の出力を、レーザダイオード１の注入電流にする。す
なわち、光周波数制御信号１５Ａである。

【００３２】したがって、減算器７Ａの出力がゼロのと
きは、基準電流源の電流が注入電流になるから、エタロ
ンの透過率とレーザダイオードの光周波数の関係が図２
の状況になるよう、予め基準電流源を設定しておく。設
定は、基準電流源を例えば20μＡずつ変えるとレーザダ
イオードの光周波数は、約 20MHzくらい変わるので、増
幅器６Ｂの出力の観測により、透過率が変化するのがわ
かる。エタロンの透過率は、光周波数に対する透過率変
化が大きい点であるピークの0.6 〜0.8 倍であるところ
に、設定すればよい。増幅器６Ａ・６Ｂの増幅度につい
ても、この光周波数で減算器の２つの入力が等しくなる
ように、予め設定する。

【００３３】

【発明の効果】この発明によれば、負帰還系から除算器
を排除した構成にしたので、光周波数を高速に負帰還制
御することができるので、レーザ光源を用いて、光周波
数が安定し、スペクトル線幅の狭いレーザ光を得ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による周波数安定化光源の構成図であ
る。

【図２】図１の光周波数安定化の作用を周波数軸上で示
す図である。

【図３】従来技術による周波数安定化光源の構成図であ
る。

【図４】エタロン（光周波数弁別器）の構造例を示す図
である。

【図５】エタロン（光周波数弁別器）の光周波数特性図
ある。

【図６】図３の動作説明図である。

【図７】図３を改良した周波数安定化光源の構成図であ
る。

【符号の説明】

１光周波数可変光源２光分岐器３光周波数シフタ４Ａ光周波数弁別器５Ａ光検出器５Ｂ光検出器６Ａ増幅器６Ｂ増幅器７Ａ減算器８Ａ光周波数制御器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光周波数可変光源(1) の出射光をシフタ
入力光(11)とレーザ光(12)に分岐する光分岐器(2) と、シフタ入力光(11)の光周波数を一定周波数ｆａだけシフ
トしたオフセット光(13)を出力する光周波数シフタ(3)
と、レーザ光(12)とオフセット光(13)を入力とし、レーザ光
(12)に対応する弁別信号光(15)と、オフセット光(13)に
対応するオフセット弁別信号光(14)を出力する光周波数
弁別器(4A) と、オフセット弁別信号光(14)を受光する第１の光検出器(5
A)と、弁別信号光(15)を受光する第２の光検出器(5B)と、第１の光検出器(5A)の出力と第２の光検出器(5B)の出力
の差を出力する減算器(7A)と、減算器(7A)の出力を入力とし、光周波数可変光源(1) に
光周波数制御信号(15A) を出力する光周波数制御器(8A)
とを備えることを特徴とする周波数安定化光源。