JPH0918074A - 光周波数基準光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】無変調であり、光周波数が可変であり、かつ、
発振光周波数の確度が100MHz以下で保証できる光周波数
基準光源を提供する。 【構成】第１及び第２のレーザ光源11a,11b から出射さ
れた光が所定の周波数差を持つように、光検出器16でヘ
テロダイン信号を検出し、発振器18からの基準信号と比
較して、第１のレーザ光源11a の周波数を第１の周波数
制御手段19で制御する。そして、光量調整手段２でその
光量が同じになるようにして、所定の吸収特性を持つ光
周波数基準器３に入射する。該光周波数基準器３から出
射した光を受光器4a,4b でそれぞれ受光して、その強さ
が等しくなるように、第２のレーザ光源11b の周波数を
第２の周波数制御手段５で制御する。発振器18の周波数
を変えれば光周波数は変わる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光周波数基準光源に係
り、特に、光コム信号と被測定光とのヘテロダイン信号
を観測して被測定光の光周波数を正確に（１００MHz 以
下）測定するために光コムジェネレータを用いる場合、
該光コムジェネレータに入力するレーザ光を発生させる
のに適した光周波数基準光源に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光周波数基準光源は、原子や分子
の光吸収線、あるいはエタロン等の光共振器で発生する
共鳴スペクトルを光周波数基準として用い、光周波数変
化を光吸収線であれば吸収強度、光共振器の共鳴スペク
トルであれば透過強度の変化にそれぞれ変換して検出
し、検出された光強度変化信号を基に光周波数変化を抑
えるように光源の光周波数に帰還制御を施しているのが
一般的である。そして、前記光強度変化信号の検出には
変調型と無変調型の２つのタイプがある。

【０００３】次に、従来の光周波数基準光源の前記２つ
のタイプについて、それぞれ説明する。図１２は変調型
光周波数基準光源の構成を示す図である。発振器８７に
よりレーザコントローラ８８を介して微小周波数変調を
かけられたレーザ光源８１からの出力を光周波数基準器
８３に入射させる。ここでは、この光周波数基準器８３
は原子や分子の光吸収線を光周波数基準として用いたも
のであるとして説明する。入射されたレーザ光はこの光
周波数基準器８３で一部吸収され、残りは透過する。透
過したレーザ光の強度を受光器８４で検出する。光周波
数基準器８３の透過光量は図１２中の（イ）に示すよう
にガウス型あるいはローレンツ型の光周波数特性を持つ
ため、入射するレーザの周波数が変化すると受光器８４
で検出される強度信号が変化する。つまり、強度信号は
入射レーザ光の周波数のドリフトと微小周波数変調の情
報を含むことになる。図を用いて、少しく説明を補う。
図１１は光周波数基準器８３の透過光量の光周波数特性
と該光周波数基準器８３に入射するレーザ光の周波数の
変動とそれらに応じた透過光量の変動とを示す図であ
る。図１１（ａ）中の「イ」のような光吸収特性を持つ
光周波数基準器８３に、「ロ」のような微小周波数変調
を加えられたレーザを入射すると、透過光量はレーザの
周波数に対応した透過光量となるため「ハ」のように変
動する。なお、光共振器で発生する共鳴スペクトルを光
周波数基準として用いた場合は、図１１（ｂ）及び図１
１（ｂ）中の「イ」、「ロ」、「ハ」が図１１（ａ）及
び図１１（ａ）中の「イ」、「ロ」、「ハ」に相当す
る。「ハ」のような透過光量の変動を受光器８４で検出
し、検出した強度信号を増幅器８５で増幅した後、位相
同期検波器８６により微小周波数変調を施す発振器８７
の信号を参照信号として位相同期検波を行うと、光周波
数基準器８３の吸収曲線の微分特性に従う光周波数情報
を持つ信号〔図１２中の（ロ）に示す〕に変換すること
ができる。この吸収曲線の微分特性は吸収曲線の中心光
周波数で０レベルと交差するため、この位相同期検波器
８６の出力信号をレーザコントローラ８８を介してレー
ザ光源８１に帰還し、前記出力信号が０レベルになるよ
うにレーザ光源８１の発振周波数を制御すれば、レーザ
の発振周波数は原子や分子の光吸収線の中心周波数に安
定化される。なお、出力用ハーフミラー８２は出力レー
ザ光を取り出すためのものである。

【０００４】図１３は無変調型光周波数基準光源の構成
を示す図である。無変調型光周波数基準光源は光周波数
基準に用いた原子や分子の吸収線や光共振器の共振スペ
クトルのスロープ部にレーザの発振周波数を安定化する
手法である。レーザ光源８１から出射されたレーザ光を
光周波数基準器８３に入射し、該光周波数基準器８３を
透過した光を受光器８４で検知する。検知された信号
（強度信号）の強度は光周波数基準器８３の透過率の周
波数依存性〔図１３中の（イ）に示す〕により決定され
ている。受光器８４から出力された強度信号は、増幅器
８５で増幅され、あらかじめ用意された特定光周波数に
おける光透過強度の受光器出力に対応する値を出力する
基準電圧源８９の出力信号と、信号比較器８０で比較さ
れる。この信号比較器８０の出力信号のレベル〔図１３
中の（ロ）参照〕は増幅器８５から出力された強度信号
のレベルと基準電圧源８９の出力信号のレベルとの差で
あり、この差が０となるようにレーザコントローラ８８
を介してレーザ光源８１の発振周波数を制御すれば、基
準電圧源８９の出力値に対応する光周波数（前記特定光
周波数）にレーザ光源８１を安定化することができる。
なお、出力用ハーフミラー８２は出力レーザ光を取り出
すためのものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、例え
ば、光周波数基準光源を光コムジェネレータと組み合わ
せて、光コムジェネレータの出力を広帯域光周波数基準
光源として用い、光コム信号と被測定光とを合波してヘ
テロダイン信号を得ることにより被測定光の光周波数を
決定するときには、従来の光周波数基準光源は使用する
ことが出来ない。なぜならば、光コムジェネレータの出
力は多数の光周波数基準レーザ光の集合であるため、前
記ヘテロダイン信号を発生している１本の光コム信号の
光周波数を決定するための動作が光周波数基準光源に求
められるが、従来の光周波数基準光源はそのような動作
ができないからである。

【０００６】上記の状況を説明するため、まず光コムジ
ェネレータの概要を以下に述べる。図８（ａ）は光コム
ジェネレータの構成を示す図である。光コムジェネレー
タは１対のミラー７１ａ，７１ｂから成る光共振器７１
と、その内部に納められ図８（ｂ）に示す光共振器のフ
リースペクトルレンジに対応するマイクロ波帯の周波数
ｆc で光の位相変調を行う位相変調器７２とで構成され
る。変調用発振器７３は前記位相変調器７２に変調信号
を与える。

【０００７】次に光コムジェネレータの動作を説明す
る。光周波数を光共振器７１の共振周波数近傍に安定化
した光周波数基準光源から出射されたレーザ光を光コム
ジェネレータに入射する。この入射したレーザ光は内部
の位相変調器７２により、光共振器７１のフリースペク
トルレンジに対応する変調用発振器７３の周波数ｆc で
位相変調を受けるため、入射レーザ光の両側にｆc の光
周波数間隔で数本のサイドモードの光が発生する〔図８
（ｃ）〕。このサイドモードの光は光共振器７１の共振
条件に適合するため光共振器７１を構成するミラー７１
ａ，７１ｂにより反射を繰り返す。この反射の繰り返し
によって、レーザ光は位相変調器７２によりさらに位相
変調を受けるため、各サイドモードの光は、自分自身を
基本波モードの光としてさらにサイドモードの光を生み
出す〔図８（ｄ）〕。これらのサイドモードの光は、光
周波数間隔がｆc で固定されているため重なり合い強度
を強める〔図８（ｅ）〕。このようにして生み出された
サイドモードの光の群は、光共振器７１を構成するミラ
ー７１ａ，７１ｂの反射率の不完全性により外部に透過
し、この透過光は光コムジェネレータに入射したレーザ
光の光周波数を中心にｆc の光周波数間隔で並ぶ数百本
の光スペクトル線から成る光コム信号となる。

【０００８】前述のように、光周波数基準光源と光コム
ジェネレータとを組み合わせて広帯域光周波数基準光源
を形成し、光コム信号と被測定光とのヘテロダイン信号
を発生させて被測定光の光周波数を測定しようとする場
合、光周波数基準光源は従来のものでは達成し得ない以
下の特性を必要とする。 （Ａ）周波数的に無変調であること 変調がかかったレ−ザを入射させると発生する光コム信
号にも変調がかかり、被測定光とのヘテロダイン信号の
Ｓ／Ｎが低下する。 （Ｂ）光周波数が可変であること 被測定光の光周波数を確定するため、光周波数基準光源
の発振光周波数を変化させる必要がある。 （Ｃ）（Ｂ）の操作による発振光周波数の確度変化がな
いこと

【０００９】上記（Ｂ）に関して、補足説明を以下に述
べる。光コム信号を構成する数百本の光スペクトル線の
内の１本（以後、１本の光コム信号という）と被測定光
との間で発生するヘテロダイン信号には被測定光の光周
波数の情報は含まれていない。被測定光の光周波数を決
定するためには、ヘテロダイン信号を発生している１本
の光コム信号の発生次数Ｎと、この光コム信号に対して
被測定光の光周波数がプラス、マイナスのどちら側に位
置しているかとを確定する必要がある。すなわち、被測
定光の光周波数νL は確度が保証されている光周波数基
準光源の光周波数をνM とすると νL ＝νM ＋（±Ｎ×ｆc ）＋（±ｆH ） ……………（１） で表される。ここで、±Ｎはヘテロダイン信号を発生し
ている１本の光コム信号の発生次数および極性、ｆc は
光コムジェネレータの変調信号周波数、±ｆH はヘテロ
ダイン信号周波数とその極性を示す。式（１）でνM と
ｆc は既知であり、ｆH は測定できるので、光コム信号
の発生次数とその極性、およびヘテロダイン信号の極性
の３つが分かれば、被測定光の光周波数を決定できる。

【００１０】次に、上記３つのパラメータを決定する手
法を示す。この決定には次の３つの場合分けが必要であ
る。 （ｆH ≠０）かつ（ｆH ≠ｆc ／２） この場合は、図９のように光コムジェネレータの変調用
発振器７３の信号周波数（ｆc ）を数MHz （Δｆc ）程
度の範囲で掃引する。光コム信号は変調信号周波数（ｆ
c ）間隔で発生するため、この操作によりＮ次の光コム
信号によるヘテロダイン信号の周波数はＮ×Δｆc の範
囲で掃引されることになる。したがって、変調用発振器
７３の信号周波数の移動量に対するヘテロダイン信号の
周波数の移動量から次数Ｎが決定され、また、そのとき
のヘテロダイン信号の周波数移動方向から、Ｎ次の光コ
ム信号の光周波数に対して被測定光の光周波数が低次の
光コム信号側にあるのか、高次の光コム信号側にあるの
かを表す極性が決定できる。しかし、この段階では、被
測定光と合わさってヘテロダイン信号を発生している光
コム信号の次数Ｎの極性がプラスかマイナスか不確定で
ある。この様子を１次の例を用いて図１０（ａ）に示
す。上述のように、変調用発振器７３の信号周波数を変
化させるだけでは図に示す光周波数軸上のａの位置の被
測定光とｂの位置の被測定光とを判別することはできな
い。ａの位置の被測定光と−１次の光コム信号、ｂの位
置の被測定光と＋１次の光コム信号の組合せでそれぞれ
生ずるヘテロダイン信号の周波数は、変調用発振器７３
の信号周波数を変化させる前は同じであり、変化させた
ときの移動量も同じであるからである。この曖昧性を取
り除くため、図１０（ｂ）のように光周波数基準光源の
光周波数をΔνM1（Δｆc≪ΔνM1≪ｆc ）掃引して、
光コム信号全体の発生光周波数を移動させ、そのときの
ヘテロダイン信号の周波数の移動方向も考慮して、発生
次数Ｎの極性、および、被測定光の光周波数が低次の光
コム信号側にあるのか、高次の光コム信号側にあるのか
を決定する。

【００１１】 （ｆH ≠０）かつ（ｆH ≒ｆc ／２） この場合は、被測定光の光周波数を挟む位置に発生して
いる２つの光コム信号による２つのヘテロダイン信号が
ｆc ／２の周波数近傍に近接して発生するため、電気的
なフィルタ等での分離が困難になる。そこで、２つのヘ
テロダイン信号がフィルタで分離できる周波数間隔を持
つように光周波数基準光源の光周波数をΔνM2（Δｆc
≪ΔνM1＜ΔνM2＜ｆc ）だけシフトさせ、フィルタで
高周波数側のヘテロダイン信号を除去しての状態にな
るように操作してから、と同じ操作により未知のパラ
メータを決定する。

【００１２】 （ｆH ≒０） この場合は、光コムジェネレータの変調信号周波数をΔ
ｆc の範囲掃引すれば、光コム信号の次数Ｎは決定でき
るが、被測定光が掃引によって移動した光コム信号の低
次側にあるのか高次側にあるのか、その光周波数位置と
前記次数Ｎの極性とが不確定となる。なぜなら、−Ｎ次
の光コム信号の低次側にあっても高次側にあっても、ま
た、＋Ｎ次の光コム信号の低次側にあっても高次側にあ
ってもヘテロダイン信号は同じになるからである。そこ
で、光周波数基準光源の光周波数を先にΔνM1だけずら
しての状態にしてから、の操作を行い未知のパラメ
ータを決定する。

【００１３】以上のように、光コム信号と被測定光とで
生ずるヘテロダイン信号を観測して被測定光の光周波数
を決定するような場合は、光コムジェネレータへ基準光
を入射する光周波数基準光源は光周波数をΔνM1の範囲
で掃引でき、なおかつ、ΔνM2ずれた光周波数の位置へ
設定できる必要がある。

【００１４】例えば光コムジェネレータに組み合わせる
光周波数基準光源として、前述のような特性が要求され
るのに対し、従来の変調型光周波数基準光源は出力レー
ザ光に微小周波数変調が加わるため前記（Ａ）の要求を
満たさない。さらに、原子や分子の吸収線を光周波数基
準にすると、安定化される光周波数は吸収線の中心周波
数に固定されるため前記（Ｂ）の光周波数の可変は困難
である。また、光共振器の共振スペクトルを使用した場
合は、共振器長を変化させることにより光周波数を変え
られるが、共振スペクトルの次数を決定することが困難
で確度が保持できない。一方、無変調型光周波数基準光
源は出力レーザ光は無変調であり、また基準電圧源８９
の出力値を変化させることにより安定化する光周波数を
変えられるが、光周波数の可変範囲がたかだか１００MH
z 程度と狭く、また光周波数の変位量を正確に決定する
ことができず、このため発振光周波数の確度の劣化が発
生し（１００MHz 以上）、前記（Ｃ）の特性を満たすこ
とができない。

【００１５】この発明の目的は、光コムジェネレータを
利用して光スペクトルアナライザや光波長計などを構築
するとき要求される、前述の特性を満足する光周波数基
準光源、すなわち、無変調であり、光周波数が可変であ
り、かつ、発振光周波数の確度が１００MHz 以下で保証
できる光周波数基準光源を提供することである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第一の発明の光周波数基準光源は、二つの光を出射
する光源装置であって、該出射される二つの光の周波数
差が所定の値に維持され、該出射される二つの光の光量
が相等しくなるように制御された光源装置と、該光源装
置から出射された二つの光を受けるようになっていて、
受けた光の一部がそれぞれの光の周波数に応じて減衰す
るような所定の吸収特性を有する光周波数基準器と、該
光周波数基準器を透過した二つの光をそれぞれ受光し、
それぞれの光の光量に応じた信号を出力する受光装置
と、前記受光装置が出力した信号に基づいて、前記受光
装置が受ける二つの光の光量が等しくなるように、前記
光源装置から出射される二つの光の周波数を変化させる
周波数制御装置とを備えた。

【００１７】また、第二の発明の光周波数基準光源は、
第１のレーザ光源と第２のレーザ光源とを備えて、それ
ぞれの出力レーザ光の光周波数の差が所定の値となるよ
うに、前記第１のレーザ光源の周波数制御をする、つま
り、オフセットロック制御をすることとし、また、所定
の周波数の光吸収線を有する光周波数基準器を備えて、
該光周波数基準器に前記第１のレーザ光源と第２のレー
ザ光源の出力レーザ光の光量が互いに等しくなるように
して入射し、該光周波数基準器を透過した２つのレーザ
光を受光器でそれぞれ受光し、受光する光の強さが等し
くなるように前記第２のレーザ光源の周波数制御をする
こととした。

【００１８】

【作用】第一の発明の光周波数基準光源では、光周波数
基準器に入射される２つの光の周波数差は所定の値に維
持されており、また、前記２つの光の光量が相等しくさ
れているため、光周波数基準器を透過し受光装置で受光
される２つの光の光量すなわち透過光量が等しくなるよ
うに、前記２つの光の周波数を変化させれば、光周波数
基準器が持つ透過スペクトルのピーク（νc ）から前記
光周波数の差の１／２ずつ離れた、光が等しい吸収を受
ける両側の透過スロープの光周波数位置（νc ±（νHW
HM／２））に２つのレーザ光の光周波数は安定化される
（図６参照）。また、前記周波数差を掃引することによ
り、安定化された２つのレーザ光の光周波数も掃引する
ことができる。

【００１９】第二の発明の光周波数基準光源では、光周
波数基準器を透過する２つのレーザ光、すなわち第１の
レーザ光源と第２のレーザ光源とから出射されるレーザ
光、の光周波数の差はオフセットロックにより精密に制
御されており、また、前記２つのレーザ光の光周波数基
準器への入射光量が等しくされているため、透過光量が
等しくなるように第２のレーザ光源の周波数が制御され
ることで、光周波数基準器が持つ透過スペクトルのピー
ク（νc ）から前記光周波数の差の１／２ずつ離れた、
光が等しい吸収を受ける両側の透過スロープの光周波数
位置（νc ±（νHWHM／２））に２つのレーザ光の光周
波数は安定化される（図６参照）。このとき、前記透過
スペクトルの中心光周波数の確度が決定されていれば、
オフセットロック制御に使用するマイクロ波発振器の発
振周波数確度は光周波数領域の確度に比べて非常に高い
ので、透過スペクトルの確度が２つのレーザ光に移乗す
ることになる。また、オフセットロック制御に使用する
発振器のマイクロ波周波数を掃引することにより、安定
化された２つのレーザ光の光周波数も掃引することがで
きる。以上のようであるから、（Ａ）無変調であるこ
と、（Ｂ）光周波数が可変であること、（Ｃ）光周波数
確度が高いことの要求が満たされる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図３は本発明の第１の実施例の概略構成を示す図で
ある。第１の実施例では、第１及び第２のレーザ光源１
１ａ，１１ｂとして半導体レーザを用い、光周波数基準
器３として原子や分子を封入したガスセルを用いてい
る。ガスセルに封入する原子としてはルビジウム、セシ
ウム、カルシウム、キセノン、リチウム、アルゴン、ク
リプトン等があり、分子としてはアセチレン、シアン化
水素、メタン、アンモニア、水、沃素等がある。

【００２１】第１の実施例は図３に示すように、半導体
レ−ザ１１ａ，１１ｂ、オフセットロック制御をかける
ための系を構成する、ヘテロダイン信号検出用ハーフミ
ラー１３ａ，１３ｂ、ミラー１４、合波器１５、高速受
光器１６、増幅器１７、周波数可変の発振器１８、光位
相比較器１９ａ、注入電流源１９ｂ、ガスセル３へ入射
するレーザビームの光量を調整する系を構成する、光量
調整用ハーフミラー２１ａ，２１ｂ、受光器２２ａ，２
２ｂ、基準電圧源２３、差動増幅器２４ａ，２４ｂ、温
度コントローラ２５ａ，２５ｂ、２つの半導体レーザ１
１ａ，１１ｂの出射光の周波数をガスセル３のガスの吸
収線の中心光周波数を中心に同じ周波数だけ離れた位置
に固定する系を構成する、ガスセル３、受光器４ａ，４
ｂ、差動増幅器５１、注入電流源５２、出力光を取り出
すための出力用ハーフミラー１２ａ，１２ｂ、光スイッ
チ６から構成される。

【００２２】ここで、半導体レ−ザ１１ａ，１１ｂ、出
力用ハーフミラー１２ａ，１２ｂ、ヘテロダイン信号検
出用ハーフミラー１３ａ，１３ｂ、ミラー１４、合波器
１５、高速受光器１６、増幅器１７、周波数可変の発振
器１８、光位相比較器１９ａ、注入電流源１９ｂ、光量
調整用ハーフミラー２１ａ，２１ｂ、受光器２２ａ，２
２ｂ、基準電圧源２３、差動増幅器２４ａ，２４ｂ、温
度コントローラ２５ａ，２５ｂは光源装置１に相当し、
ガスセル３は光周波数基準器３に、受光器４ａ，４ｂは
受光装置４に、差動増幅器５１及び注入電流源５２は周
波数制御装置５にそれぞれ相当する。また、半導体レ−
ザ１１ａ，１１ｂは第１及び第２のレーザ光源１１ａ，
１１ｂに、光位相比較器１９ａ、注入電流源１９ｂは第
１の周波数制御手段１９に、光量調整用ハーフミラー２
１ａ，２１ｂ、受光器２２ａ，２２ｂ、基準電圧源２
３、差動増幅器２４ａ，２４ｂ、温度コントローラ２５
ａ，２５ｂは光量調整手段２に、受光器４ａ，４ｂは第
１及び第２の受光器４ａ，４ｂに、差動増幅器５１及び
注入電流源５２は第２の周波数制御手段５にそれぞれ相
当し、そして、注入電流源１９ｂ，５２はそれぞれ周波
数制御回路１９ｂ，５２に相当する。

【００２３】２つの半導体レーザ１１ａ，１１ｂは温度
で発振パワーを、注入電流で発振光周波数を制御されて
おり、注入電流はあらかじめガスセル３に封入された原
子や分子の吸収線に対応する光周波数を発振する値に設
定しておく。２つの半導体レ−ザ１１ａ，１１ｂから出
射されたレーザビームは各々出力用ハーフミラー１２
ａ，１２ｂ、オフセットロック制御のためのヘテロダイ
ン信号検出用ハーフミラー１３ａ，１３ｂ、および光量
調整用ハーフミラー２１ａ，２１ｂにより３回の分岐を
受けた後、ガスセル３に空間的に分離して入射される。
出力用ハーフミラー１２ａ，１２ｂで分岐された２つの
レーザビームは光スイッチ６へ入射され、光スイッチ６
でどちらかのレーザビームが選択されて図示しない光コ
ムジェネレータへ出力される。

【００２４】ヘテロダイン信号検出用ハーフミラー１３
ａ，１３ｂで分岐された２つのレーザビームは合波器１
５により合波され、高速受光器１６に入射される。高速
受光器１６は２つのレーザ周波数の差に対応するヘテロ
ダイン信号を検出する。検出されたヘテロダイン信号は
増幅器１７で増幅され光位相比較器１９ａに入力され
る。光位相比較器１９ａではヘテロダイン信号を分周、
ダウンコンバートして、周波数可変の発振器１８からの
出力信号と位相変化速度の比較を行い、この位相変化速
度の違いに対応する出力信号を発生させる。この光位相
比較器１９ａからの出力信号に基づいて半導体レーザ１
１ａの注入電流源１９ｂを制御して、半導体レーザ１１
ａの発振周波数を半導体レーザ１１ｂの発振周波数に対
して発振器１８の出力周波数と分周、ダウンコンバート
の特性とで決定される周波数（νHWHM）だけシフトした
光周波数に安定化させる。この制御はオフセットロック
制御と呼ばれており、半導体レーザ１１ａと半導体レー
ザ１１ｂの発振周波数の差は発振器１８の発振周波数で
制御できる。νHWHMの値はガスセルの吸収線の半値全幅
程度の周波数に設定しておく。

【００２５】光量調整用ハーフミラー２１ａ，２１ｂで
分岐されたレーザビームは各々別の受光器２２ａ，２２
ｂに入射される。受光器２２ａ，２２ｂはそれぞれレー
ザパワーに対応した信号を出力する。差動増幅器２４
ａ，２４ｂはこの出力信号と共通の基準電圧源２３から
の出力値との比較を行い、この差の値に対応する値を出
力する。この差動増幅器２４ａ，２４ｂの出力を基に半
導体レーザ１１ａ，１１ｂの温度を温度コントローラ２
５ａ，２５ｂを通して制御し、光周波数基準器として用
いたガスセル３に入射する２つのレーザビームのパワー
を基準電圧源２３の出力値に対応する値に設定する。こ
のような制御を施すことによりガスセル３に入射される
２つのレーザビームはパワーが等しく、光周波数がνHW
HMだけずれた特性を持つことになる。

【００２６】ガスセル３に入射した２本のレーザビーム
はガスの吸収を各々受けて透過し、２つの受光器４ａ，
４ｂは透過強度に対応した信号を発生する。この２つの
受光信号を差動増幅器５１で減算処理する。この減算処
理された出力信号は、２つのレーザビームの光周波数を
ガスセル３の吸収線近傍で掃引すると、図７（ｃ）に示
す分散型の特性を示す。この特性が０点をクロスする状
態は２つのレーザビームの光周波数位置が透過スペクト
ルの中心光周波数（νc ）を中心に±（νHWHM／２）に
位置した状態である。したがって、この差動増幅器５１
の出力信号を基に注入電流源５２で半導体レーザ１１ｂ
の注入電流を、差動増幅器５１の出力が０となるよう
に、制御することにより２つのレーザビームの光周波数
を同時にガスの吸収スペクトルの確度を保持したまま安
定化することができる。

【００２７】以上のような構成を持つ第１の実施例にお
いて、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた被
測定光の光周波数を確定する際必要となる光周波数基準
光源の動作を以下に述べる。まず、ΔνM1変化させる動
作は、発振器１８の出力周波数を掃引し、２つのレーザ
ビームの光周波数差νHWHMを掃引することにより行う。
また、ΔνM2変化させる動作はΔνM1と同様に２つのレ
ーザビームの光周波数差νHWHMを掃引することにより行
ってもよいが、この実施例のように光スイッチ６を設け
ておけば、該光スイッチ６で切り替えることによっても
実現できる。

【００２８】数値例で説明すると、ドップラー広がりを
持つ半値全幅５００MHz を持つ原子や分子の吸収線を光
周波数の基準とした場合、オフセットロック制御で安定
化できる２つの半導体レーザ１１ａ，１１ｂの光周波数
差は約３００〜７００MHz である。したがって、ΔνM1
の可変範囲は２００MHz 程度となる。また、ΔνM2は光
スイッチで切り替えた場合３００〜７００MHz の変化幅
を確保することができる。これらの値は原子や分子のド
ップラー広がりの効果により制限を受けている。したが
って、この光周波数の可変幅は、セルの温度を高くして
ドップラー広がりを広げるか、あるいはセルに封入する
ガス圧力を増加させて圧力広がりを支配的にすることに
よりGHz オーダにすることも可能である。

【００２９】図４は本発明の第２の実施例の概略構成を
示す図である。第２の実施例では、第１及び第２のレー
ザ光源１１ａ，１１ｂとして光回折格子を用いた外部共
振器構造の半導体レーザを用いている。光周波数基準器
３は第１の実施例と同じくガスセルである。第２の実施
例は図４に示すように、第１及び第２のレーザ光源とし
て光回折格子を用いた外部共振器型半導体レ−ザ１１
ａ，１１ｂ、オフセットロック制御をかけるための系を
構成する、ヘテロダイン信号検出用ハーフミラー１３
ａ，１３ｂ、ミラー１４、合波器１５、高速受光器１
６、増幅器１７、周波数可変の発振器１８、光位相比較
器１９ａ、回折格子制御器１９ｂ、ガスセル３へ入射す
るレーザビームの光量を調整する系を構成する、光量調
整用ハーフミラー２１ａ，２１ｂ、受光器２２ａ，２２
ｂ、基準電圧源２３、差動増幅器２４ａ，２４ｂ、注入
電流源２５ａ，２５ｂ、２つの外部共振器型半導体レー
ザ１１ａ，１１ｂの出射光の周波数をガスセル３のガス
の吸収線の中心光周波数を中心に同じ周波数だけ離れた
位置に固定する系を構成する、ガスセル３、受光器４
ａ，４ｂ、差動増幅器５１、回折格子制御器５２、出力
光を取り出すための出力用ハーフミラー１２ａ，１２
ｂ、光スイッチ６から構成される。

【００３０】ここで、外部共振器型半導体レーザ１１
ａ，１１ｂ、出力用ハーフミラー１２ａ，１２ｂ、ヘテ
ロダイン信号検出用ハーフミラー１３ａ，１３ｂ、ミラ
ー１４、合波器１５、高速受光器１６、増幅器１７、周
波数可変の発振器１８、光位相比較器１９ａ、回折格子
制御器１９ｂ、光量調整用ハーフミラー２１ａ，２１
ｂ、受光器２２ａ，２２ｂ、基準電圧源２３、差動増幅
器２４ａ，２４ｂ、温度コントローラ２５ａ，２５ｂは
光源装置１に相当し、ガスセル３は光周波数基準器３
に、受光器４ａ，４ｂは受光装置４に、差動増幅器５１
及び回折格子制御器５２は周波数制御装置５にそれぞれ
相当する。また、外部共振器型半導体レーザ１１ａ，１
１ｂは第１及び第２のレーザ光源１１ａ，１１ｂに、光
位相比較器１９ａ、回折格子制御器１９ｂは第１の周波
数制御手段１９に、光量調整用ハーフミラー２１ａ，２
１ｂ、受光器２２ａ，２２ｂ、基準電圧源２３、差動増
幅器２４ａ，２４ｂ、温度コントローラ２５ａ，２５ｂ
は光量調整手段２に、受光器４ａ，４ｂは第１及び第２
の受光器４ａ，４ｂに、差動増幅器５１及び回折格子制
御器５２は第２の周波数制御手段５にそれぞれ相当し、
そして、回折格子制御器１９ｂ，５２はそれぞれ周波数
制御回路１９ｂ，５２に相当する。

【００３１】本実施例の場合は、レーザ光の光周波数は
外部共振器型半導体レーザ１１ａ，１１ｂの光回折格子
の回転、移動により制御し、レーザパワーは外部共振器
型半導体レーザ１１ａ，１１ｂへの注入電流により制御
する。他の動作は第１の実施例と同じである。本実施例
では、外部共振器構造をとることにより、レーザ光の発
振線幅が狭窄化されるため、被測定光とのヘテロダイン
信号のＳ／Ｎを向上することができる。また、外部共振
器構造にすることにより、注入電流による光周波数変調
効率が低下するため、パワーの調整と光周波数の制御を
ほぼ独立に行うことができ、安定化制御を効果的にかけ
ることができる。

【００３２】図５は本発明の第３の実施例の概略構成を
示す図である。第３の実施例は第１の実施例とほぼ同じ
構成であるが、第１の実施例の差動増幅器５１の代わり
に、受光器４ａ，４ｂの出力を受ける切替スイッチ５３
と、該切替スイッチ５３を制御する信号切り替え用発振
器５４と、位相同期検波器５５とを設けている。こうす
ることで、半導体レーザ１１ｂの光周波数の制御信号を
位相同期検波器５５により発生させ、制御信号のＳ／Ｎ
を向上させている。

【００３３】本実施例の動作について、第１の実施例と
異なるところを説明する。ガスセル３を透過した２つの
レーザビームを受光器４ａ，４ｂで受光し、２つの受光
信号を信号切替え用発振器５４からの信号により切り替
えて位相同期検波器５５へ入力する。位相同期検波器５
５では、この切り替えられた信号を信号切り替え用発振
器５４の信号と位相同期検波を行い注入電流源５２に帰
還する。この帰還信号の特性は前述の実施例と同様図７
（ｃ）に示す分散特性が得られる。しかし、この場合の
制御信号は、位相同期検波を行ったため雑音帯域を狭め
ることができ、この結果雑音が低減し良好なＳ／Ｎを得
ることができ、光の周波数安定度を向上させることがで
きる。

【００３４】第１、第２及び第３の実施例では、ガスセ
ル３へ入射するレーザビームの光量調整はいずれも、レ
ーザビームの光量をモニタして、その結果に基づいて半
導体レーザのパワーを制御することで行っている。しか
し、光周波数基準光源として要求される仕様によって
は、モニタせずに半導体レーザのパワーをガスセルへの
入射光量が等しくなるように設定しておくだけでもよ
い。また、半導体レーザのパワーを調整するのではな
く、一方または両方の光路に可変アッテネータを挿入し
て２つのレーザビームのパワーを揃えてもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、第一の発明の光周
波数基準光源は、光量が相等しく、かつ、周波数差が所
定の値に維持された二つの光を出射する光源装置と、受
けた光の一部がそれぞれの光の周波数に応じて減衰する
ような所定の吸収特性を有する光周波数基準器とを備え
て、該光周波数基準器に前記二つの光を入射し、該光周
波数基準器を透過した二つの光を受光装置でそれぞれ受
光し、受光する光の強さが互いに等しくなるように、前
記光源装置から出射される二つの光の周波数を制御する
こととした。また、第二の発明の光周波数基準光源は、
第１のレーザ光源と第２のレーザ光源とを備えて、それ
ぞれの出力レーザ光の光周波数の差が所定の値となるよ
うに、前記第１のレーザ光源の周波数制御をすることと
し、また、所定の周波数の光吸収線を有する光周波数基
準器を備えて、該光周波数基準器に前記第１のレーザ光
源と第２のレーザ光源の出力レーザ光の光量が互いに等
しくなるようにして入射し、該光周波数基準器を透過し
た２つのレーザ光を受光器でそれぞれ受光し、受光する
光の強さが等しくなるように前記第２のレーザ光源の周
波数制御をすることとした。その結果、無変調であり、
光周波数が可変であり、かつ、発振光周波数の確度が１
００MHz 以下で保証できる光周波数基準光源を提供する
ことができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の発明の原理を示す構成図である。

【図２】第二の発明の原理を示す構成図である。

【図３】本発明の第１の実施例を示す構成図である。

【図４】本発明の第２の実施例を示す構成図である。

【図５】本発明の第３の実施例を示す構成図である。

【図６】本発明の光周波数基準光源の周波数安定化制御
を説明するための図である。

【図７】本発明の光周波数基準光源において２つのレー
ザビームの光周波数をガスセルの吸収線近傍で掃引した
ときことを説明するための図であり、（ａ）は差周波数
νHWHMの２つのレーザビームの光周波数の掃引を示す
図、（ｂ）はガスセルの吸収線を示す図、（ｃ）は第２
のレーザ光源の周波数制御の制御量として得られる信号
の特性を示す図である。

【図８】光コムジェネレータの構成およびその動作を説
明するための図であり、（ａ）は構成を示す図、（ｂ）
は光共振器の共振特性を示す図、（ｃ）〜（ｅ）はレー
ザスペクトルが徐々に増えていく様子を説明するための
図である。

【図９】光コムジェネレータの変調周波数を変化させた
ときのヘテロダイン信号の周波数変化を説明するための
図である。

【図１０】被測定光とともにヘテロダイン信号を発生す
る光コム信号の次数の極性の決定について説明する図で
あり、（ａ）は光コムジェネレータの変調周波数を変化
させるだけでは光コム信号の次数の極性が不確定である
ことを説明するための図、（ｂ）は光コムジェネレータ
への入射光の光周波数をシフトすることで光コム信号の
次数の極性を決定することを説明するための図である。

【図１１】光透過量と光周波数の関係を示す図であり、
（ａ）は原子や分子の光吸収特性を、（ｂ）は光共振器
の光透過特性を示す図である。

【図１２】従来の変調型光周波数基準光源の構成を示す
図である。

【図１３】従来の無変調型光周波数基準光源の構成を示
す図である。

【符号の説明】

１ 光源装置 ２ 光量調整手段 ３ 光周波数基準器（光周波数基準器として
のガスセル） ４ 受光装置 ４ａ，４ｂ 受光器 ５ 周波数制御装置（第２の周波数制御手
段） ６ 光スイッチ １１ａ，１１ｂ レーザ光源（レーザ光源としての半導
体レーザ、外部共振器型半導体レーザ） １２ａ，１２ｂ 出力用ハーフミラー １３ａ，１３ｂ ヘテロダイン信号検出用ハーフミラー １４ ミラー １５ 合波器 １６ 光検出器（光検出器としての高速受光
器） １７ 増幅器 １８ 発振器 １９ 第１の周波数制御手段 １９ａ 光位相比較器 １９ｂ 周波数制御回路（周波数制御回路とし
ての注入電流源、回折格子制御器） ２１ａ，２１ｂ 光量調整用ハーフミラー ２２ａ，２２ｂ 受光器 ２３ 基準電圧源 ２４ａ，２４ｂ 差動増幅器 ２５ａ，２５ｂ 温度コントローラ（注入電流源） ５１ 差動増幅器 ５２ 周波数制御回路（周波数制御回路とし
ての注入電流源、回折格子制御器） ５３ 切替スイッチ ５４ 信号切り替え用発振器 ５５ 位相同期検波器 ７１ 光共振器 ７１ａ，７１ｂ ミラー ７２ 位相変調器 ７３ 変調用発振器 ８０ 信号比較器 ８１ レーザ光源 ８２ 出力用ハーフミラー ８３ 光周波数基準器 ８４ 受光器 ８５ 増幅器 ８６ 位相同期検波器 ８７ 発振器 ８８ レーザコントローラ ８９ 基準電圧源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 出射される二つの光の周波数差が所定の
   値に維持され、該出射される二つの光の光量が相等しく
   なるように制御された光源装置（１）と、 該光源装置から出射された二つの光を受け、該光をそれ
   ぞれの光の周波数に応じて減衰させて透過させる所定の
   吸収特性を有する光周波数基準器（３）と、 該光周波数基準器を透過した二つの光をそれぞれ受光
   し、それぞれの光の光量に応じた信号を出力する受光装
   置（４）と、 該信号を受けて、前記受光装置が受ける二つの光の光量
   が等しくなるように、前記光源装置から出射される二つ
   の光の周波数を変化させる周波数制御装置（５）とを備
   えた光周波数基準光源。
2. 【請求項２】第１のレーザ光源（１１ａ）と、 第２のレーザ光源（１１ｂ）と、 前記第１のレーザ光源と第２のレーザ光源の出力レーザ
   光のそれぞれ一部が合波された光を受光しヘテロダイン
   信号を出力する光検出器（１６）と、 前記テロダイン信号の周波数の基準となる信号を出力す
   る発振器（１８）と、 前記光検出器の出力信号と前記発振器の出力信号とを比
   較し、その周波数の差が所定の値となるように前記第１
   のレーザ光源の周波数制御をする第１の周波数制御手段
   （１９）と、 前記第１のレーザ光源と第２のレーザ光源の出力レーザ
   光をそれぞれ入射し、それぞれ一部を透過させる、所定
   の周波数の光吸収線を有する光周波数基準器（３）と、 該光周波数基準器に入射される前記第１のレーザ光源と
   第２のレーザ光源の出力レーザ光の光量が互いに等しく
   なるようにする光量調整手段（２）と、 前記光周波数基準器を透過したレーザ光をそれぞれ受光
   し、受光した光の強さに応じた信号を出力する第１及び
   第２の受光器（４ａ，４ｂ）と、 該第１及び第２の受光器の出力信号を受けて、前記受光
   する光の強さが等しくなるように前記第２のレーザ光源
   の周波数制御をする第２の周波数制御手段（５）とを備
   えた光周波数基準光源。