JPS6377180A - 半導体レ−ザ波長安定化装置 - Google Patents

半導体レ−ザ波長安定化装置

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JPS6377180A
JPS6377180A JP61221668A JP22166886A JPS6377180A JP S6377180 A JPS6377180 A JP S6377180A JP 61221668 A JP61221668 A JP 61221668A JP 22166886 A JP22166886 A JP 22166886A JP S6377180 A JPS6377180 A JP S6377180A
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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、半導体レーザの波長を原子や分子の吸収線に
制御して安定化するとともに複数の波長のレーザ光を出
力することができる半導体レーザ波長安定化装置に関す
る。
（従来の技術） 第１０図は従来の半導体レーザ波長安定化装置を示す構
成ブロック図である。半導体レーザＬＤの電流に周波数
ｆ、の変調信号を■畳してレーザ出力の発振波長を変調
し、ビームスプリッタＢＳで分離した光の２方を特定の
波長で吸収を起こす標準物質を封入した吸収セルＯＬに
入射する。ビームスプリッタＢＳで分離した他方の光は
ミラーＭで反射されて出力光となる。吸収セルＣＬから
の出射光は光検出器ＰＤで電気信号に変換され、ロック
インアンプＬＡで同期整流される。電流制御回路ＣＴで
ロックインアンプＬＡの出力が一定値となるように半導
体レーザＬＤの電流を制御することにより、半導体レー
ザＬＤの波長を吸収セルＣＬ内の原子の吸収線にロック
させることができる。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、上記のような構成の半導体レーザ波長安
定化装置では、半導体レーザの出力光の平均周波数は標
準物質の吸収線にロックされて安定となるが、変調周波
数ｆＩＬで常に周波数が変動しているので、発振周波数
の瞬時値は安定ではない。また単一の波長出力しか１９
られないので、２つの波長のレーザ光が必要な場合は、
ビームスプリッタ等を用いて、合波しなければならない
が、この手段は、光軸を調整する必要がある等、実用に
適さない。また、それぞれの波長に対して異なる吸収セ
ルを必要とするので高価である。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
ので、発振周波数が瞬時的にも高安定で、かつ１１ＩＩ
の吸収セルで複数の波長の出力が１ｑられる半導体レー
ザ波長安定化装置を実現することを目的とする。
（問題点を解決するための手段） 本発明は標準物質の吸収スペクトル線に半導体レーザの
波長を制御して波長を安定化する半導体レーザ波長安定
化装置に係るもので、その特長とするところは複数の半
導体レーザのそれぞれの出力光の一部を入射して異なる
変調周波数で周波数変調する複数の変調手段と、この各
変調手段の出力光を入射して特定の複数の波長で吸収を
起こす標準物質を封入した吸収セルと、この吸収セルの
透過光を電気信号に変換する光検出器と、この光検出器
の出力電気信号に基づく信号を入力して前記半導体レー
ザの発振波長を制御する制御手段とを備えた点にある。
（実施例） 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。
第１図は、本発明の一実施例を示した図である。
その構成は、まず、半導体レーザＬＯ１としＤ２の出力
光をそれぞれビームスプリッタＢＳ１．８Ｓ２で分波し
、一部分を光出力とする。そして、この分波した他の部
分をそれぞれ音響光学変調器ＵＭ１．ＬＩＭ２にそれぞ
れ導入する。この音響光学変調器ＵＭ１．ＵＭ２の出力
をビームスプリッタＢＳ３．ＢＳ４を用いて合波し、吸
収セルＣＬ１に導入する。吸収セルＣＬ１の内部には、
複数種の波長のレーザ光を吸収する物質、例えばセシウ
ムＣｓ、ルビジウムＲｂ、アンモニアＮＨ３゜水Ｈ２Ｏ
等が封入されている。即ち、吸収セルＣＬ１を透過した
光には、複数の吸収スペクトルが生じている。吸収セル
ＧＬ１を透過したレーザ光は受光素子ＰＣＩに照射され
、受光光パワーに応じた電気信号となる。この信号をロ
ックインアンプＬＡ１．ＬＡ２に入力した後、更に電流
制御回路ＣＴ１．Ｃ７０に加える。そして、Ｎ流制御回
路ＣＴ１．Ｃ７０の出力は半導体レーザＬＤＩ。
ＬＤ２に加えられる。従って、半導体レーザＬＤ１、Ｌ
’Ｄ２は、各電流制御回路ＣＴ１．ＣＴ２から加えられ
る信号により、印加電流が定まるので、この電流値によ
り発振周波数が決定される。また前記音響光学変調器ｔ
ＪＭ１．ＵＭ２にはそれぞれスイッチＳＷ１．８Ｗ２を
介して発振器５Ｇ２（周波数ｆｏは例えば８０ＭＨ２）
が接続され、スイッチＳＷ’１．ＳＷ２は発ＴＸ器５Ｇ
１１．５Ｇ１２（例えば７ｍ＋　＝２ｋＨｚ、７ＷＬ２
　＝２．５ｋＨ２）が接続されている。したがって、音
響光学変調器ＵＭ１．ＬＪＭ２を透過した光はそれぞれ
異なる周波数／ｍ＋　＋　７１１１２で発掘波長が変調
される。
また、発振器５Ｇ１１，５Ｇ１２の出力は、それぞれロ
ックインアンプＬＡ１．ＬＡ２にも加えられ、／　Ｗ　
＋　＋　Ｚ　ｌ　２で同期整流が行なわれる。電流制御
回路ＣＴ１．Ｃ７０およびロックインアンプＬＡ１．Ｌ
Ａ２は制御手段を構成する。
上記のような構成の半導体レーザ波長安定化装置の動作
を以下に詳しく説明する。
ここでは、吸収セルＣＬＩを構成する吸収物質としてセ
シウムＣｓを用いた例で説明する。
半導体レーザＬＤＩの出力光はビームスブリツタＢＳ１
で２方向に分離され、反射光は外部への出力光となり透
過光は音響光学変調器ＵＭＩに入射する。スイッチＳＷ
１がオンの時音響光学変調器ＵＭ１は信号発生器ＳＧ２
の周波数ｆＤの出力で駆動されるので、周波数νｉの入
射光の大部分は回折して周波数（ドツプラ〉シフトを受
け、１次回折光として周波数ν、＋ｆｏの光が吸収セル
ＣＬ１に入射する。スイッチＳＷ１がオフのときは入射
光は全て０次回折光として周波数ν１で吸収セルＣＬ１
に入射する。スイッチＳＷ１は信号発生器５Ｇ１１の周
波数ｆｔｌ＋のクロックで駆動されるので、吸収セルＣ
Ｌ１に入射する光は変調周波数ｆ電１　＋変調器さｆＤ
の周波数変調を受けることになる。同様に半導体レーザ
ＬＤ２の周波数ν２の出力光は音響光学変調器ＬＩＭ２
により変調周波＠ｆｉ２．変調深さｆｏの周波数変調を
受けて吸収セルＣＬ１に入射する。
第２図は、Ｃ６原子のエネルギー準位を示す図である。
同図において、波長が８５２，１１２ｎＩ１１の光をＣ
５原子に当てると、６８１／２から６Ｐ３　／２ヘキャ
リアが励起されるため、光はエネルギーを失い吸収が起
きる。ここで６Ｓ＋　／２．６Ｐ３　／２の準位はそれ
ぞれ２本、４本の超微細構造を持つ。従って、厳密に言
えば、この単位間で６通りの波長（または周波数）の光
で吸収が起きる。しかし、実際は、原子の運動によるド
ツプラー広がりのため、吸収スペクトル幅は、数百ＭＨ
ｚになるので、通常６Ｐ３　／２レベルの微細構造は観
測されない。従って、吸収スペクトル線は第３図に示す
ように、（ａ）、（ｂ）の２つの吸収として観測される
。第３図に示す吸収信号のうち（ａ）は、第２図に示す
（ａ）即ちＦ４からのものであり、第３図に示す（ｂ）
は、第２図の（ｂ）即ちＦ３からのものである。吸収セ
ルＣＬ１に音響光学変調器ＬＪＭＩで変調された光が入
射すると、第４図の動作説明図に示すように吸収信号の
箇所でのみ透過光量が変調を受けて出力に信号が現れる
。
この信号を光検出器ＰＤＩで電気信号に変換しロックイ
ンアンプＬＡＩにおいて周波数ｆｌｌｔｌで同期整流す
れば、第５図の周波数特性曲線図に示すような１次微分
波形が得られる。このときロックインアンプＬＡＩの出
力はシーシｓ　−ｆ　ｏ　／　２で０となる。
このＣｓ原子に周波数ν１．ν２の光を透過させると透
過光量は、それぞれν１、ν２の変化に応じた第３図の
吸収信号が得られる。従って、受光素子ＰＤ１の出力は
それらの和となる。従って、ロックインアンプＬＡ１．
ＬＡ２の出力波形は、この受光素子ＰＤ１からの信号（
第３図）を微分した第６図、第７図に示すような波形と
なる。
今、周波数ν、の光はｆｒｃ＋により、ν２の光はｆｔ
１２により変調されているとする。そこで、ロックイン
アンプＬＡ１．ＬＡ２をそれぞれの変調周波数ｆｘ＋　
、１ｍ２で同期整流すると（このときに−ｆ＠Ｈ＋ｎ−
７ｉ２　　（ｋ、ｎは整数）となるようにｆｘ＋　＋　
ｆｔ２を定めており）、ロックインアンプＬＡＩの出力
には、周波数ν２の光の影響は現れないし、ロックイン
アンプＬＡ２の出力には、周波数ν、の光の影響は現れ
ない。従って、ロックインアンプＬＡ１．ＬＡ２の出力
は、それぞれ独立に第６図（ロックインアンプＬＡ１の
出力）、第７図（ロックインアンプＬＡ２の出力）のよ
うな波形となる。そして、ロックインアンプＬＡ１の出
力が第６図のＡ点、ロックインアンプＬＡ２“の出力が
第７図のＢ点となるように電流制御回路ＣＴ１．ＣＴ２
で、半導体レーザ１゜２の発振周波数を制御すれば、出
力から取出されるレーザ光は、波長−８５２，１１２ｎ
ｍ付近であって、互いに９．２ＧＨｚ異なる安定な２つ
の波長の光となる。
このような構成の半導体レーザ波長安定化装置によれば
、レーザの発振周波数が変調されていないので、瞬時的
にも非常に安定な光源となる。
また１個の吸収セルで複数の波長のレーザ光を出力でき
るので構成が簡単である。
また複数のレーザ出力光は原子の吸収線にロックされる
ので、高精度・高スペクトル純度である。
次に、Ｃｓの代りにＲｂを用いた場合を説明する。この
場合、Ｃｓと同様に基底準位がＦ−１゜Ｆ−２の超微細
構造を持つ。Ｆ＝１からの吸収を起こす周波数をνＩ、
Ｆ−２からの吸収を起こす周波数をν２とすると、これ
らの差であるΔシ＝シ１−シ２は、ｓｒ　７　Ｒｂの時
は、Δシー６．８ＧＨｚ　、”　！Ｒｂの時は、Δν〜
３ＧＨｚとなる。また、ＲｂのＤ１線（５Ｓ＋　／２単
位から５Ｐ３／２への励起７９４．７ｎｍ　）とＤ２線
（５ＳＩ／２から５Ｐ＋　／２への励起７８０．０ｎｏ
＋）を使用すれば、Δλ＝１４．７ｎｍとなる。また、
ＣｓとＲｂを通すことにより、 Δλ＝　８５２．１−７８０（または７９４．７＞　８
７２．１　（まりり、ｔ　５７，４）　ｒ＋ｍにもなる
。更に、ト１２０やＮＨ３等の分子吸収線を使用しても
良い。
また、半導体レーザは、２個に限るものではなく、個数
を増やせば、上の周波数の組合せで多種類のものができ
る。その場合、音響光学変調器、ロックインアンプ、発
振器、電流＄１１罪回路は、その数だけ増設する。
第８図のような構成を用いると、飽和吸収分光（参考：
堀、角田、北野、赦崎、小川：飽和吸収分光を用いた半
導体レーザの周波数安定化、信学技報０ＱＥ８２−１１
６）によりドツプラ広がりが無くなるので、第２図で説
明した超＠ｍ構造を識別することができるようになる。
従って、第９図に示すように超微細構造に基づいたロッ
クインアンプの出力信号が得られるので、そのうち、ど
こにロックするかで、Δνは、更に小さくすることがで
きる。なお、第８図が第１図と異なる所は、第８図で点
線で丞した部分である。即ち、第８図に示すように、ビ
ームスプリッタＢＳ５〜ＢＳ９、受光素子ＰＤ１０．Ｐ
Ｄ２及び差動増幅器ＤＡＩを設け、この差動増幅器ＤＡ
１の出力をロックインアンプに導入するようにした点で
ある。
また、第１図で示したロックインアンプに入力される周
波数は、ｆＩＩＬｌの＾調波を使用しても良い。この場
合、３倍調波を用いると、第６図、第７図のロックイン
アンプのバイアス成分が無くなる効果がある。
また、第１図で、ビームスプリッタの代りに、偏光ビー
ムスプリッタを用いれば、出力レーザ光は、直交−波と
なる。
また上記の実施例では変調手段として音響光学変調器を
用いているが、これに限らず、例えば電気光学素子を用
いた位相変調器を用いてもよい。
これには例えば縦型変調器、横型変調器、進行波形変調
器などがある（△ｍｎｏｎ　　’ｙ’ａｒｉｆ：光エレ
クトロニクスの基礎（丸首）、Ｄ２４ＣＬ１〜ｐ２５３
＞。
また上記の実施例では制御手段の出力で半導体レーザの
電流を制御しているが、これに限らず半導体レーザの温
度を制御してもよい。
（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、発振周波数が瞬時的
にも高安定で、かつ１個の吸収セルで複数の波長の出力
が１９られる半導体レーザ波長安定化装置を簡単な構成
で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る半導体レーザ波長安定化装置の一
実施例を示す構成ブロック図、第２図はＣｓ原子のエネ
ルギ一単位の微細構造を示す図、第３図はＣｓ原子によ
る吸収を示す図、第４図は第１図装置の動作を説明する
ための動作説明図、第５図は第１図装置の動作を説明す
るための第２の特性曲線図、第６図および第７図は第１
図装置におけるロックインアンプの出力を示す図、第８
図は第１図の変形例を示す構成ブロック図、第９図は第
８図装置におけるロックインアンプの出力を示す図、第
１０図は従来の半導体レーザ波長安定化装置を示す構成
ブロック図である。 ＬＤｌ、ＬＤ２・・・半導体レーザ、ＵＭｌ、ＵＭ２・
・・変調手段、ＣＬｌ・・・吸収セル、ＰＤｌ、ＰＤ２
、ＰＤｌｏ・・・光検出器、’ＴＩ　Ｉ　＋　ｆＴ１２
・・・変調周波数、ＬＡｌ、Ｌ△２・・・ロックインア
ンプ、０丁１．ＣＴ２・・・電流制御回路、Ｓ　Ｇ　１
１．　Ｓ　Ｇ　１２・・・発振器、ＤＡｌ・・・差動増
幅器。 第　１　図 ｂｔ、ｔｌ ＠２図 第　３　図 光の３慴岐隘ジーーー−シ ←　波長λ 第４因 第　６　函 第　５　Ｎ 第８図 第９図 第１０図

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）標準物質の吸収スペクトル線に半導体レーザの波
    長を制御して波長を安定化する半導体レーザ波長安定化
    装置において、複数の半導体レーザのそれぞれの出力光
    の一部を入射して異なる変調周波数で周波数変調する複
    数の変調手段と、この各変調手段の出力光を入射して特
    定の複数の波長で吸収を起こす標準物質を封入した吸収
    セルと、この吸収セルの透過光を電気信号に変換する光
    検出器と、この光検出器の出力電気信号に基づく信号を
    入力して前記半導体レーザの発振波長を制御する制御手
    段とを備えたことを特長とする半導体レーザ波長安定化
    装置。
  2. （２）変調手段として音響光学変調器を用いた特許請求
    の範囲第１項記載の半導体レーザ波長安定化装置。
  3. （３）変調手段として電気光学素子からなる位相変調器
    を用いた特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ波長
    安定化装置。
  4. （４）標準物質としてＲｂまたはＣｓを用いた特許請求
    の範囲第１項記載の半導体レーザ波長安定化装置。
JP61221668A 1985-12-20 1986-09-19 半導体レ−ザ波長安定化装置 Granted JPS6377180A (ja)

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GB8630375A GB2185567B (en) 1985-12-20 1986-12-19 Optical frequency analyzer
GB8630374A GB2185619B (en) 1985-12-20 1986-12-19 Optical frequency synthesizer/sweeper
DE3643629A DE3643629C2 (de) 1985-12-26 1986-12-19 Vorrichtung zur Stabilisierung der Wellenlänge eines Halbleiterlasers
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02284486A (ja) * 1989-04-25 1990-11-21 Yokogawa Electric Corp 半導体レーザ波長安定化装置
FR2674079A1 (fr) * 1991-03-15 1992-09-18 France Telecom Perfectionnement aux telecommunications optiques coherentes.
JP2006073755A (ja) * 2004-09-01 2006-03-16 National Institute Of Information & Communication Technology 多重飽和分光によるレーザー周波数安定化装置
JP2021118258A (ja) * 2020-01-27 2021-08-10 国立研究開発法人産業技術総合研究所 光周波数掃引レーザ光源

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