JPS6364381A - Semiconductor laser device - Google Patents

Semiconductor laser device

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JPS6364381A
JPS6364381A JP20771586A JP20771586A JPS6364381A JP S6364381 A JPS6364381 A JP S6364381A JP 20771586 A JP20771586 A JP 20771586A JP 20771586 A JP20771586 A JP 20771586A JP S6364381 A JPS6364381 A JP S6364381A
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JP
Japan
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semiconductor laser
frequency
signal
output
vibration signal
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Pending
Application number
JP20771586A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Matsuno
敬司 松野
Atsushi Minegishi
篤 峯岸
Noboru Suwa
昇 諏訪
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Iwatsu Electric Co Ltd
Original Assignee
Iwatsu Electric Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6364381A publication Critical patent/JPS6364381A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/0687Stabilising the frequency of the laser
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/06209Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
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Abstract

PURPOSE:To obtain an optical output with no frequency variation resulting from modulation by alternately arranging a period when the driving currents of a semiconductor laser are modulated and controlled, and a period when modulation is stopped or weakened. CONSTITUTION:A modulation control circuit 46, a half mirror 35a, an optical switch 48, a sweep circuit 64 and a sweep control circuit 64a are added. The modulation control circuit 46 stops or weakens a vibration signal fed to a drive circuit 34 from a signal source 38 only for a desired period. The optical switch 48 synchronizes beams obtained by branching output beams from a laser diode 11 by a half mirror, etc. with stoppage and control by the modulation control circuit 46 and passes them, thus acquiring wavelength stabilizing output beams. Accordingly, an optical output with no frequency variation resulting from modulation is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、波長(周波数)を付引案定化レーザ出力を得
ることができる半導体レーザ装置に関し、更に詳細には
、原子又は分子の吸収スペクトル線を用いて波長を安定
化する手段を含む半導体レーザ装置に関する。
Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a semiconductor laser device that can obtain a laser output with a controlled wavelength (frequency). The present invention relates to a semiconductor laser device including means for stabilizing wavelength using spectral lines.

[従来の技術] 近年、半導体レーザの性能向上により、従来から製品化
されている気体レーザ(He  N eレーザ等)を用
いた周波数安定化光源を凌ぐ性能を持つ半導体レーザを
用いた周波数安定化光源の研究が活発になっている。こ
の種の研究は、光フアイバー通信の新しい方式であるヘ
テロダイン/コヒーレント光通信方式に用いる光源のr
gFJ発に密接に関連して進められて未た。上記光通信
方式では(1) 極めて高い周波数安定度を有する半導
体レーザ。
[Conventional technology] In recent years, due to improvements in the performance of semiconductor lasers, frequency stabilization using semiconductor lasers has superior performance to frequency stabilization light sources using gas lasers (He Ne lasers, etc.) that have been commercialized in the past. Research on light sources is becoming more active. This type of research is based on the r
It has not yet been advanced in close connection with the gFJ initiative. The above optical communication system uses (1) a semiconductor laser with extremely high frequency stability;

(2) 半導体レーザのスペクt・ル純度の改善。(2) Improving the spectral purity of semiconductor lasers.

(3) 広帯域・高効率の変調技術。(3) Wideband, high efficiency modulation technology.

笠が重要となるため、このまま課題の解決をめざした研
究・開発が急速な進歩をとげつつある。これ等の技術は
コヒーレント光応用計測における距離、長さ、変位等の
高7i!7度測定においても重要である。
Due to the importance of hats, rapid progress is being made in research and development aimed at resolving these issues. These technologies are capable of measuring distances, lengths, displacements, etc. in coherent light applied measurements with high 7i! It is also important in measuring sevenths.

これらの技術のうち、とくに上記(1)(2)に関して
は、半導体レーザそのものの改良による技術的発展が著
しい。たとえば新しい構造のレーザとして、D B R
’(D 1stributed  B ragg  R
efIeCtQr)型(ブラック反射型)レーザや、D
FB(Distributed  Feed Back
 )型(分布帰還型)レーザ等がある。これは、回折格
子を利用して波長を決定するv#造のレーザであり、い
わゆるDSM (Dynamic  S ingle 
Mode )レーザとして実用化されようとしている。
Among these technologies, the above-mentioned (1) and (2) in particular have undergone remarkable technological development due to improvements in semiconductor lasers themselves. For example, as a laser with a new structure, D B R
'(D 1tributed Bragg R
efIeCtQr) type (black reflective type) laser, D
FB (Distributed Feed Back)
) type (distributed feedback type) laser, etc. This is a V# laser that uses a diffraction grating to determine the wavelength, and is a so-called DSM (Dynamic Single Laser).
Mode) It is about to be put into practical use as a laser.

しかし、レーザ発振波長の温度による変動や、上記半導
体レーザを窩速変調する時に波長がわずかにシフトする
いわゆる波長のチャーピング(chirping)の問
題等がある。
However, there are problems such as variations in the laser oscillation wavelength due to temperature and so-called wavelength chirping, in which the wavelength is slightly shifted when the semiconductor laser is subjected to velocity modulation.

ところで、レーザ周波数を安定イヒするなめには、サー
ボ制御が必須要件である。このサーボ制御においては、
レーザ周波数を光周波数弁別器で弁別し、この光周波数
弁別器の周波数基準に対する安定化すべきレーザ周波数
の周波数差に対応する出力が一定レベルで得られるよう
に発振をルー御する必要がある。光周波数弁別の代表的
な方法として次の2つがある。
By the way, servo control is essential for stabilizing the laser frequency. In this servo control,
It is necessary to discriminate the laser frequency with an optical frequency discriminator and control the oscillation so that an output corresponding to the frequency difference between the laser frequency to be stabilized and the frequency reference of the optical frequency discriminator is obtained at a constant level. There are two typical methods for optical frequency discrimination:

(1)  ファブリ・ベロー干渉計(以下FP干渉計と
呼ぶ)を使用する方法。
(1) A method using a Fabry-Bello interferometer (hereinafter referred to as FP interferometer).

(2) 分子又は原子の吸収スペクトル線を使用する方
法。
(2) A method that uses absorption spectral lines of molecules or atoms.

第8図は従来のFP干渉計を使用した半導体レーザの周
波数(波長)安定化装置を示す、ここで(11)はレー
ザダイオード、(12)はレーザダイオードを駆動する
ための電流枢動回路、(13)はPID (比例士積分
士黴分)回路である。
FIG. 8 shows a semiconductor laser frequency (wavelength) stabilization device using a conventional FP interferometer, where (11) is a laser diode, (12) is a current pivot circuit for driving the laser diode, (13) is a PID (proportionalist integrator) circuit.

(14)は差動増幅器、(25)はレーザダイオード(
11)の光出力を設定するための可変電圧、源、■ お
よびV、はそれぞれホトダイオード(16)(17)の
電気出力信号であり、割算器(15)に印加される。(
18)はFP干渉計、(19)はミラー、(20)はビ
ームスプリッタ−1(2l)及び(22)は空間フィル
ターで、たとえば5〜10μm直径のピンホールである
(14) is a differential amplifier, (25) is a laser diode (
The variable voltages, sources, ■ and V, for setting the optical output of 11) are the electrical output signals of the photodiodes (16) and (17), respectively, and are applied to the divider (15). (
18) is an FP interferometer, (19) is a mirror, (20) is a beam splitter 1 (2l) and (22) are spatial filters, for example, pinholes with a diameter of 5 to 10 μm.

(23)および(24)は顕微鏡対物レンズと同様な集
光用のレンズである。また、レーザダイオード(11)
の発振周波数の基準(この場合FP干渉計(18)の共
振周波数)に対する誤差信号を周波数安定度の評価デー
タとして記録するため、ブタレコーダ(28)に入力す
る信号を、ローパスフィルタ(26)、増幅器(27)
を介して得ている。
(23) and (24) are lenses for focusing light similar to microscope objective lenses. Also, laser diode (11)
In order to record the error signal with respect to the oscillation frequency reference (in this case, the resonant frequency of the FP interferometer (18)) as frequency stability evaluation data, the signal input to the pig recorder (28) is filtered through a low-pass filter (26), Amplifier (27)
are getting through.

次に第8図に示す装置の動作概要を説明する。Next, an outline of the operation of the apparatus shown in FIG. 8 will be explained.

レーザダイオード(11)の光出力は、点線で示すごと
く、レンズ(23)で平行光束に変換され、空間フィル
タ(22)を通り、ビームスプリッタ(20)で二つの
光束に分けられる。一方の光束はそのまま直進し、FP
干渉計(18)とレンズ(24)と空間フィルタ(21
)を通って、フトダイオード(17)に入射される。他
方の光束はビームスプリッタ(20)で反射され、ミラ
ー(19)で再び反射されてホトダイオード(16)に
入射される。ホトダイオードく17)からはし−ザダイ
オード(11)の発信周波数の基轄となる周波数との差
の清報を含む電気出力■8には光周波数弁別器の周波数
基準との差の情報に対応する信号成分以外の光出力変動
成分が含まれているので、これを除去することが必要に
なる。このため、FP干渉計(18)を通さない光かり
に対応する電気信号VAをホトダイオード(16)で得
、割算器(15)でV8/V、を求める。これにより、
光周波数弁別器の周波数基準との差に対応する変動成分
以外の光出力変動成分を除去した信号を得ることができ
る。この例では割算器(15)でVB/V、を求めてい
るが、減算器によってV、−V、を求めるようにしても
同様な効果を得ることが出来る。
The optical output of the laser diode (11) is converted into a parallel beam by a lens (23), passes through a spatial filter (22), and is split into two beams by a beam splitter (20), as shown by the dotted line. One of the light beams continues straight and reaches the FP
Interferometer (18), lens (24) and spatial filter (21)
) and is incident on the foot diode (17). The other beam is reflected by the beam splitter (20), reflected again by the mirror (19), and then incident on the photodiode (16). Electrical output from the photodiode (17) to the diode (11), which contains information on the difference between the transmission frequency and the reference frequency. Since optical output fluctuation components other than the signal components are included, it is necessary to remove them. Therefore, an electric signal VA corresponding to the light that does not pass through the FP interferometer (18) is obtained by the photodiode (16), and V8/V is obtained by the divider (15). This results in
A signal can be obtained from which optical output fluctuation components other than the fluctuation component corresponding to the difference from the frequency reference of the optical frequency discriminator are removed. In this example, VB/V is obtained using the divider (15), but the same effect can be obtained by using a subtracter to obtain V and -V.

割算器(15)の出力は差動増幅器(14)に入力し、
基準電圧源(25)の基準電圧と比較され、再入力の差
に対応した信号即ち誤差出力がPID(比例+積分十微
分)回路(13)を介して枢動回路(12)に与えられ
る。これにより、レーザダイオード(11)の発信周波
数が一定になるように、すなわち割算器(15)の出力
が一定になるようにレーザダイオード(11)が負帰還
制御される。
The output of the divider (15) is input to the differential amplifier (14),
It is compared with the reference voltage of a reference voltage source (25), and a signal corresponding to the difference in the re-input, that is, an error output, is given to the pivot circuit (12) via a PID (proportional + integral plus differential) circuit (13). As a result, the laser diode (11) is controlled by negative feedback so that the oscillation frequency of the laser diode (11) is constant, that is, the output of the divider (15) is constant.

ところで、第8図の方式は、FP干渉計(18)の周波
数弁別特性が温度変動に起因して変化するという欠点を
有する。FP干渉計(18)の温度変動を10−2〜1
0−3℃以下に制御することは、干渉計の大きさ、設置
される状況を考慮すると極めて困難である。上記欠点を
解決するために次の技術が提案されている。
By the way, the method shown in FIG. 8 has a drawback that the frequency discrimination characteristics of the FP interferometer (18) change due to temperature fluctuations. Temperature fluctuation of FP interferometer (18) is 10-2 to 1
It is extremely difficult to control the temperature to below 0-3° C., considering the size of the interferometer and the conditions in which it is installed. The following techniques have been proposed to solve the above drawbacks.

(1) 干渉計は気圧、外温、水蒸気等から保護するた
めに気密封止する。(特公昭6O−12(2) 2つの
干渉計の屈折率の温度変化を一方が正、他方が負となる
ように設定し、この2つの干渉計の温度特性が互いに相
殺されるようにして使用する。(e公開60−1176
93>(3) 干渉計を光軸に対して設定角θだけ頌斜
して配置し、この設定角θを温度変動に追随して変化さ
せ干渉計の光透過率を一定に保つ。(特公昭6O−11
7694) しかし、上記(1)〜(3)に示す方法は、いずれも複
雑かつ精密な制御が不可欠であり、実用性、信題性に劣
るという欠点がある。したがって実際上10−9以上の
安定度を得ることは困虹であった。尚、安定度の表示に
アラン分散の平方根σ(τ)を用いることにする。
(1) The interferometer shall be hermetically sealed to protect it from atmospheric pressure, external temperature, water vapor, etc. (Special Publication No. 6 O-12 (2) The temperature change in the refractive index of two interferometers is set so that one becomes positive and the other becomes negative, so that the temperature characteristics of these two interferometers cancel each other out. (e-publication 60-1176
93>(3) The interferometer is arranged obliquely at a set angle θ with respect to the optical axis, and the set angle θ is changed in accordance with temperature fluctuations to keep the light transmittance of the interferometer constant. (Tokuko Showa 6O-11
7694) However, the methods shown in (1) to (3) above all require complicated and precise control, and have the drawback of being inferior in practicality and credibility. Therefore, it is actually difficult to obtain a stability of 10-9 or higher. Note that the square root σ(τ) of Allan variance will be used to express the stability.

第9図は光周波数の弁別に原子又は分子吸収スペクトル
線を使用した方式を示す、この方式においてはレーザダ
イオード(11)の出力光(35)の通路に、例えばセ
シウム原子やルビジウム原子、又はN H3等の分子の
吸収スペクトルをいわゆるドツプラー・フリ一つまりド
ツプラー効果に起因するスペクトル拡がりを除去するよ
うに分光する分光器(32)が配置されている。この分
光器(32)は、吸収セルとハーフミラ−と偏光ビーム
スプリッタと光減衰器等を含み、レーザダイオード(1
1)の発振周波数の基準となる周波数との差の情報つま
つレーザダイオード(11)の発振周波数における原子
又は分子の多くの吸収スペクトル線の各吸収順位に対応
したドツプラー拡がりのない吸収スペクトル清報を含ん
だ分光出力(37)つまりプローブ光出力と、原子又は
分子のドツプラー拡がりのある吸収スペクトル線の清報
を含んだ分光出力(36)つまりポンプ光出力とを送出
するように構成されている。(16)(17)はホトダ
イオードであり、それぞれポンプ光出力(36)とプロ
ーブ光出力(37)とを検出するものである。ホトダイ
オード(16)(17)の出力ラインに接続された割算
器(15)は、ホトダイオード(16)(17)の出力
信号VA、■、の割算出力v、/VAを求める回路であ
る。割算器(15)の出力ライン(39)はロックイン
増幅器(33)に接続されている。このロックイン増幅
器(33)は、振動信号源(38)にもライン(45)
で接続され、ライン(39)から与えられる入力信号と
ライン(45)で与えられる参照信号とに応答し、両信
号の位相差に対応する出力をライン(40)に送出する
ように構成されている。枢動回路(34)には振動信号
源(38)がライン(44)で接続され、且つロックイ
ン増幅器(33)がライン(40)で接続され、この出
力ライン(41)がレーザダイオード(11)に接続さ
れている。
Figure 9 shows a method using atomic or molecular absorption spectral lines to discriminate optical frequencies. A spectrometer (32) is disposed that separates the absorption spectrum of molecules such as H3 so as to eliminate the so-called Doppler effect, that is, the spectrum broadening caused by the Doppler effect. This spectrometer (32) includes an absorption cell, a half mirror, a polarizing beam splitter, an optical attenuator, etc., and includes a laser diode (1
1) Information on the difference between the oscillation frequency and the reference frequency, that is, absorption spectrum information without Doppler broadening corresponding to each absorption order of many absorption spectrum lines of atoms or molecules at the oscillation frequency of the laser diode (11). It is configured to transmit a spectral output (37), that is, a probe light output, which includes a spectral output (37), that is, a probe light output, and a spectral output (36), that is, a pump light output, that includes a detailed information of absorption spectral lines with Doppler spread of atoms or molecules. . (16) and (17) are photodiodes that detect the pump light output (36) and the probe light output (37), respectively. A divider (15) connected to the output lines of the photodiodes (16) and (17) is a circuit that calculates the division output v, /VA of the output signals VA, 2, of the photodiodes (16) and (17). The output line (39) of the divider (15) is connected to a lock-in amplifier (33). This lock-in amplifier (33) also connects the vibration signal source (38) to the line (45).
and is configured to respond to an input signal applied from line (39) and a reference signal applied to line (45), and to send an output corresponding to the phase difference between the two signals to line (40). There is. A vibration signal source (38) is connected to the pivot circuit (34) through a line (44), a lock-in amplifier (33) is connected through a line (40), and this output line (41) is connected to a laser diode (11). )It is connected to the.

(31)は温度制御装置であり、図示されていないサー
ミスタによってレーザダイオード(11)の温度を検出
し、この温度を一定にするように、レーザダイオード(
11)に取り付けられた例えばベルチェ索子(図示せず
)を制御するものである。なお、第9図の方式は、例え
ば信学技報V。
(31) is a temperature control device, which detects the temperature of the laser diode (11) using a thermistor (not shown), and controls the temperature of the laser diode (11) to keep this temperature constant.
11), which controls, for example, a Beltier cord (not shown) attached to the belt. Note that the method shown in FIG. 9 is based on, for example, IEICE Technical Report V.

1.82.No、267第61〜66頁の論文「鉋°和
吸収分光を用いた半導体レーザの周波数安定化」に開示
されている。
1.82. No. 267, pp. 61-66, in the paper "Frequency Stabilization of Semiconductor Laser Using Sum Absorption Spectroscopy".

第10図はロックイン増幅器(33)を原理的に示すも
のであって、第9図のライン(3つ)が接続される信号
入力端子(71)と、ライン(45)が接続される参照
信号入力端子(72)とを有する。信号入力端子(71
)は前置増幅器(73)とバンドパスフィルタ(74)
を介してPSD(位相敏恐検出)(75)に接続され、
9照信号入力端子(72)はバンドパスフィルタ(76
)と位相調整用の移相器(77)と波形整形回路(78
)とを介してPSD(75)に接続されている。PSD
 (75)の出力はローパスフィルタ(79)を介して
出力端子(80)に接続されている。なお、出力端子(
80)は第9図の出力ライン(40)に接続される。こ
のロックイン増幅器(33)は、第9図の信号源(38
)の出力ライン(45)から与えられる参照信号に同期
した周波数成分を入力信号から検出し、増幅するもので
あり、入力信号と参照信号との位相差に対応する直流出
力信号を送出する。
FIG. 10 shows the principle of the lock-in amplifier (33), and shows the signal input terminal (71) to which the lines (3) in FIG. 9 are connected and the reference line (45) to which it is connected. It has a signal input terminal (72). Signal input terminal (71
) is a preamplifier (73) and a bandpass filter (74)
connected to PSD (phase sensitive detection) (75) via
The optical signal input terminal (72) is connected to a band pass filter (76).
), a phase shifter for phase adjustment (77), and a waveform shaping circuit (78)
) is connected to the PSD (75). P.S.D.
The output of (75) is connected to an output terminal (80) via a low-pass filter (79). Note that the output terminal (
80) is connected to the output line (40) in FIG. This lock-in amplifier (33) is connected to the signal source (38) shown in FIG.
) detects and amplifies a frequency component synchronized with the reference signal given from the output line (45) of the input signal, and sends out a DC output signal corresponding to the phase difference between the input signal and the reference signal.

次に、第9図の方式の動作を説明する。レーザダイオー
ド(11)の温度は温度制御装置i2 (31)による
帰還制御のなめに安定化され、その変動幅は10−2°
C〜10−4°C程度になる。温度変動き10−3°C
以下にすれば、それだけで10−6〜10−8程度の周
波数安定度が得られる。レーザダイオード(11)の出
力光(35)は分光器(32)に入力し、セシウム原子
やルビジウム原子、又はN H3分子等の吸収スペクト
ル線を含む分光出力(37)が得られる。この吸収スペ
クトル線を得るために、飽和吸収分光用光学系(図示せ
ず)が含まれている。一方のホトダイオード(17)に
はドツプラー効果による拡がりのない吸収スペクトル線
を含む分光出力(37)つまりプローブ光出力を入力さ
せ、他方のホトダイオード(16)にはドツプラー効果
による拡がりのある吸収スペクトル線を含む分光出力(
36)つまりポンプ光出力を入力させる。一方のホトダ
イオード(17)からは光周波数弁別器としての吸収ス
ペクトル線に対応した変動成分を含む検出信号V、が得
られるが、この検出信号v8の中には吸収スペクトル線
の周波数基準点(基準周波数たとえば吸収スペクトルの
中心ピーク点)とレーザダイオード(11)の発振周波
数との差に対応した変動成分以外のレーザ出力の変動以
外の変成分が含まれているので、これを除去することが
望ましい。割算器(15)はこのために設けたものであ
り、V8/V^の演算を行うことによって、吸収スペク
トル線の周波数基準点に対するレーザダイオード(11
)の発振周波数変動以外の変動成分を除去している。こ
の変動成分の除去は勿論減算器によって行ってもよい、
このようにして割算器(15)の出力ライン(39)に
は安定化すべきレーザダイオード(11)の発振周波数
変動による吸収レベル変動情報を含む信号が得られ、こ
れがロックイン増幅器(33)の入力となる。割算器(
15)の出力における吸収スペクトル線の周波数基準点
近傍での吸収レベル変動に対応するレーザ周波数変動の
検出信号は微小レベルであり、且つ雑音に埋もれている
ので、このまま増幅し、帰還制御に使用しても良好な結
果を得ることが困難である。
Next, the operation of the method shown in FIG. 9 will be explained. The temperature of the laser diode (11) is stabilized by feedback control by the temperature controller i2 (31), and its fluctuation range is 10-2°.
The temperature will be around 10-4°C. Temperature fluctuation 10-3°C
If it is set below, a frequency stability of about 10-6 to 10-8 can be obtained by itself. The output light (35) of the laser diode (11) is input to a spectrometer (32), and a spectral output (37) containing absorption spectrum lines of cesium atoms, rubidium atoms, NH3 molecules, etc. is obtained. To obtain this absorption spectral line, an optical system for saturated absorption spectroscopy (not shown) is included. One photodiode (17) receives the spectral output (37), that is, the probe light output, which includes an absorption spectrum line without a broadening due to the Doppler effect, and the other photodiode (16) receives an absorption spectrum line with a broadening due to the Doppler effect. Spectral output including (
36) In other words, input the pump light output. A detection signal V containing a fluctuation component corresponding to the absorption spectrum line as an optical frequency discriminator is obtained from one of the photodiodes (17). It is desirable to remove this because it contains fluctuation components other than fluctuations in laser output other than fluctuation components corresponding to the difference between the frequency (for example, the central peak point of the absorption spectrum) and the oscillation frequency of the laser diode (11). . The divider (15) is provided for this purpose, and by calculating V8/V^, the laser diode (11) with respect to the frequency reference point of the absorption spectrum line is calculated.
) fluctuation components other than the oscillation frequency fluctuation are removed. Of course, this variation component may be removed by a subtracter.
In this way, the output line (39) of the divider (15) receives a signal containing information on absorption level fluctuations due to fluctuations in the oscillation frequency of the laser diode (11) to be stabilized, and this is transmitted to the lock-in amplifier (33). It becomes input. Divider (
The detection signal of the laser frequency fluctuation corresponding to the absorption level fluctuation near the frequency reference point of the absorption spectrum line in the output of 15) is at a minute level and is buried in noise, so it is amplified as is and used for feedback control. However, it is difficult to obtain good results.

そこで、第9図の方式ではウオブリング制御が行われて
いる。振動信号源(38)から例えば1k((2の一定
周波数の正弦波交流信号をライン(44)で駆動図i¥
3(14)に与え、枢動回路(34)からこの振動成分
を含む第11図に示すような電流(I)をレーザダイオ
ード(11)に流す。即ち駆動図f!@ (34)から
レーザダイオード(11)に定電流化して供給している
電流を例えば約1μAのレベル、1 kHzで変調する
。レーザダイオード(11)の電流(I)が微小振動す
れば、レーザダイオード(11)の出力周波数(光波長
)が第1211U(a)に示すように例えば少なくとも
108)12〜数十)IHz程度変調される。この様に
レーザダイオード(11)の出力周波数が変調されると
、吸収スペクトル線のレベル変動情報を含むロックイン
増幅器(33)の入力ライン(39)の入力信号にウオ
ブリングの周波数成分が含まれることになる。ロックイ
ン増幅器(33)においては、ウオブリングの周波数成
分を含むレーザ周波数変動に対応する検出信号とライン
(45)の参照信号とが位相比較され、ライン(40)
にこの位相差に対応した出力が得られる。もし、ライン
(45)の参照信号とこれに同期するライン(39)の
入力信号の周波数成分とが一致すればロックイン増幅器
(33)の出力ライン(40)に得られる誤差信号は零
となり、両信号の位相差が負になれば出力ライン(40
)の誤差信号は正位相差が正になれば出力ライン(40
)の誤差信号は負になる。このことは、言い換えれば、
吸収スペクトルの一次微分信号を検出することと等価で
ある。ライン(40)は枢動回路(34)に接続されて
いるので、レーザダイオード(11)の電流が誤差出力
で負帰還制御され、誤差出力が零になるような制御状態
が得られる。第9図の方式は、原子又は分子しの吸収ス
ペクトル線す基準にした周波数の安定化、ウオブリング
方法(変調方法)の採用、及び温度制御の組み合わせた
ものであるので、周波数安程度が10 〜10−13程
度となり、第8図のFP干渉計の方式に比べて3〜5桁
改善される。
Therefore, in the method shown in FIG. 9, wobbling control is performed. For example, a sine wave alternating current signal with a constant frequency of 1k (2) is transmitted from the vibration signal source (38) through the line (44).
3 (14), and a current (I) containing this vibration component as shown in FIG. 11 is caused to flow from the pivot circuit (34) to the laser diode (11). That is, the driving diagram f! The constant current supplied from @ (34) to the laser diode (11) is modulated at a level of about 1 μA and 1 kHz, for example. If the current (I) of the laser diode (11) oscillates minutely, the output frequency (light wavelength) of the laser diode (11) will be modulated, for example, by at least 108)12 to several tens of IHz, as shown in 1211U(a). be done. When the output frequency of the laser diode (11) is modulated in this way, a wobbling frequency component is included in the input signal of the input line (39) of the lock-in amplifier (33), which contains level fluctuation information of the absorption spectrum line. become. In the lock-in amplifier (33), the detection signal corresponding to the laser frequency fluctuation including the wobbling frequency component and the reference signal of the line (45) are compared in phase, and the line (40) is
An output corresponding to this phase difference is obtained. If the reference signal on the line (45) and the frequency component of the input signal on the line (39) synchronized therewith match, the error signal obtained on the output line (40) of the lock-in amplifier (33) will be zero, If the phase difference between both signals becomes negative, the output line (40
) error signal is output to the output line (40
) will have a negative error signal. This means, in other words,
This is equivalent to detecting the first-order differential signal of the absorption spectrum. Since the line (40) is connected to the pivot circuit (34), the current of the laser diode (11) is controlled by negative feedback using the error output, and a control state is obtained in which the error output becomes zero. The method shown in Fig. 9 is a combination of frequency stabilization based on the absorption spectrum line of atoms or molecules, adoption of a wobbling method (modulation method), and temperature control. 10-13, which is an improvement of 3 to 5 orders of magnitude compared to the FP interferometer system shown in FIG.

[発明が解決しようとする問題点] ところで、半導体レーザの出力光の周波数(波長)を時
間の経過と共に直線的に変化させること即ち掃引させる
ことが要求される場合がある。この種の要求は、例えば
周波数可変レーザを用いて吸収スペクトルを分光する装
置おいて生じる。波長掃引する場合であっても、波長が
校正された光として安定性及び再現性の良い状態で波長
掃引出力を発生させなければならない、これまでこのよ
うな場合、その波長校正はファプリーベロー干渉計を用
いて相対的な校正が行われていた。しかし、比較的簡単
な構成で、しかも高確度で波長校正された波長1昂引安
定化出力光を得ることができる半導体レーザ装置はまだ
存在していない。そこで、本発明の目的は、波長の校正
された波長掃引安定化出力光を容易に得ることができる
半導体レーザ装置を提供することにある。
[Problems to be Solved by the Invention] Incidentally, there are cases where it is required to linearly change the frequency (wavelength) of the output light of a semiconductor laser over time, that is, to sweep it. This type of requirement arises, for example, in devices that use a variable frequency laser to analyze absorption spectra. Even in the case of wavelength sweeping, it is necessary to generate a wavelength swept output in a stable and reproducible state as light whose wavelength has been calibrated.In such cases, wavelength calibration has been performed using Fapley-Bello interference. Relative calibration was performed using a meter. However, there has not yet been a semiconductor laser device that has a relatively simple configuration and can obtain highly accurate wavelength-calibrated, single-wavelength stabilized output light. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser device that can easily obtain wavelength-calibrated, wavelength-swept stabilized output light.

「問題点を解決するための手段] 上記問題点を解決し、上記目的を達成するための本発明
は、半導体レーザと、帰還制御によって前記半導体レー
ザの温度を所定値に制御する温度制御装置と、原子又は
分子の吸収スペクトル分光器を含み、前記半導体レーザ
の出力光の周波数と周波数基準となる周波数との周波数
差を前記吸収スペクトルの吸収レベル差として検出する
ための信号を得る光周波数弁別器と、前記半導体レーザ
の駆動電流を微小振動させるための振動信号を発生させ
る振動信号源と、前記光周波数弁別器と前記振動信号源
とに接続され、前記弁別信号と、前記・振動信号との位
相差に対応する信号(誤差信号)を出力する位相差対応
信号形成回路と、前記位相差対応信号形成回路と前記振
動信号源とにそれぞれ接続され、前記振動信号で変調さ
れ且つ前記位相差に対応する信号で負帰還制御された駆
動電流を前記半導体レーザに供給する枢動回路とを有す
る半導体レーザ装置において、前記振動信号源から前記
枢動回路に供給する振動信号を所定時間たけ停止又は極
めて微弱化する制御手段と、前記停止又は極めてv1弱
化している期間に前記半導体レーザの温度/又は注入電
流を掃引する手段とを設けたとを特徴とする半導体レー
ザ装置に係わるものである。
"Means for Solving the Problems" The present invention for solving the above problems and achieving the above objects includes a semiconductor laser and a temperature control device that controls the temperature of the semiconductor laser to a predetermined value by feedback control. , an optical frequency discriminator that obtains a signal for detecting a frequency difference between the frequency of the output light of the semiconductor laser and a frequency serving as a frequency reference as an absorption level difference of the absorption spectrum, including an atomic or molecular absorption spectrum spectrometer; a vibration signal source that generates a vibration signal for micro-vibrating the driving current of the semiconductor laser; and a vibration signal source that is connected to the optical frequency discriminator and the vibration signal source, and a A phase difference compatible signal forming circuit that outputs a signal corresponding to the phase difference (error signal) is connected to the phase difference compatible signal forming circuit and the vibration signal source, and is modulated by the vibration signal and is modulated by the phase difference. In a semiconductor laser device having a pivot circuit that supplies a drive current that is negative feedback controlled by a corresponding signal to the semiconductor laser, the vibration signal that is supplied from the vibration signal source to the pivot circuit is stopped for a predetermined period of time or is extremely high. The present invention relates to a semiconductor laser device characterized in that it is provided with a control means for weakening the voltage and a means for sweeping the temperature/or the injection current of the semiconductor laser during the period in which v1 is stopped or extremely weakened.

[作用コ 本発明に従う制御手段によって、振動信号を所望期間だ
け停止又は極めて微弱化する直前まではは、温度制御装
置に基づく半導体レーザの温度制御と、あらかじめ吸収
波長が明確になっている原子又は分子を用いた吸収スペ
クトル分光器を含む光周波数弁別器を用いて得られる弁
別信号及び振動信号とを使用した負帰還制御信号(誤差
信号)形成との組み合せによって極y)で安定度の高い
出力周波数(波長)が得られている。この状態において
振動信号による駆動電流の変調を停止又は弱めると、レ
ーザ出力周波数に、変調に基ずく周波数変動が含まれな
くなるか微小になる。停止又は弱める期間が短時間であ
れば、停止又は弱める期間の直前までの制御の効果を実
質的に継続した安定化波長(周波数)を得ることができ
る。この停止又は弱める期間では駆動電流が実質的に変
調されていないので、これに基づく出力周波数の変動も
生じない。また、このとき半導体レーザの温度安定度に
対応して光出力周波数の安定度が決まる。
[Operation] The control means according to the present invention controls the temperature of the semiconductor laser based on the temperature control device and the temperature control of the semiconductor laser based on the temperature control device, and the control of atoms or By combining the discrimination signal obtained using an optical frequency discriminator including an absorption spectrum spectrometer using molecules and the formation of a negative feedback control signal (error signal) using a vibration signal, a highly stable output can be achieved at extremely low temperatures. Frequency (wavelength) has been obtained. If the modulation of the drive current by the vibration signal is stopped or weakened in this state, the laser output frequency will no longer include frequency fluctuations based on the modulation, or will become minute. If the period of stopping or weakening is short, it is possible to obtain a stabilized wavelength (frequency) that substantially continues the effect of the control immediately before the period of stopping or weakening. Since the drive current is not substantially modulated during this stopping or weakening period, no variation in the output frequency occurs based on this. Further, at this time, the stability of the optical output frequency is determined in accordance with the temperature stability of the semiconductor laser.

一方、停止又は弱める期間において、半導体レーザの温
度又注入電流分婦引させると、温度又は注入電流変化に
対応して出力光の周波数(波長)も変かし、波長掃引が
生じる。この波長掃引は温度及び駆動電流の制御ループ
の安中している状態で行われるので、安定した波長掃引
出力を得ることができる。この装置で変調を停止又は弱
める動作及びt司引動作を解除させれば、常に変調制御
された状態となり、第9図の従来の方式と同様に使用す
ることができる。また、変調制御に基づく出力光と掃引
出力光との両方が必要な場合には、時分割方式で再出力
光を得ることができる。また、波長掃引期間を変調制御
を停止又は弱める期間の一部とすれば、停止又は弱める
期間の残部において変調に基づく周波数変動を伴わない
コヒーレント光を得ることができる。
On the other hand, when the temperature of the semiconductor laser or the injection current is subtracted during the stopping or weakening period, the frequency (wavelength) of the output light is also changed in response to the temperature or injection current change, resulting in a wavelength sweep. Since this wavelength sweep is performed while the temperature and drive current control loops are stable, a stable wavelength sweep output can be obtained. If this device is used to cancel the modulation stopping or weakening operation and the t-pulling operation, the modulation will always be controlled, and it can be used in the same way as the conventional system shown in FIG. Furthermore, if both output light based on modulation control and swept output light are required, re-output light can be obtained in a time-division manner. Furthermore, if the wavelength sweep period is made a part of the period during which modulation control is stopped or weakened, coherent light without frequency fluctuations due to modulation can be obtained in the remainder of the period during which modulation control is stopped or weakened.

[実施例コ 次に、本発明の実施例に係わる半導体レーザ装置を第1
図〜第4図によって説明する。但し、第1図において第
9図と共通する部分には同一の符号を付してその説明を
省略する。第1図の半導体レーザ装置は、第9図の装置
に変調M御回B(46)とハーフミラ−(1B5a)と
光スィッチ(48)と掃引回路(64)と掃引制御回路
(64a)とを付加することによって構成されている。
[Example 2] Next, a semiconductor laser device according to an example of the present invention will be described.
This will be explained with reference to FIGS. However, parts in FIG. 1 that are common to those in FIG. 9 are designated by the same reference numerals and their explanations will be omitted. The semiconductor laser device shown in FIG. 1 includes a modulation M control circuit B (46), a half mirror (1B5a), an optical switch (48), a sweep circuit (64), and a sweep control circuit (64a) in addition to the device shown in FIG. It is constructed by adding.

変調制御回路(46)は、信号源(38)から枢動回路
(34)に供給する振動信号を所望期間だけ止又は微弱
化するための制御手段として設けたものであり、この例
では振動信号の供給を停止するように構成されている。
The modulation control circuit (46) is provided as a control means for stopping or weakening the vibration signal supplied from the signal source (38) to the pivot circuit (34) for a desired period, and in this example, the vibration signal is is configured to stop the supply of

光スィッチ(48)はレーザダイオード(11)の出力
光をハーフミラ−等で分岐したものを変調制御回路〈4
6ンによる停止制御に同期して通過させ、波長安定化出
力光を得るものである。
The optical switch (48) splits the output light of the laser diode (11) using a half mirror, etc., and sends it to a modulation control circuit (4).
The wavelength-stabilized output light is obtained by passing the light in synchronization with the stop control by the 6-channel.

第2図は第1図の変調制御回路(46)及び信号源(3
8)の一部を詳しく示す、信号源(38)はウィーンブ
リッジ発振器を含み、この発振器は演算増幅器(50)
、コンデンサ(53)、(54)、抵抗器(51)、(
52)、(55)、(56)から構成されている0本発
振器はRとCの直並列回路により正期間回路を構成し、
この回路の位相変化が零になる周波数で発振が可能とな
る。またRiとRfによる負lIi還によって発振周波
数の安定化と出力波形の歪の改善が行われている。
Figure 2 shows the modulation control circuit (46) and signal source (3) in Figure 1.
8), the signal source (38) includes a Wien bridge oscillator, which oscillator is connected to an operational amplifier (50).
, capacitors (53), (54), resistors (51), (
52), (55), and (56) constitutes a positive period circuit with series-parallel circuits of R and C,
Oscillation is possible at a frequency where the phase change of this circuit becomes zero. Furthermore, the oscillation frequency is stabilized and the distortion of the output waveform is improved by the negative lIi feedback caused by Ri and Rf.

変調制御回路(46)は間欠的にパルスを発生する制御
パルス発生回IM(47)と、この出力パルスに応答す
るスイッチSWと、このスイッチSWで演算増幅Pr(
50)の帰還抵抗(52)に遷択的に並列接続される抵
抗(49)とがら成る。
The modulation control circuit (46) includes a control pulse generation circuit IM (47) that intermittently generates pulses, a switch SW that responds to this output pulse, and an operational amplification Pr (
A resistor (49) is selectively connected in parallel to the feedback resistor (52) of the resistor (50).

ウィーンブリッジ発振器の発振条件を、演算増幅器(5
0)の電圧利得をAとして求めると次のようになる。
The oscillation conditions of the Wien bridge oscillator are
If the voltage gain of 0) is determined as A, it will be as follows.

発振をさせるためには、電圧利得Aを正にしなければな
らないので、抵抗(52)の値Rrと抵抗(51)の値
RiとをRf >2Riを満足するように設定しなけれ
ばならない。上記の発振条件を満足している回路に、第
2図の制御パルス発生回路(47)がら得られる第4図
(”o)の制御パルスの低いレベルに応答してスイッチ
SWをオンにし、これによって値Rfの抵抗(49)を
接続すると、上記利得の式におけるRfが1/2になつ
、Mt’!条件を満足しなくなる。従って、スイッチS
Wのオン・オフ制御で発振出力即ち転動信号を間欠的に
発生させることが可能になる。
In order to cause oscillation, the voltage gain A must be positive, so the value Rr of the resistor (52) and the value Ri of the resistor (51) must be set to satisfy Rf>2Ri. In a circuit that satisfies the above oscillation conditions, the switch SW is turned on in response to the low level of the control pulse shown in FIG. 4 ("o") obtained from the control pulse generating circuit (47) shown in FIG. When a resistor (49) with a value Rf is connected, Rf in the above gain equation becomes 1/2, which no longer satisfies the Mt'! condition.Therefore, the switch S
By controlling W on and off, it becomes possible to intermittently generate an oscillation output, that is, a rolling signal.

ここでは、変調制御回路(46)のスイッチSWで間接
的に信号源(38)を制御して、信号源く38)の出力
に雑音等の好ましくない波形が発生しないように制御し
ている。すなわち信号源(38)の出力はライン(44
)で枢動回路(34)に与えられ、駆動電流が変調され
る。このとき、半導体レーザダイオードは微小電流で変
調されるためスイッチSWのオン・オフ制御時の雑音が
駆動電流に重畳することのないように、前記したように
信号源(38)の内臓する発振器の発振条件を制御する
ことが極めて重要である。
Here, the signal source (38) is indirectly controlled by the switch SW of the modulation control circuit (46) so that undesirable waveforms such as noise are not generated in the output of the signal source (38). That is, the output of the signal source (38) is connected to the line (44).
) is applied to the pivot circuit (34), and the drive current is modulated. At this time, since the semiconductor laser diode is modulated by a minute current, the oscillator built in the signal source (38) is activated as described above to prevent noise from being superimposed on the drive current during on/off control of the switch SW. Controlling the oscillation conditions is extremely important.

以上のようにして信号源(38)を制御することにより
、たとえば駆動電流1μへの変化に対して数十MHz〜
100NHの発振周波数変かを伴う−殻の半導体レーザ
を安定化した状態であっても、スイッチSWによる制御
方式切換に伴う、発振周波数変動を完全に除去している
。第2図の発振器出力Vtの波形は第4図(a)に示す
信号源(38)から出力される波形と同一でない。信号
源(38)の出力は、発振器出力VLを、図示されてい
ないノイズ等を除去するためのバンドパスフィルタ、減
衰器等を通すことにより形成され、第4図(a>の波形
になる。10引制御回路(64a)は変調制御回路(4
6)の制御パルス発生回路(47)に接続され、第4図
(b)のパルスと一定の時間関係(掃引ゲート信号)を
発生し、これを第1図の掃引回路(64)と光スィッチ
(48)に供給するものである。
By controlling the signal source (38) in the above manner, for example, the frequency of several tens of MHz to 1μ for a change in drive current is
Even in a stabilized state of a -shell semiconductor laser with an oscillation frequency variation of 100 NH, the oscillation frequency variation caused by switching the control method by the switch SW is completely eliminated. The waveform of the oscillator output Vt in FIG. 2 is not the same as the waveform output from the signal source (38) shown in FIG. 4(a). The output of the signal source (38) is formed by passing the oscillator output VL through a bandpass filter, attenuator, etc. for removing noise (not shown), and has the waveform shown in FIG. 4(a>). The 10 pull control circuit (64a) is the modulation control circuit (4
6) is connected to the control pulse generation circuit (47), which generates a constant time relationship (sweep gate signal) with the pulse shown in FIG. (48).

第3図は第1図の温度制御装置(31)を詳しく示す。FIG. 3 shows the temperature control device (31) of FIG. 1 in detail.

ここで(60)はレーザダイオード(11)の温度を一
定にするなめに使用するベルチェ素子、(61)(62
)は演算増幅器、(63)は枢動回路、Rsはレーザダ
イオード(11)の温度を検知するなめに使用するサー
ミスタ、Rg、Rrは抵抗、VCは定電圧源、Vrは温
度設定用可変電圧源である。掃引回路(64)は可変電
圧源Vrと抵抗Rrとの間に接続されている。この温度
制御装置(31)の初期設定は次のように行われる。ウ
オブリング制御により、いわゆる変調形として吸収スペ
クトルの中心に安定化動作しているときは、掃引回路(
64)の出力レベル、すなわち可変電圧源Vrと抵抗R
「の結合点の電位が略零ボルトとなるように調整する。
Here, (60) is a Vertier element used to keep the temperature of the laser diode (11) constant, (61) and (62)
) is an operational amplifier, (63) is a pivot circuit, Rs is a thermistor used to detect the temperature of the laser diode (11), Rg and Rr are resistors, VC is a constant voltage source, and Vr is a variable voltage for temperature setting. It is the source. A sweep circuit (64) is connected between variable voltage source Vr and resistor Rr. The initial setting of this temperature control device (31) is performed as follows. When the wobbling control stabilizes the center of the absorption spectrum as a modulation type, the sweep circuit (
64) output level, that is, variable voltage source Vr and resistor R
Adjust so that the potential at the connection point is approximately zero volts.

このとき可変電圧源■「を調整して、レーザダイオード
(11)の設定温度を調整することにより、レーザダイ
オード(11)の発振スペクトルを吸収スペクトルに略
一致させる。
At this time, by adjusting the variable voltage source (1) and adjusting the set temperature of the laser diode (11), the oscillation spectrum of the laser diode (11) is made to substantially match the absorption spectrum.

次に、第4図を参照して第1及び第2図の装置の動作を
説明する。第4図のt1時点でスイッチS ’vVをオ
フ制御すると、発振条件を満足した状態となり、第4図
(a)に示す例えば1 kH2の正弦波に近似した信号
VfA (38)の出力がラインく44)で枢動回路(
34)に与えられ、駆動電流が変調される。第4図(a
)に基づきウオブリング制御に使用されるレーザダイオ
ードの変調電流波形は、波形歪及び雑音の少ない微少レ
ベル信号(例えばピーク・ツウ・ピークで1μA)でな
ければならない。第4図のt 〜1 .1 〜t7期間
では、第9図の場合同様に駆動電流が変調され、同一の
動作で安定化周波数を得ることができる。この場合、ロ
ックイン増幅器(33)を含む制御ループが直ちに安定
化動作を開始し、T3期間の後のt2において安定し、
t2〜t3期間にはロックイン増幅器(33)から安定
した誤差信号が得られる。このt2〜t3期間の出力周
波数の安定度、つまりウオブリングの略中心に対応する
光周波数についての安定度は良いが、第9図の場合と同
様に周波数が周期的に変化しているので、コヒーレント
光を要求する装置にこの周波数出力を使うことは不可能
である。t3時点で第2図に示すスイッチSWがオンに
制御され、第2図の発振器の発振条件が満足しなくなる
と、第4図(a>に示す如く信号源(38)の出力波形
の振幅が徐々に小さくなり、枢動回路(34)への振動
信号の供給が実質的に停止する。このため、ロックイン
増幅器(33)を含む制御ループが実質的に遮断された
状態になる。t3時点からは温度制御装C(31)のみ
による制御状態となり、この制御はT 期間経過後のt
4時点までに安定する。t5〜t5期間では、掃引制御
回路(64a)から第4図(d)のパルスが発生し、掃
引回路(64)はこれに応答して第4図(e)の掃引信
号を発生し、レーザダイオード(11)の温度が掃引信
号対応して変化し、出力光の周波数(波長)も掃引状態
となる。掃引期間t −、−t5の前に、変調制御との
両方による制御期間T1と、温度制御期間T4とが設け
られているので、掃引動作中における安定性が高くなる
。この掃引期間には光スィッチ(48)がオンになって
いるので、波長挿引された出力光が抽出されて送り出さ
れる。
Next, the operation of the apparatuses shown in FIGS. 1 and 2 will be explained with reference to FIG. When the switch S'vV is turned off at time t1 in Fig. 4, the oscillation conditions are satisfied, and the output of the signal VfA (38), which is similar to a 1 kHz sine wave shown in Fig. 4(a), is on the line. 44), the pivot circuit (
34), and the drive current is modulated. Figure 4 (a
) The modulated current waveform of the laser diode used for wobbling control must be a minute level signal (for example, 1 μA peak-to-peak) with little waveform distortion and noise. t~1 in FIG. In the period 1 to t7, the drive current is modulated in the same way as in the case of FIG. 9, and a stabilized frequency can be obtained with the same operation. In this case, the control loop including the lock-in amplifier (33) immediately starts stabilizing operation and stabilizes at t2 after the T3 period,
A stable error signal is obtained from the lock-in amplifier (33) during the period t2 to t3. The stability of the output frequency during this period t2 to t3, that is, the stability of the optical frequency corresponding to the approximate center of the wobbling, is good, but as in the case of Fig. 9, the frequency changes periodically, so the coherent It is not possible to use this frequency output for devices that require light. When the switch SW shown in FIG. 2 is turned on at time t3 and the oscillation conditions of the oscillator shown in FIG. 2 are no longer satisfied, the amplitude of the output waveform of the signal source (38) changes as shown in FIG. 4 (a>). It gradually becomes smaller, and the supply of the vibration signal to the pivot circuit (34) is substantially stopped.Therefore, the control loop including the lock-in amplifier (33) is substantially cut off.At time t3 From then on, the state is controlled only by the temperature control device C (31), and this control is continued until t after the period T has elapsed.
Stabilizes by time point 4. In the period t5 to t5, the pulse shown in FIG. 4(d) is generated from the sweep control circuit (64a), and the sweep circuit (64) generates the sweep signal shown in FIG. 4(e) in response to this, and the laser The temperature of the diode (11) changes in response to the sweep signal, and the frequency (wavelength) of the output light also enters the sweep state. Since the control period T1 based on both modulation control and the temperature control period T4 are provided before the sweep periods t- and -t5, stability during the sweep operation is enhanced. Since the optical switch (48) is on during this sweep period, the wavelength-selected output light is extracted and sent out.

t5時点になると再び変調制御回路(46)のスイッチ
SWがオフになるため、第4図(a)の振動信号が再び
発生する。
At time t5, the switch SW of the modulation control circuit (46) is turned off again, so that the vibration signal shown in FIG. 4(a) is generated again.

この方式によれば、信号源(38)が動作しているT1
期間には、温度制御ループと吸収スペクトル分光器及び
ロックイン増幅器(33)を含む制御ループとの両方の
偕きによって、20 kHz以下の回期(約1秒以下)
周波数案程度を得ることができ、信号源(38)の動作
が停止しているT2期間では、温度制御ループのみで安
定化しているので、2 MHz以下の方期安定度を得る
ことができ、T  期間におけるT 期間の残りのt4
゜〜t5では、掃引出力を得ることができる。なお、T
1期間においては上記の20 kHz以下のウオブリン
グの略中心に対応する光周波数についての安定度とは別
に、周波数変調に基づいて、ずなわち、ウオブリング制
御の振幅がS/?’J (信号対雑音比)の関係から小
さく出来ないため、ウオブリング制御の効果を得るため
のレーザの発振周波数の最低変!lJ範囲は10MHz
〜数十MHzである。停止期間T2における2 MHz
以下の変動は、上記の変調の変動(10MHz〜数十H
H2)より大幅に少なく、コヒーレント光応用装置に使
用可能である。この関係を第12図(a>(b)に示す
According to this method, T1 where the signal source (38) is operating
The period is controlled by both the temperature control loop and the control loop including the absorption spectrum spectrometer and lock-in amplifier (33) to provide a period of less than 20 kHz (approximately 1 second or less).
During the T2 period when the signal source (38) is not operating, the frequency is stabilized only by the temperature control loop, so it is possible to obtain period stability of 2 MHz or less. Remaining t4 of T period in T period
From ° to t5, a sweep output can be obtained. In addition, T
In one period, apart from the stability of the optical frequency corresponding to the approximate center of the wobbling below 20 kHz, based on the frequency modulation, the amplitude of the wobbling control is S/? 'Since J (signal-to-noise ratio) cannot be reduced, the minimum change in the laser oscillation frequency to obtain the effect of wobbling control! lJ range is 10MHz
~ several tens of MHz. 2 MHz during stop period T2
The following fluctuations are the above modulation fluctuations (10 MHz to several tens of Hz)
H2) It is much less than H2) and can be used for coherent optical application devices. This relationship is shown in FIG. 12 (a>(b)).

この方式では期間T と期間T2中の期間T4とこの残
りの期間(t4〜tS)とで異なるタイプの安定度及び
制御仕様を持った周波数出力が得られるので、用途に応
じていずれか一方を抽出して使用することができるし、
又時分割で両方を使用することもできる。また、スイッ
チS Wの操作により、期間T1を僅めて長い時間とし
、変調出力を連続的に発生させることもできる。また期
間T2を極めて長い時間とし、掃引を停止することによ
って無変調出力を連続的に発生させることもてきる。従
って、一台の半導体レーザ装置を種々の形態で使用する
ことができる。
In this method, frequency outputs with different types of stability and control specifications can be obtained during period T, period T4 in period T2, and the remaining period (t4 to tS), so either one can be selected depending on the application. It can be extracted and used,
It is also possible to use both on a time-sharing basis. Furthermore, by operating the switch SW, the period T1 can be made slightly longer, and the modulated output can be generated continuously. Further, by making the period T2 an extremely long time and stopping the sweep, it is also possible to continuously generate an unmodulated output. Therefore, one semiconductor laser device can be used in various forms.

し変形例〕 本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば
次の変形が可能なものである。
Modifications] The present invention is not limited to the above-described embodiments, and, for example, the following modifications are possible.

(1) 第5図に示す如く信号源(38)の出力を制御
するために、制御回路(46a)をこの出力ラインに設
けてもよい。制御回路(46a)は、出力ライン(44
)をグランドに接続するなめのスイッチSWと、信号源
(38)の振動信号のゼロクロス点に応答して第6図(
b)のスイッチ制御パルスを発生する制御パルス発生口
!@(47a)とから成る。第6図は、第5図の回路を
含む半導体レーザ装置の動作を示すものであり、第6図
(a>の振動信号は第6図(b)のT1期間のみで発生
している。この様に発生させれば、期間T とT2との
切り換え時点近伊での好ましくない波形歪が生じなくな
る。
(1) A control circuit (46a) may be provided on this output line to control the output of the signal source (38) as shown in FIG. The control circuit (46a) has an output line (44
) to the ground, and in response to the zero cross point of the vibration signal of the signal source (38),
Control pulse generation port that generates the switch control pulse of b)! It consists of @(47a). FIG. 6 shows the operation of a semiconductor laser device including the circuit shown in FIG. 5, and the vibration signal shown in FIG. 6 (a>) is generated only in the T1 period shown in FIG. 6 (b). If the waveform is generated in this way, undesirable waveform distortion near the time of switching between periods T and T2 will not occur.

(2) 第7図に示す如く、(b)の制御パルスの立ち
上りを(a)の振動信号のゼロクロスに一致させ、立ち
下りは第4図の場合と同様にしてもよい。
(2) As shown in FIG. 7, the rise of the control pulse in (b) may be made to coincide with the zero cross of the vibration signal in (a), and the fall may be the same as in the case of FIG. 4.

(3) 第1図〜第4図に示す方式では、期間T2にお
いては最初の部分を除いてS動信号を停止させているが
、期間T2の全部において極めて微小振幅の振動信号を
発生させてもよい。
(3) In the methods shown in Figs. 1 to 4, the S motion signal is stopped during period T2 except for the first part, but a vibration signal of extremely small amplitude is generated during the entire period T2. Good too.

(4) 第1図では光スィッチ(48)を第4図の期間
T うち、期間T4以外の期間(T、〜t )に同期し
てオンにしているが、期間T2の中の任意の一部でオン
にするようにしてもよい。
(4) In FIG. 1, the optical switch (48) is turned on in synchronization with a period (T, ~t) other than period T4 of period T in FIG. It may also be possible to turn it on in some sections.

また、T とT2との比率は所望の性能から許容される
範囲で任意に変えてもよい。
Further, the ratio between T2 and T2 may be changed arbitrarily within the range permitted by the desired performance.

(5) 期間]゛2においてロックイン増幅器(33)
の出力ライン(40〉をゼロレベルにするための、又は
期間T2の直前の出力ライン(40)のレベルをホール
ドするための特別な回路を設けてもよい。
(5) Period] Lock-in amplifier (33) at 2
A special circuit may be provided to bring the output line (40) to zero level or to hold the level of the output line (40) immediately before the period T2.

(6) 安定な動作をするためには、レーザダイオード
(11)への光反射をできるだけ低減することが望まし
い。このため、光アイソレータの採用、光学素子の端面
の無反射コーティング及び斜研磨を行ったほうが良い。
(6) For stable operation, it is desirable to reduce light reflection to the laser diode (11) as much as possible. For this reason, it is better to employ an optical isolator, apply anti-reflection coating to the end face of the optical element, and perform oblique polishing.

(7) レーザダイオード(11)を通常のレーザダイ
オードよりも発振周波数スペクトル拡がりが狭くかつ連
続上光波長同調のできるDSMレーザダオード、たとえ
ば前述のDBR型レーザやDFB型レーザに置換すれば
、大福な性能向上が期待できる。
(7) If the laser diode (11) is replaced with a DSM laser diode that has a narrower oscillation frequency spectrum spread than a normal laser diode and can continuously tune the optical wavelength, such as the aforementioned DBR type laser or DFB type laser, great performance can be achieved. We can expect improvement.

(8) またホトダイオード(16)(17)をアバラ
ンシェホトダイオードや光電子増倍管に置換してもよい
(8) Furthermore, the photodiodes (16) and (17) may be replaced with avalanche photodiodes or photomultiplier tubes.

(9) 信号源(38)をPLLを使用して構成しても
よい。
(9) The signal source (38) may be configured using a PLL.

(10) 期間′r とT とを、又は期間T2農地期
間T いがいの期間(t 〜t5)とこれ以外の期間と
を時分割で使用するために、レーザダイオード(11)
に2つの出力光路を設けてもよい。
(10) In order to use the period 'r and T in a time-sharing manner, or the period T2, the farmland period T, the period (t to t5) and other periods, a laser diode (11) is used.
Two output optical paths may be provided.

(11) 信号源(38)の発振器をタロツクに位相同
期発振させるものとしてもよい。
(11) The oscillator of the signal source (38) may be configured to oscillate in phase synchronization with Tarok.

(12) 第2図で、Rr→ω、R1=0としたいわゆ
るターマン発振器を構成し、そのS幅条件A=3に着目
して、たとえば演算増幅器(50)の電源電圧制御で発
信を制御してもよい。この電源電圧の制御は、第4図(
b)の制御パルスに同期させて行う。
(12) In Fig. 2, a so-called Terman oscillator is configured with Rr→ω and R1=0, and focusing on the S width condition A=3, the oscillation is controlled, for example, by controlling the power supply voltage of the operational amplifier (50). You may. This power supply voltage control is shown in Figure 4 (
This is done in synchronization with the control pulse of b).

(13) 第1図の割算器(15)の代わりに減算器を
設け、v  −V、を求めてもよい。
(13) A subtracter may be provided in place of the divider (15) in FIG. 1 to obtain v - V.

^ (14) 半導体レーザの発振周波数の掃引をレーザダ
イオード(11)の注入電流の掃引によって行ってもよ
いし、注入電流による掃引と温度掃引とを併用してもよ
い、温度掃引と注入電流による掃引を併用すれば光周波
数の掃引幅を拡大することが可能となる。一般に注入電
流による掃引は応答が速いという効果があるため掃引範
囲を限定し、高速掃引する場合は注入電流による掃引が
有効である。これは、例えば掃引口1(64)の出力信
号を一部分岐して枢動回路(34)に印加することによ
り容易に実現可能である。
^ (14) The oscillation frequency of the semiconductor laser may be swept by sweeping the injection current of the laser diode (11), or by a combination of the injection current sweep and temperature sweep, or by the temperature sweep and injection current sweep. If sweep is used in combination, it becomes possible to expand the sweep width of the optical frequency. In general, sweeping by injection current has the effect of quick response, so when the sweep range is limited and high-speed sweeping is desired, sweeping by injection current is effective. This can be easily realized, for example, by branching a part of the output signal of the sweep port 1 (64) and applying it to the pivot circuit (34).

[発明の効果] 上述から明らかな如く、本発明では、半導体レーザの駆
動電流を変調制御する期間と変調を停止又は微弱化する
期間とを交互に配置した。このため、変調を停止又は微
弱化する期間においては、変調に起因する周波数変動を
伴わない光出力を得ることができる。また変調制御期間
に安定化された状態を変調停止又は数冊化期間まで実質
的に継続させることが可能になり、この期間においても
安定度が良くなる。そして、この期間に温度掃引で出力
光の周波数(波長)を掃引すると、変調制御がないとき
の効果を維持したまま掃引されるため同様の効果が期待
できる。すなわち掃引の安定度もよくなる。また、変調
出力でも差し支えない装置又は変調出力を要求する装置
がある場合には、変調期間の半導体レーザの出力光をこ
れ笠の光源として使用することができる。すなわち、一
台の半導体レーザ装置を複数種類の光源として使用する
ことが可能になり応用範囲が広がる。さらに変調により
波長が原子、分子の吸収スペクトルに正確に校正された
光源がその校正波長を基準として掃引されるため、レー
ザを用いて吸収スペクトルを分光し、波長を決定する装
置において極めて有用な半導体レーザ装置が得られる。
[Effects of the Invention] As is clear from the above, in the present invention, periods in which the driving current of the semiconductor laser is modulated and controlled and periods in which the modulation is stopped or weakened are arranged alternately. Therefore, during the period when modulation is stopped or weakened, it is possible to obtain optical output without frequency fluctuations caused by modulation. Furthermore, it becomes possible to substantially continue the stabilized state during the modulation control period until the modulation is stopped or the number of volumes is increased, and the stability is improved even during this period. If the frequency (wavelength) of the output light is swept by temperature sweep during this period, the same effect can be expected because the effect when there is no modulation control is maintained. In other words, the stability of the sweep is also improved. Furthermore, if there is a device that can accept a modulated output or a device that requires a modulated output, the output light of the semiconductor laser during the modulation period can be used as a light source for this shade. That is, it becomes possible to use one semiconductor laser device as a plurality of types of light sources, expanding the range of applications. Furthermore, the light source whose wavelength is precisely calibrated to the absorption spectrum of atoms and molecules through modulation is swept using the calibrated wavelength as a reference, making it an extremely useful semiconductor in devices that use lasers to separate absorption spectra and determine wavelengths. A laser device is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の実施例に係わる半導体レーザ装置を示
すブロック図、 第2図は第1図の信号源及び変調制御回路を示す回路図
、 第3図は第1図の温度制御装置を示す回路図、第4図は
第1図及び第2図の各部の状態を示す波形図、 第5図は変形例の信号源及び変調制御回路を示すブロッ
ク図、 第6図及び第7図は変形例の動作を説明するだめの波形
図、 第8図は従来の半導体レーザ装置を示すブロック図、 第9図は従来の別の半導体レーザ装置を示すブロック図
、 第10図は第9図のロックイン増幅器の概略を示すブロ
ック図、 第11図は第9図のレーザダイオードの駆動電流を示す
波形図である。 第12図は周波数安定化した場合の周波数変動範囲を示
す図であり、第12図(a)はウオブリングによる光周
波数変動範囲を示し、第12図(b)はウオブリングを
停止した時の光周波数変動範囲を示す図である。 (11)・・・レーザダイオード、(31)・・・温度
制御装置、(33)・・・ロックイン増幅器、(34)
・・・枢動回路、(38)・・・信号源、く46)・・
・変調制御回路、(48)・・・光スィッチ、(64a
)・・・掃引制御回路。
1 is a block diagram showing a semiconductor laser device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a circuit diagram showing the signal source and modulation control circuit of FIG. 1, and FIG. 3 is a circuit diagram showing the temperature control device of FIG. 1. 4 is a waveform diagram showing the state of each part in FIGS. 1 and 2, FIG. 5 is a block diagram showing a modified example of the signal source and modulation control circuit, and FIGS. 6 and 7 are FIG. 8 is a block diagram showing a conventional semiconductor laser device; FIG. 9 is a block diagram showing another conventional semiconductor laser device; FIG. 10 is a diagram similar to that of FIG. 9. FIG. 11 is a block diagram schematically showing the lock-in amplifier; FIG. 11 is a waveform diagram showing the driving current of the laser diode shown in FIG. 9; Figure 12 is a diagram showing the frequency fluctuation range when the frequency is stabilized, Figure 12 (a) shows the optical frequency fluctuation range due to wobbling, and Figure 12 (b) shows the optical frequency when wobbling is stopped. It is a figure showing a fluctuation range. (11)...Laser diode, (31)...Temperature control device, (33)...Lock-in amplifier, (34)
...Pivotal circuit, (38)...Signal source, 46)...
- Modulation control circuit, (48)... optical switch, (64a
)...Sweep control circuit.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)半導体レーザと、 帰還制御によつて前記半導体レーザの温度を所定値に制
御する温度制御装置と 原子又は分子の吸収スペクトル分光器を含み、前記半導
体レーザの出力光の周波数と周波数基準となる周波数と
の周波数差を前記吸収スペクトルの吸収レベル差として
検出するための弁別信号を得る光周波数弁別器と、 前記半導体レーザの駆動電流を微小振動させるための振
動信号を発生させる振動信号源と、前記光周波数弁別器
と前記振動信号源とに接続され、前記弁別信号と前記振
動信号との位相差に対応する信号(誤差信号)を出力す
る位相差対応信号形成回路と、 前記位相差対応信号形成回路と前記振動信号源とにそれ
ぞれ接続され、前記振動信号で変調され且つ前記位相差
に対応する信号で負帰還制御された駆動電流を前記半導
体レーザに供給する枢動回路と、 を有する半導体レーザ装置において、 前記振動信号源から前記駆動回路に供給する振動信号を
所定時間だけ停止又は極めて微弱化する制御手段と、 前記停止又は極めて微弱化している期間に前記半導体レ
ーザの温度及び/又は注入電流を掃引する手段と を設けたことを特徴とする半導体レーザ装置。
(1) includes a semiconductor laser, a temperature control device that controls the temperature of the semiconductor laser to a predetermined value through feedback control, and an atomic or molecular absorption spectrum spectrometer, and the frequency of the output light of the semiconductor laser and the frequency reference; an optical frequency discriminator that obtains a discrimination signal for detecting a frequency difference with a frequency as an absorption level difference in the absorption spectrum; and a vibration signal source that generates a vibration signal for micro-vibrating the driving current of the semiconductor laser. , a phase difference compatible signal forming circuit connected to the optical frequency discriminator and the vibration signal source and outputting a signal (error signal) corresponding to the phase difference between the discrimination signal and the vibration signal; a pivot circuit connected to the signal forming circuit and the vibration signal source, respectively, and supplying the semiconductor laser with a drive current that is modulated by the vibration signal and controlled by negative feedback with a signal corresponding to the phase difference. In the semiconductor laser device, a control means for stopping or extremely weakening the vibration signal supplied from the vibration signal source to the drive circuit for a predetermined period of time, and controlling the temperature and/or the temperature of the semiconductor laser during the period of stopping or extremely weakening the vibration signal. 1. A semiconductor laser device comprising: means for sweeping an injected current.
(2)前記振動信号源が発振器を含み、前記制御手段が
前記発振器の発振条件を切り換える手段であることを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体レーザ装置
(2) The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the vibration signal source includes an oscillator, and the control means is means for switching oscillation conditions of the oscillator.
(3)前記位相差信号形成回路がロック・イン増幅器で
ある特許請求の範囲第1項又は第2項記載の半導体レー
ザ装置。
(3) The semiconductor laser device according to claim 1 or 2, wherein the phase difference signal forming circuit is a lock-in amplifier.
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