JPS6315540A - 半導体レ−ザの周波数変調装置 - 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、半導体レーザの周波数変調装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

光ヘテロゲイン或いはコヒーレント通信用の光源には、
周波数の安定度が高く、スペクトル線幅が狭い放射光を
放射できることが要求されＣいる。

また周波数偏移変調（ＦＳＫ）光通信の送信用光源装置
には、高速及び高帯域下においてスプリアスＡＭ変調の
小さいＦＭ変調装置が必要である。

光源としての半導体レーザを周波数変調Ｊるには、レー
ザの駆！ｌＪ電流を微小最直接変調すると共に、レーザ
への戻り光の位相または強度を変調しなければならない
。駆動電流を直接変調する場合には、スプリアスＡＭ変
調、緩和撮動及び１：Ｍ変調効率の周波数依存性が問題
となる。

一方、コヒーレント光伝送システムの光源に要求される
スペクトル線幅は、伝送速度の１０１〜１０−→以下で
あり、例えば、伝送速度が４００Ｍｂ／Ｓの場合、４０
０Ｋ）Ｉｚ〜４０Ｋ１１２の線幅が要求される。

ところで、半導体レーザが単一モードでフリーランニン
グしているときのスペクトル半値全幅は約１０Ｍｌ１ｚ
程度であり、ＦＳＫ通信には不十分である。

レーザ構造の改良以外によってスペクトル線幅を狭くす
る方法には２通りある。

第１は出力光の一部を半導体レーザに帰還させることに
よってスペクトル線幅をフリーランニング時の値の１／
（１＋ξ）２に低下させる方法がある〈ξはフィードバ
ックパラメータ）。この方法では１０ＫＩｈ程度の最小
スペクトル線幅が得られるが、ＦＭ変調効率も１／（１
＋ξ）に低下する不都合が生じてしまう。第２の方法は
、レーザの周波数変動を駆動電流に電気的に負帰還制御
する方法であり、理論的には１　Ｋ　ｌｌｚ　−０，２
Ｋ　ｌｂ程度の線幅が予測されている。現在では、３０
０Ｋ　Ｈｚ程度の線幅が実現されている。

次に、ＦＳＫ光通信用のＦＭ変調装置について説明する
。第１の例として、外部格子を用いて線幅狭小化したレ
ーザの駆動電流を直接変調する装置がある。この装置で
は、レーザの線幅が自然線幅の約１／３６の２５０Ｋｌ
ｔｚ以下となり、ＬＣフィルタを用いて位相及び変調効
率の周波数特性を補正することにより、変調周波数１０
０Ｋ）ｔｚから約２００Ｍ１ｌｚの範囲においてほぼ平
坦なＦＭ変調効率が得られている。

第２の例としては、直接周波数変調された半導体レーザ
出力を安定なマスタレーザを用いてヘテロゲイン周波数
弁別検波し、得られた電気信号を最初の半導体レーザの
駆動電流に負帰還（周波数負帰還制御）することによっ
て、スペクトル線幅を狭小化したＦＳＫ信号を得る装置
がある。

この装置では、周波数負帰還制御によって変調周波数１
　Ｋ　ｌｌｚ〜１０Ｍ　ｆｉｚの範囲において２００Ｍ
　Ｈｚ　／＋１１Ａ程度の平坦なＦＭ変調効率が得られ
ている。

第３の例としては、位相制ＷＪｆｌＡ域付ＤＦＢ　（分
布帰還型）レーザを用いるＦＭ変調装置がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した第１例のＦＭ変調装置では、ＬＣフィルタを用
いることにより　１００ＫＨｚから約２００Ｍ１（ｚの
範囲でほぼ平坦な変調効率が得られているが、その値は
半導体レーザ単体の場合に比べて約１／６の５０Ｍ市／
ｍＡであり特に４００Ｍｂ／ｓの高速伝送実験での変調
効率は１９Ｍ　Ｈｚ　／　ｌ　Ａにまで低下している。

更に、この高速伝送実験では変Ｗ！Ｊ電流が１３ａ＋　
Ａに設定されており、周波数偏移は約２５０ＭＨｚであ
る。この値は伝送速度から要求さる周波数偏移４００Ｍ
）ｆｚより小さいので、符＠誤まり率が増大し受信可能
最小電力を増加させる不都合が生じてしまう。従って、
戻り光によってスペクトル線幅を狭小化した半導体レー
ザを直接変調する場合には、変調効率を低下させず高い
変調効率を維持することが要求される。

第２のＦＭ変調装置では、２００ＭＨｚ／ｍ　Ａ程度の
変調効率が得られ、スペクトル線幅も約１桁低下し１〜
２　Ｍ　Ｈｚに達しているが、高品質の光伝送を行なう
ＦＳＫ光通信の送信用光源としては充分に狭小化される
に至っていない。

更に、第３のＦＭ変調装置では、スペクトル線幅はレー
ザ単独の場合の１７Ｍｔｆｚのときの条件においてＦＭ
変調効率は２．５ＧＩＩｚ／ｍ　Ａで、その変調周波数
特性はＩＫＨｚ〜２００Ｍ　）ｆｚの範囲において平坦
な特性が得られている。しかし、スペクトル線幅を狭小
化した半導体レーザを用いた場合にも高効率、広帯域の
ＦＭＩ調が得られるかは明らかでない。

このように従来のＦＭ変Ｗ４装置ではスペクトル線幅が
数１０ＫＩｈ程度に狭小された半導体レーザを高効率で
、従ってスプリアスＡＭ変調の小さい状態でＦＭ変調す
ることができなかった。

従って、本発明の目的は上述した欠点を除去し、ＦＳＫ
通信に必要とされる数１０ＫＨｚのスペクトル線幅で高
い変調効率の光信号を放射できる半導体レーザの周波数
変調装置を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による半導体レーザの周波数変ａｔ！！装置は、
半導体レーザからの放射光に基いてＦＭ′ｌＩ調された
レーザ駆動電流の周波数制御を行なう手段と、低周波数
の変調基準信号を発生する手段と、この変調基準信号に
基いて半導体レーザからの放射光を変調し、該半導体レ
ーザに帰還させる反射体と、前記変調基準信号と半導体
レーザからの放射光とに基いて放射光の中心位相を制御
する制御信号発生手段と、半導体レーザからの放射光の
ＦＭ変調成分を検出し、検出したＦＭ変調成分とほぼ逆
位相の瞬時位相制御信号を発生する手段と、前記中心位
相制御手段からの制御信号及び瞬時位相制御信号発生手
段からの制御信号に基いて前記反射体を光軸方向に駆動
する手段とを具えることを特徴とするものである。

〔作　用〕

外部鏡などから戻り光があるときの半導体レーザの発振
角周波数は（１）式で与えられる。

（ω−ω０）τ＝−ξｓｉｎ　　（ωτ＋θ　）α ここで、ωとω０はそれぞれ戻り光があるときと、ない
ときのレーザの発振角周波数、τは、レーザ端面から出
射した光の一部が外部鏡で反射して再びレーザ端面に戻
るまでに要する往復時間である。

ξは無次元のスペクトル狭小パラメータ、またはフィー
ドバックパラメータであり ξ＝で、ＩＴ〒７７γ／】１−Ｒ（２＞で与えられる。

θ。は半導体レーザの構造および発振周波数によって決
まる定数であり θ。＝ｔａｎ−＋α　　　　　　　〈３）で与えられ、
α＝２〜８程度の実測値が報告されている。

ここで、αはＦＡ幅増大係数、γは半導体レーザ共振器
の減衰定数、ηＣは戻り光ビームがレーザ主共撮器の励
起モードと結合する効率、Ｒは戻り光電力の出射光電力
に対する割合である。ξの種々の値をパラメータとして
、（１）式から５１０したωτとω０τの関係を第１図
に示す。腐り光の品が少なくてξ≦１の場合には単一モ
ードのみが生じ、ξ〉１の場合にはωτは与えられたω
０τに対して多値となり、破線または点線で示した部分
は不安定である。ω０τ＋θＣ１−２ｎπ＋πまたは２
ｎπ−π、ｎは正整数のときに、レーザは他のモードに
跳躍して発振周波数が大きく変化する。２ｎπ−πくω
０τ十θ　〈２ｎπ＋πを満α 足するω０τの場合には、レーザは単一モードで安定な
動作をする。とくに、ω０τ十〇。−２ｎπのときには
ξの値にかかわらずω＝ω０である。

しかし、２ｎπ−πくω０τ＋θ。〈２ｎπのときには
ω〉ω０となり、２ｎπくω０τ＋θ　くα ２ｎπ＋πのときにはωくω０となる。ところで、戻り
光の出射光に対する位相差はωτラジアンで与えられる
。一方、ω０τは、戻り光がごく微小酋とみなせる場合
にはξく〈１であるのでωτにほとんど一致する。従っ
て、今後説明に便利なようにωτのかわりにω０τは「
戻り光の位相差」として用いることにする。

τ、ξ、θ。を一定に保って（１）式の全微分を求め計
詐すると ｄω／ｄωｏ　＝　ｄｆ／　１０　ｏ　＝１／（１＋ξ
ｃｏｓ　　（ωτ＋θａ　））となる。したがって、戻
り光があるときのレーザのスペクトル線幅δｆは δ「　− δｒｎ／（１＋ξｃｏｓ　　（ωτ十〇ａ））２で与え
られる。ここで、ｄｒｏは戻り光がないときの自然スペ
クトル線幅である。ω０τ十θα＝２ｎπ、０は正整数
の場合には、ξにかかわらずωτ十〇ａ＝２ｎπである
ので、（４）、（５）式から ｄｆ／ｄｆｏ　＝　１　／　（１＋ξ）　　　　　（６
）δｆ＝δｆ　ｎ　／　（１＋ξ）２　　（７）となる
。すなわち、戻り光の位相差をＲ適値にして周波数の変
動分（Ｈをｄｒｏの１７（１＋ξ）倍にすることによっ
て、スペクトル線幅をδｆｎの１／（１＋ξ）２倍にす
ることができる。レーザの駆動電流を撮幅ｄ１の正弦波
で変調した場合のＦＭ変調効率は、戻り光がない場合に
はｄｆｏ／ｄｉであるが、戻り光がある場合には次式で
与えられる。

ｄｒｙｄｒ＝（１／　＜　１＋ξ））（ｄｆｏ／ｄｉ）
　　（８）このように、ＦＭ変調効率が戻り光の存在に
よって１／（１＋ξ）倍に低下することが従来のＦ〜１
変調装置の第１例の欠点であった。

次に本発明による高変調効率のＦＭ変調装置の動作原理
について説明する。

この外部鏡付き半導体レーザを用いたＦＭ変調装置の特
徴は、駆動？ｉ流を直接変調してレーザ光の周波数「が
変調周波数ｒ、で変化するときに、常に戻り光の位相差
２πｒτが一定となるように、戻り光の往復時間τをも
周波数ｆｌ、ｌで同時変調することによって、スペクト
ル線幅が狭小化されたレーザ出力光のＦＭ変調効率を回
復し、高くできることである。以下、理論的検問を行な
う。（１）式の両辺をτで割り ξ／τ＝、／ＴＶ璽ｔγｆＴ「π＝Ｋ　　　（９）とお
くと、Ｋは定数であり、 ω−ωｏ＝−Ｋｓｉｎ（ωτ十〇　’）　　　　（１０
）α である。まず、戻り光が存在するときの安定動作点を第
２図のＰのように定める。τ０は戻り光の往復時間であ
り、一定値とする。このときのレーザの発振角周波数を
ω０．戻り光がないときの発振角周波数をω：とすると
、ω０とω８は一定値である。

（１）レーザの出力光にＦＭ雑音がない場合戻り光の位
相ωτが一定となるように自＃Ｊ制御するのであるから ωτ十〇　＝φ０　　（一定値＞　　　　　（１１）α であり、さらに、安定動作点においてもω０τ０＋θα
＝φＯ（１２） である。（１１）式を（１０）式に代入し、（１２）式
を用いると ω：τ０＋θ。＝φ’＋（１（Ｓｉｌｌφ０）τ０（一
定１ｉｆｔ）　　（１３） である。すなわち、ωτ−トθ。を一定値に保つことは
、ω：τ０＋θ。を一定に保つことによって実現できる
。

さて、駆動電流に角周波数ω１の正弦波電流を重畳して
ＦＭ変調すると、戻り光がないときのレーザの角周波数
ωＧは ω０＝ω：＋Δω１ＩＩＳｉｎωｍｔ＝ω：＋Δωｏ　
　　　（１４） と表わせる。（１１）式を満足するようにτをτ０から
Δτだけ変化させるのであるから τ＝τ０＋Δτ　　　　　　　（１５）である。（１１
）　、　　（１４）　、　　（１５）の結果としてω＝
ω０＋Δω　　　　　　　（１６）と置いたときのΔω
が、戻り光があるときのレーザの発振角周波数変化であ
る。上式を解くとΔτ＝−（Δω／ω０）τ’　　　　
　（１７）Δω＝Δω１ＬＩＳｉＯωｍｔ　　　　　　
　（１８）となる。両式は動作点および周波数変動範囲
が安定動作領域内にあるとき成立する。（１１）式から
れかるように、ω０とτ０が一定値であることを考える
と、Δωに比例してΔτが減少するように外部共振４艮
または光学距離を変調すれば、ωτ十〇。を一定に保つ
ことができる。この結果として、レーザ角周波数ωはω
０＋Δω、・ｓｉｎω（に従ってＦＭ変調されるａ（１
４）、　　（１８）式かられかるように、Δω＝Δωｏ
−Δωｌ１ｌｓｉｎωｆｆｌ【であり、同一の変調電流
に対して戻り光があるときのＦＭ変調効率は戻り光がな
い場合に比べて変化しない。

（２）レーザ出力光にＦＭ雑音がある場合戻り光がない
ときのレーザにΔωｎ（ｔ）のＦＭＩ音がある場合に、
駆動電流を正弦波変調すると ω０＝ω：＋Δω０＝ ω８＋Δω１Ｉｌｓｉｎω１ｔ＋Δωｎ（ｔ）となる。

従って、戻り光がある場合のレーザの角周波数変動Δω
にはＦＭｉ音成分が存在するが、Δωに比例した光周波
数弁別器の出力の中から、変調周波数の信号成分のみを
Δτに幅還すると、（１７）　、　　（１８）を参考に
してΔｒ＝　−（ｒ０／ω’　）　Δｔｏ、　ｓｉｎ　
ω１．ｌ１ｔとなる。この場合には、ωτ＋θ。は時間
的には一定とならないが、 ω＝ω０＋Δω　　　　　　　　　（２１）とおいてΔ
ωを求める。（１０）式においてに、θαを一定として
全微分を求めると ｄ　ω−ｄ　ω０　＝ −ＫＯＯ３（ωτ十θ。）　（ωｄτ＋τｄω）となる
。これに、（１９）〜（２１）式を代入するとΔω＝Δ
ω１Ｉｓｉｎω１ｔ＋Δωｎ（ｔ）／（１＋にτ’　ｃ
ｏｓφ０） が得られる。ところで、 Ｋτ’　ｃｏｓφ０＝ （ξｃｏｓ　　（ωτ十θ　））τ＝τ０α であるので戻り光の位相ωτを最適値、すなわらωτ＝
２ｎπ−θ　に設定すると Δω＝ Δωｌ、１Ｓｉｎ　（ｔ）Ｉ、ｌｔ十Δωｎ（ｔ）／（
１＋ξ）となる。

従って、戻り光の注入によってレーザのＦＭＮ音は１／
（１＋ξ）に低下し、スペクトル線幅は１／（１＋ξ）
２倍になるが、ＦＭ’！ａ調効率の相対値は（ｄｆ／ｄ
ｉ）　／　（（Ｈａ　／ｄｉ）　＝　１となり、ξに依
存せず、従ってＦＭ変調効率は低下しないことになる。

〔実施例〕

第３図は本発明による半導体レーザの周波数変調装置の
一実施例の構成を示す線図である。本例では、周波数変
調装置を、半導体レーザ１、この半導体レーザ１の中心
発振周波数を一定に維持するための周波数制ｔｉｌｌ装
置２、半導体レーザ１への戻り光の位相を最適値に保ち
半導体レーザ１をスペクトル線幅の狭い単一モードで動
作させるための１紡位相制御装置３及び半導体レーザ１
の瞬時周波数のＦＭ変調による変化分に比例してレーザ
１への戻り光の位相を逆位相で変化させる瞬時位相制御
回路４から構成する。

半導体レーザ１にペルチェン冷却素子１０を一体的に組
み込み、淘度制罪回路１７の制御のもとて半導体レーザ
１を一定の温度に維持する。半導体レーザ１に加ｎ器１
２を接続し、この加算器１２にレーザ駆動用電流源１３
及びＦＭ変調用信号源１４を接続し、これらの出力の和
を半導体レーザ１に供給し駆動電流源とする。レーザ駆
動用電流源１３は後述するＰＪＤ！、ＩＪＩ１１回路の
高域しゃ断層波数以下の信号に応じて半導体レーザ１の
中心発振周波数が一定になるように駆動電流を出力し、
ＦＭ変調用信号源１４は瞬時周波数をＦＭ変調するため
ＰＩＤ制御回路の高域しゃ断層波数よりも高い周波数の
電流を供給する。半導体レーザ１から放射した放射光は
セルフＡツクレンズ１５により平行光束どされビームス
プリッタとして作用するハーフミラ−１６に入射し、そ
の透過光は周波数制御２１１装置２に入射する。この周
波数９１ｔｉｌｌ装置２は光周波数弁別器１７と、この
光周波数弁別器１７の出力信号に基いてＰＩＤ制御を行
なうＰ　Ｉ　Ｄ　ｆｉ制御回路１８とを以て構成する。

入射光は、光周波数弁別器１７内に設（プだハーフミラ
−１９に入射し、その反射光はフォトダイオード２０に
入射し光電１２換され差動増幅器２１に出力される。透
過光は）？ブリーペローエタロン２２に入射し、レーザ
放射光の基準周波数からの変動分が変換されフォトダイ
オード２３で光電変換されて作動増幅器２１に入力する
。差動増幅器２１では、これらの差信号を作成し、レー
ザ放射光の周波数変動を電気信号として出力する。この
差動増幅器２１からの出力信号はＰＩＤＩＩＩＩＯ回路
１８、自初位相ｉｌｉ制御装置３及び瞬時位相制御回路
４にそれぞれ供給される。Ｐ［Ｄｌ、１１１１１回路１
８は、光周波数弁別器１７からの出力信号に基いて高域
しゃ断層波数以下の制御ｌ電圧を出力しレーザ駆動用電
流＃Ｑ１３に供給する。従って、このフィードバックル
ープによって半導体レーザ１の中心発振周波数が一定に
維持されることになる。

ハーフミラ−１６からの反射光は光減衰器２４を経て液
晶反射型変調器２５に入射する。この液晶反射型変調器
２５は圧電変換素子２６が一体的に組み込まれており、
この圧電変換素子２６の伸縮によって光軸方向に変位す
ると共に、自動位相制ｍ＋装置３内の変調器駆動発振器
からの出力信号に応じて反射率が変化する。従って、液
晶層）１型変調器２５に入射した放射光は、例えば８１
１２程度の低周波の変調基準信号を発生する変調器駆動
発振器の発振周波数に基いて変調され、その反射光は再
び光減衰器２４、ハーフミラ−１６及びセルフォックレ
ンズ１５を経て半導体レーザ１の端面に入射して戻り光
となる。尚、この戻り光は圧電変換素子１９の伸縮によ
りその往復時間が自動的に調節されることになる。

外部共振器を符号ａの破線で示す。

光周波数弁別器１７の差動増幅器２１からの出力信号は
、自動位相制御装置３に供給される。この出力信号は、
まず低域浦波器２７を経て同期検波増幅器２８に供給さ
れる。この同ＪＩＩＪ検波増幅器２８は、入力する光周
波数弁別器１７からの出力信号を変調器駆動発振器２９
からの基準信号に基いて同期検波し位相誤差信号ｅを作
成する。この位相誤差信号は低域浦波器３０を経て中心
位相制御増幅器３１により位相制御され、レーザ放射光
の中心位相を制Ｗ　−する信号として加算器３２に入力
する。更に、光周波−数回別器１７からの出力信号を瞬
簡位相ｉ、制御回路４に供給する。瞬時位相制御回路４
は帯域濾波器３３、可変移相器３４、可変減衰器３５及
び瞬時位相制御用増幅器３６を以て構成する。入力信号
は、まず帯域濾波ｉ？！ｉ３３によりＦＭ信号成分が浦
波され、次に可変位相３４により前述した戻り光の位相
が逆位相となるように位相調節され、可変減衰器３５に
よって振幅調節され、増幅器３６により増幅される。こ
の出力信号は瞬時位相制御信号として前述した自動位相
ＲＩＩＩＩＩＩ装置３からの制御信号と共に加算器３２
に供給される。従って、加算器３２に接続されている圧
電変換素子２６が、自動位相制御ｌｌ装置３の中心位相
制御用増幅器３１からの出力電圧及び瞬時位相制御回路
４の瞬時位相ａｉｌｌｔｌｌ用増幅器３６からの出力電
圧との和に応じて光軸方向に伸縮し、この圧電変換伸縮
によって液晶反射型変調器２５も光軸方向に変位する。

この結果、液晶反射型２５から半導体レー（ア１への戻
り光は、レーザ放射光の瞬時周波数のＦＭ変調による変
化分に比例して逆位相で変化されることになる。また、
戻り光は変調器駆動発振器２９からの制御信号により８
土の低周波で強度変調されているので、中心位相制御用
増幅器３１からの制御信号成分により戻り光の出射光に
対する平均位相差の最適値からの偏差が零となるように
負帰還されることになる。この結果、半導体レーザ１へ
の戻り光の位相が最適値に維持され、半導体レーザ１を
スペクトル線幅の狭い単一モードで動作させることがで
きる。尚、この動作原理は本願人が提案した特願昭６０
−　４１７９１号公報に詳細に説明されているので詳細
な説明は省略する。

次に本発明の実証実験に基づいて以下の動作説明をする
。

半導体レーザ１はＧａ　Ａｔ　Ａｓ型のものであり、発
振波長はλ＝　７８０ｎｌｌｌ　、発振周波数はｔ　ｏ
＝　３８５Ｔ　ｌｌｚ　、発成閾値電流は１ｔｈ−２８
−Ａ、駆動電流は１＝１．３１　　　片端面からの出力
光電力は１．７ｔｈ・ ｍＷに設定した。半導体レーザ１の温度変動は±０．０
１℃以内である。フリーランの半導体レーザ１の中心周
波数変動は２０分間で±８０Ｍ１ｔｚ以内、瞬時周波数
変動は４５ＭＨｚｐ−ｐである。ＡＦＣ３を動作させた
ときの半導体レーザ１の中心周波数の７７ブリーベロー
エタロン２２への追随度は２０分間で±２．５Ｋｌｔｚ
以内に、瞬時周波数変動は１０Ｍ　Ｈ２ｐ−ｐに改善さ
れる。実験を通じてＡＦＣ３を動作させた。

実験Ｉ　　　ＡＰＣ３を動作させない場合ＦＭ変調用信
号源１４からの１００Ｋ　Ｈ２の制限波電流によってＦ
Ｍ変調したとぎの半導体レーザ１の出力周波数変化をｂ
点で観測したときのオシロスコープ波形を第４図ａ及び
ｂに示す。同図ａは外部共振器長しを固定した場合であ
り、変調電流ｄｉ＝　０．０５脂△Ｏ−Ｐのとき、周波
数偏移ｄｆ＝１５ＭＩｌｚ０−１、変調効率ｄｆ／ｄｉ
＝　３００Ｍ）Ｆｚ／ｎ＋八であった。

次に、本発明のＩ　ＰＯ２を動作させ、可変移相器３４
と可変減衰器３５を最適値に設定したときの出力周波数
変化の波形を同図すに示す。ＦＭ変調効率は８３０Ｍ）
ｌｚ／１ｍ　Ａとなり、約２．８倍に改善された。

この場合のフィードバックパラメータはξ−２，４であ
る。

次に、ξの値を０．１２〜３．６の範囲で変化させたと
きのＦＭ変調効率の相対値の実測値と理論値を第５図に
示す。縦軸は戻り光がないとぎのＦＭ変調効率ｄｆ　ｏ
　／　ｄｉ　＝　９４０Ｍ　Ｈｚ／　ＩＩ　Ａで正規化
しである。外部共振器長しが固定されている場合の実測
値は「・」印であり、（４）式から計算された理論曲線
（実線）と良く一致する。一方、本発明のＩ　ＰＯ２に
よって外部共振器長を同時変調した場合のＦＭ変調効率
の相対値の実測値は「・」印であり、この値は従来の変
調方法と比べてかなり改善されている。さらに、（２６
）式から計算された理論直線（実線）とも一致している
。

次に、半導体レーザのスペクトル線幅を周接的に推定す
るためにＦＭ変調時のＦＭｔｌ音の電カスベクトルをｂ
点で実測し、第６図ａ〜ｄにその結果を示す。同図ａ及
びｂはともに戻り光がない（ξ＝０）場合であり、ＡＦ
Ｃ２がオンの場合のｂでは、４０ＫＩＩ２（Ｐ　Ｉ　Ｄ
ｆｂｌＪ御回路１８の高域しゃ断固波数）以下の低周波
のＦＭｉ音は減少するが、１００ＫＨ２のＦＭ変調信号
は低下しないことがわかる。さらに、ＡＦＣ２がある場
合に、戻り光がある場合（第６図ａ）を戻り光のない場
合（第６図ｂ）と比較すると、変調信号、ＦＭＩ音の電
圧はそれぞれ１／　３．４．　１／　２．８に低下して
いる。最後に本発明の場合（第６図ｄ）にはＩ　ＰＯ２
を動作さゼるので、従来の発明（第６図Ｃ）に比べて変
調信号電圧は２．８倍に大きくなり改外されるが、ＦＭ
雑音電圧は変調周波数の近傍で若干増大することを除け
ばほとんど変化しないでフリーランの場合の１／　２．
８に低下している。従ってスペクトル線幅も（１／　２
．８）　２＝　１／　７．８に狭小化されていると推定
できる。一方、使用したレーザの自然スペクトル線幅は
４〜５　Ｍ　Ｈｚと推定されるので、このときの線幅の
推定値は０．５５ＭＩＩｚである。なお、ξ＝３．６で
実験した場合の線幅の推定値は０．３Ｍ七であった。

以上、実験１の結果かられかるように、瞬時位相制御回
路Ｉ　ＰＯ２を用いて、戻り光の位相をバイアス電流変
調と同時変調する本発明のＦＭ変調装置が有効に動作す
ることは明らかである。

実験２　　ＡＰＣ３を動作させた場合 戻り光がかなり弱いξ＝０．７の場合に、直接変調半導
体レーザの出力光に含まれる変調信号の電カスベクトル
を点すで実測した結果を第７図に示す。縦軸は周波数の
２乗平均値を比例目盛で示しである。戻り光がないとき
の変調信号の２乗平均値は１，３Ｘ　１０　　Ｈｚ　’
　　（３６，４Ｍ　）ｔｚ　　ｒｌｓ　）である。

戻り光が存在する場合（第７図ａ）には、変調信号は０
，５４　ｘｌｏ　　１−ｂ’であり、戻り光がない場合
の値の１　／　（１，３／　０．５４　）　＝　１／　
２．４に低下したが、Ｉ　ＰＯ２を用いて外部共振器長
を同時変調する（第７図ｂ）の場合には０．９５　／　
０．５４　＝１．８倍に増加した。さらに、ＡＰＣ３を
動作させる（第７図Ｃ）の場合には変調信号は少し低下
して０，８Ｘ１０　　Ｈｚ’になったが、従来発明の場
合（第７図ａ）に比べて変調信号は０．８／　０．５４
−１．５倍に増加した。すなわち、Ｉ　ＰＯ２とＡＰＣ
３を同時に用いた場合にもＦＭ変調効率が従来の発明に
比べて増加することが確認できた。ＡＰＣ３を用いる利
点は、戻り光の位相を最適値に長期間保持することによ
って本発明のＦＭ変調装置を安定化でさることである。

次に、上記と同様な条件で測定したＦ［ｔｉの電カスベ
クトルを第８図ａ及びｂに示す。縦軸は対数目盛である
。第８図ａは戻り光がありＡＦＣ２が動作している場合
である。第８図すはさらにｌ　ＰＯ２とＡＰＣ３を動作
させた場合であり、ＦＭ雑音電力は変調信号の近傍で５
ｄＢＰｉ！度増加しているが、他の周波数ではほとんど
増加していない。

一方、第８図ａに承り場合のＦＭ雑音は第６図すの戻り
光がない場合のＦ　Ｍ　ｙ＆音より３ｄＢ程度低下して
いる。従って、ｒ　ＰＯ２とＡＰＣ３を同時に用いた場
合にも、ＦＭＳ音がフリーランの場合に比べて低下する
ことを！［し、スペクトル線幅が狭くなることを推定で
きた。

以上実験２の結果は、戻り光の自動位相制御装置ＡＰｃ
３を併用した場合にも、本発明のＦＭ変調装置が有効に
動作することを示す。

本発明は上述した実施例だけに限定されるものではなく
種々の変更が可能である。例えば上述した実施例では戻
り光の強度変調を行なう手段として液晶反射型変調器を
用いたが、液晶通過型あるいはフランツ・ケルディシュ
効果を用いた半導体薄膜通過型さらには偏光子、電気光
学効果偏光回転子、検光子で構成される電気光学的光強
度変調器も用いることができる。

また、戻り光の往復時間を制御する手段として圧電変換
素子を用いたが、ボイスコイル等の変位制御素子を用い
て外部共振器長を変化させたり、戻り光の光路内に光移
相器を配置して光学距離を変化させてもよい。

更に、瞬時位相制御回路を構成する可変減衰器と帯１ｉ
ｉ！濾波器を省略して代りに可変利（η帯域増幅器を用
いることもできる。

更に、光学系を構成する各種光学部品及び光伝送路には
光フアイバ導波路や光集積回路を用いることができる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように本発明は、外部鏡付ぎ半導体レーザ
の駆動電流を直接変調してその出力光をＦＭ変調する場
合に、レーザの瞬時周波数のＦ　Ｍ変調による変動量に
比例した瞬時位相制御信号を逆位相で外部類に帰還して
いるので、レーザへの戻り光の瞬時位相を同時に変調で
き、従ってスペクトル線幅が狭小化された放射光を高い
変調効率でＦＭ変調することができる。

また、戻り光の中心位相を一定に保つ自動戻り光位相ｉ
ｔ、ｌＪ　ｔｉｌｌ装買またはレーザの中心周波数制御
装置を、それぞれ単独に、または２つの制御装置を併用
することによって本発明のＦＭ変調装置を安定化できる
。

【図面の簡単な説明】 第１図は半導体レーザに戻り光があるときの発娠角周波
数と戻り光がないときの発成角周波数の理論的関係を示
す図、 第２図は半導体レーザに戻り光があるときの安定動作点
と諸量の記号を示す図、 第３図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、 第４図ａ及びｂはＦＭ変調手）り体レーザの出力光の周
波数変化に比例した電圧波形のオシロスコープ写真を示
す図、 第５図はフィードバックパラメータを変化させたときの
ＦＭ変調効率の相対値の実測値と理論的を示す図、 第６図ａ〜ｄはＦ　Ｍ変調半導体レーザのＦＭ雑音電カ
スベクトルの実測値を示す図、 第７図ａ−Ｃは直接ＦＭ変調半導体レーザの出力光のＦ
Ｍ変調信号の電カスベクトルを示す図、第８図ａ及びｂ
は直接ＦＭ変調半導体レーザの出力光のＦＭ変調信号と
Ｆ　Ｍ　雑ｕの電カスベクトルの実測値を示す図である
。 １・・・半導体レーザ　　２・・・周波数制御装置３・
・・自動位相制御装置 ４・・・瞬時位相制御］装置 １０・・・ベルヂＩン冷却素子 １１・・・温度シリ郊回路　　１２．３２・・・加算器
１３・・・レーザ駆動用電流源 １４・・・ＦＭ変調用信号源 １５・・・セルフォックレンズ １６、１９・・・ハーフミラ− １７・・・光周波数弁別器　１８・・・ＰＩＤ制御回路
２０、２３・・・フォトダイオード ２１・・・差動増幅；Ｓ２２・・・エタロン２４・・・
光減衰器　　　　２５・・・液晶反射型変調器２６・・
・圧電変換素子　　２７．３０・・・低域濾波器２８・
・・同期検波増幅器　２９・・・変調器駆動発振器３１
・・・中心位相制御用増幅器 ３３・・・帯域濾波器　　　３４・・・可変移相器３５
・・・可変減衰器 ３６・・・瞬時位相制御用増幅器 特許出願人　　　静　岡　大　学　長 第１図 戻り尤がな１）と！め正犬見イヒ！４ｒト反（ダ（ｄｏ
　？　？θｄ第２図 第３図 訃月１し１乏喀毛〔−（ン１ゴ剋１（ＡＦＣ］第４図 ｆｏτ＋　２’Ｋ　ｔ１２ｎ−’ＣＩ　”−ｎ＋０．２
　、ｆｔｎ　４００ＫＨｚＬ＝１６ｃｍ、　’ｙ”２．
４ 第５図 フィードバック！でラメータ　り ＩＴ”２ｚｒ（Ｉｎ−’ｄ”、ｒｌｆＯ，２，ｆ！’／
ｉり０ｋＨＩ、Ｌ−／６ｃｔｎ単狙ルーザ叶Ｍ変釧■方
ｆ１ま９低Ｍ）ｈ／ｍＡ第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体レーザからの放射光に基いてＦＭ変調された
   レーザ駆動電流の周波数制御を行なう手段と、低周波数
   の変調基準信号を発生する手段と、この変調基準信号に
   基いて半導体レーザからの放射光を変調し、該半導体レ
   ーザに帰還させる反射体と、前記変調基準信号と半導体
   レーザからの放射光とに基いて放射光の中心位相を制御
   する制御信号発生手段と、半導体レーザからの放射光の
   ＦＭ変調成分を検出し、検出したＦＭ変調成分とほぼ逆
   位相の瞬時位相制御信号を発生する手段と、前記中心位
   相制御手段からの制御信号及び瞬時位相制御信号発生手
   段からの制御信号に基いて前記反射体を光軸方向に駆動
   する手段とを具えることを特徴とする半導体レーザの周
   波数変調装置。