JPH05275788A - 周波数安定化半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吸収セルに封入された物質の吸収線を基準と
して半導体レーザの発振周波数を制御する周波数安定化
半導体レーザ装置において、発振周波数が吸収線の中心
に高い精度で一致するように半導体レーザを制御する。 【構成】 同期検波回路７、８により吸収スペクトルの
一次微分と三次微分とを求め、一次微分については高域
通過フィルタ９に、三次微分については低域通過フィル
タ１０に通過させて加算回路１３で加算し、その加算出
力により半導体レーザ１を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザの発振周波
数の安定化に利用する。特に、特定周波数の光を吸収す
る物質を用いて半導体レーザの発振周波数を帰還制御す
る周波数安定化半導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザの発振周波数を安定化する
方法として、特定周波数の光を吸収する物質に半導体レ
ーザの出力光を透過させ、その吸収率が最大となるよう
な周波数に一致するように半導体レーザの発振周波数を
制御する方法が知られている。このような方法を用いた
周波数安定化半導体レーザ装置の例を以下に説明する。

【０００３】図４は第一の従来例を示すブロック構成図
である。

【０００４】半導体レーザ３１には、制御回路４０から
のバイアス電流と発振器３７からの変調信号とが、加算
回路４４を介して供給される。すなわち、変調された電
流が半導体レーザ３１に注入される。この注入電流によ
り半導体レーザ３１は周波数変調された光を出力し、そ
の出力光はビームスプリッタ３２により二つに分岐さ
れ、その一方が周波数安定化出力光として外部に出力さ
れ、他方が、特定周波数の光を吸収する物質、例えばＨ
ＣＮが封入された吸収セル３３に入射する。吸収セル３
３の透過光はフォトダイオード３４に入射し、その出力
が同期検波回路３５に供給される。同期検波回路３５
は、発振器３７の出力信号によりフォトダイオード３４
の出力信号を同期検波し、その出力を加算回路３９に供
給する。加算回路３９は、同期検波回路３５の同期検波
出力に直流電圧源３８からの直流電圧を加算して制御回
路４０に供給する。

【０００５】図５は半導体レーザ３１の発振周波数に対
する同期検波回路３５の出力の変化を示す図であり、図
６は加算回路３９の出力の変化を示す図である。

【０００６】周波数変調された光を吸収セル３３に入射
すると、その吸収周波数に中心周波数が一致する光の吸
収率は大きくなるのに対し、吸収周波数から少し中心周
波数がずれると、その周波数偏移により吸収率が大きく
変化するようになる。さらに中心周波数がずれた場合に
は、吸収率はほぼ一定の値になる。したがって、透過光
パワーを変調周波数と同一の周波数により同期検波すれ
ば、周波数に対する吸収率の変化、すなわち吸収スペク
トルの一次微分が得られる。

【０００７】しかし、バイアス電流を変調しているた
め、半導体レーザ３１の出力が周波数変調と同時に振幅
変調されてしまい、同期検波回路３５の出力には、図５
に示すように振幅変調成分に対応する直流成分が含まれ
ることになる。

【０００８】そこで第一の従来例では、直流電圧源３８
からの直流電圧により同期検波出力の直流成分を補償
し、その出力波形の零交差点が得られるように、半導体
レーザ３１の動作点を制御している。

【０００９】図７は第二の従来例を示すブロック構成図
である。

【００１０】この従来例は、発振器３７の出力周波数の
三倍の周波数を発生する発振器４５を備え、この発振器
４５の出力を同期検波回路３５に供給して吸収スペクト
ルの三次微分を得ることが第一の従来例と異なる。この
場合には、振幅変調成分によって生じる直流成分を考慮
する必要はない。

【００１１】図８は第三の従来例を示すブロック構成図
である。

【００１２】この従来例は、同期検波回路３５の入力段
で振幅変調成分を相殺することが第一の従来例と異な
る。すなわち、吸収セル３３の透過光をフォトダイオー
ド３４で検出する一方で、吸収セル３３の入射光をビー
ムスプリッタ５０により分岐してフォトダイオード５１
で検出し、その出力を加算回路５３によりフォトダイオ
ード３４の出力に逆相加算する。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】第一および第三の従来
例では、吸収のないときの透過光を基準として半導体レ
ーザの動作点を制御していた。すなわち、吸収のないと
きの透過光によって得られた同期検波出力を基準値と
し、その基準値と交差する点を吸収の中心とみなしてい
た。しかし、吸収があるときにはその分だけ振幅変調成
分も小さくなるので、実際の吸収線の中心に制御してい
ることにはならない。

【００１４】第二の従来例の場合にはこのような問題は
ないが、三次微分を検出するためには変調の周波数偏移
を大きくしなければならず、外部に出力する光にも大き
な変調が施されることになる。また、三次微分はＳ／Ｎ
が悪く、短期安定度を高めることができない欠点があ
る。

【００１５】本発明は、以上の課題を解決し、半導体レ
ーザの発振周波数を吸収線の真の中心周波数に一致する
ように高い精度で制御できる周波数安定化半導体レーザ
装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の周波数安定化半
導体レーザ装置は、半導体レーザと、この半導体レーザ
の発振周波数を変調する変調手段と、特定周波数の光を
吸収する物質が封入された吸収セルと、半導体レーザの
出力光を二つに分岐してその一方を吸収セルに入射させ
る光分岐手段と、吸収セルの透過光を検出する光検出器
と、この光検出器の出力を同期検波する同期検波手段
と、この同期検波手段の出力にしたがって半導体レーザ
の発振周波数を制御する制御回路とを備えた周波数安定
化半導体レーザ装置において、同期検波手段は、変調手
段による変調周波数と同一の周波数により同期検波する
第一の同期検波回路と、この第一の同期検波回路の出力
に接続された高域通過フィルタと、変調周波数の三倍の
周波数により同期検波する第二の同期検波回路と、この
第二の同期検波回路の出力に接続された低域通過フィル
タと、高域通過フィルタの出力と低域通過フィルタの出
力とを加算する加算回路とを含むことを特徴とする。

【００１７】

【作用】変調周波数と同一の周波数で同期検波すれば、
上述したように吸収スペクトルの一次微分信号が得られ
る。また、三倍の周波数で同期検波すれば同じく三次微
分信号が得られる。一次微分信号はＳ／Ｎがよいが、吸
収線の真の中心を検出するには問題がある。三次微分信
号はＳ／Ｎはそれほどよくないが、その零交差点が吸収
線の中心を表す。そこで、一次微分信号については高域
通過フィルタに通し、三次微分信号については低域通過
フィルタに通して加算し、その加算結果により半導体レ
ーザの発振周波数を帰還制御する。

【００１８】

【実施例】図１は本発明実施例の周波数安定化半導体レ
ーザ装置を示すブロック構成図である。

【００１９】この実施例装置は、半導体レーザ１と、こ
の半導体レーザ１の発振周波数を変調する変調手段とし
ての発振器５および加算回路１２と、特定周波数の光を
吸収する物質が封入された吸収セル３と、半導体レーザ
１の出力光を二つに分岐してその一方を吸収セル３に入
射させるビームスプリッタ２と、吸収セル３の透過光を
検出するフォトダイオード４と、このフォトダイオード
４の出力を同期検波する同期検波手段としての同期検波
回路７、８、高域通過フィルタ９、低域通過フィルタ１
０および加算回路１３と、加算回路１３の出力にしたが
って半導体レーザ１の発振周波数を制御する制御回路１
１とを備える。制御回路１１の出力は加算回路１２によ
り変調信号が加算されて半導体レーザ１に供給される。

【００２０】ここで本実施例の特徴とするところは、同
期検波手段として、発振器５による変調周波数と同一の
周波数により同期検波する第一の同期検波回路７と、こ
の第一の同期検波回路７の出力に接続された高域通過フ
ィルタ９と、変調周波数の三倍の周波数により同期検波
する第二の同期検波回路８と、この第二の同期検波回路
８の出力に接続された低域通過フィルタ１０と、高域通
過フィルタ９の出力と低域通過フィルタ１０の出力とを
加算する加算回路１３とを備えたことにある。変調周波
数の三倍の周波数は、発振器５の信号を入力とする発振
器６により得られる。

【００２１】図２は同期検波回路７、８の出力波形を示
す。同期検波回路７の出力は吸収スペクトルの一次微分
信号となり、同期検波回路８の出力は三次微分信号とな
る。一次微分信号には直流成分が含まれ、しかも吸収の
中心でその直流レベルとなるわけではない。そこで、一
次微分信号の直流成分および低周波数成分を高域通過フ
ィルタ９により除去する。周波数の揺らぎによる成分は
透過するので、短期安定度が低下することはない。ま
た、三次微分信号はその零交差点が正確な吸収の中心を
表すので、直流成分を含む低周波数成分を低域通過フィ
ルタ１０により取り出す。

【００２２】図３は周波数特性を表す図であり、（ａ）
は低域通過フィルタ１０の周波数特性、（ｂ）は高域通
過フィルタ９の周波数特性、（ｃ）は加算回路１３の出
力の周波数特性を示す。低域通過フィルタ１０のカット
オフ周波数を例えば０．１Ｈｚ程度にし、高域通過フィ
ルタ９のカットオフ周波数も同じ程度にすると、加算回
路１３の出力でほぼ平坦な周波数特性を得ることができ
る。

【００２３】以上の実施例において、吸収セルに封入さ
れる物質としてはＨＣＮ、アセチレンガス、アンモニア
などが一般的であるが、他のどのような物質が封入され
たものを用いても本発明を同様に実施でき、封入物質を
変更することにより種々の波長帯で動作させることがで
きる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の周波数安
定化半導体レーザ装置は、三次微分信号の零交差点を最
終的な直流制御点にしているので、使用する半導体レー
ザによって周波数が変化することがなくなる。また、任
意の吸収率の吸収セルを用いても真の吸収線の中心に一
致するように半導体レーザの発振周波数を制御できる。
さらに、速い成分の周波数ゆらぎについては、Ｓ／Ｎの
よい一次微分信号から帰還制御できるので、短期安定度
が低下することはない。三次微分信号のＳ／Ｎはそれほ
ど必要ないので、変調の周波数偏移を大きくする必要が
なく、出力光の周波数偏移を小さく抑えることができ
る。本発明は、従来と同じ光学系を用いて実施でき、構
成が簡単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の周波数安定化半導体レーザ装置
を示すブロック構成図。

【図２】二つの同期検波回路の出力波形を示す図。

【図３】周波数特性を表す図であり、（ａ）は低域通過
フィルタの周波数特性、（ｂ）は高域通過フィルタの周
波数特性、（ｃ）は加算回路の出力の周波数特性。

【図４】第一の従来例を示すブロック構成図。

【図５】同期検波出力を示す図。

【図６】直流成分を取り除いた同期検波出力を示す図。

【図７】第二の従来例を示す図。

【図８】第三の従来例を示す図。

【符号の説明】

１、３１ 半導体レーザ ２、３２、５０ ビームスプリッタ ３、３３ 吸収セル ４、３４、５１ フォトダイオード ５、６、３７、４５ 発振器 ７、８、３５ 同期検波回路 ９ 高域通過フィルタ １０ 低域通過フィルタ １１、４０ 制御回路 １２、１３ ３９、４４ 加算回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体レーザと、 この半導体レーザの発振周波数を変調する変調手段と、 特定周波数の光を吸収する物質が封入された吸収セル
   と、 前記半導体レーザの出力光を二つに分岐してその一方を
   前記吸収セルに入射させる光分岐手段と、 前記吸収セルの透過光を検出する光検出器と、 この光検出器の出力を同期検波する同期検波手段と、 この同期検波手段の出力にしたがって前記半導体レーザ
   の発振周波数を制御する制御回路とを備えた周波数安定
   化半導体レーザ装置において、 前記同期検波手段は、 前記変調手段による変調周波数と同一の周波数により同
   期検波する第一の同期検波回路と、 この第一の同期検波回路の出力に接続された高域通過フ
   ィルタと、 前記変調周波数の三倍の周波数により同期検波する第二
   の同期検波回路と、 この第二の同期検波回路の出力に接続された低域通過フ
   ィルタと、 前記高域通過フィルタの出力と前記低域通過フィルタの
   出力とを加算する加算回路とを含むことを特徴とする周
   波数安定化半導体レーザ装置。