JP2687556B2 - Frequency stabilized semiconductor laser device - Google Patents
Frequency stabilized semiconductor laser deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、半導体レーザーを制御してその出力光の
周波数を安定化する周波数安定化半導体レーザー装置に
関し、特に周波数の安定化と発振スペクトルの狭帯域化
とを同時に実現出来る周波数安定化半導体レーザー装置
に関するものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a frequency-stabilized semiconductor laser device that controls a semiconductor laser to stabilize the frequency of its output light, and particularly to frequency stabilization and oscillation spectrum. The present invention relates to a frequency-stabilized semiconductor laser device capable of simultaneously achieving a narrow band.
＜従来技術＞ 半導体レーザーは小型でかつ信頼性が高いという特徴
があるが、その出力の周波数が周囲条件等によって変化
し、また光スペクトルの半値幅が広いという欠点があ
る。第４図にこの様な半導体レーザーの欠点を改良する
波長安定化装置を説明する。第４図において、半導体レ
ーザーLDは恒温槽に入れられ、その周囲温度が制御され
る。恒温槽は温度コントローラTCで制御される。この半
導体レーザーLDの出力光はレンズＬで平行化され、ハー
フミラーHMで２つに分岐される。ハーフミラーHMの透過
光は出力光として外部に出力され、反射光は1/2λ板Ｚ
を透過して偏光ビームスプリッタPBSに入射され、２つ
に分岐される。分岐された一方の光は第１の光電変換素
子PD1でその強度が電気信号に変換され、第１の増幅器G
1で増幅され、この増幅器G1の出力は積分器Ｂに入力さ
れる。偏光ビームスプリッタPBSで分岐された他方の光
はファブリペロー干渉計等の波長選択素子Ｅに入射さ
れ、その透過光は第２の光電変換素子PD2で電気信号に
変換されて積分器Ｂに入力される。積分器Ｂは入力され
た２つの光電変換素子の信号の差を積分する。積分器Ｂ
の出力は第２の増幅器G2で増幅され、その出力は半導体
レーザーLDの注入電流を制御してその出力光の波長を変
化させる。この様な構成では、半導体レーザーLDの出力
光の波長を波長選択素子Ｅの透過光強度の波長特性のス
ロープの位置に制御するので、その波長を安定化する事
が出来る。また、半導体レーザーLDの出力光を２つに分
岐し、波長選択素子Ｅを透過した光と透過しない光の差
で半導体レーザーLDを制御するようにしたので、半導体
レーザーLDの出力光強度が変化しても動作点がずれない
という特徴もある。<Prior Art> A semiconductor laser is characterized by being small and highly reliable, but has the drawback that the frequency of its output changes depending on the ambient conditions and the full width at half maximum of the optical spectrum is wide. FIG. 4 illustrates a wavelength stabilizing device for improving such a defect of the semiconductor laser. In FIG. 4, the semiconductor laser LD is placed in a constant temperature bath and the ambient temperature is controlled. The constant temperature bath is controlled by the temperature controller TC. The output light of the semiconductor laser LD is collimated by the lens L and split into two by the half mirror HM. The transmitted light of the half mirror HM is output to the outside as the output light, and the reflected light is the 1 / 2λ plate Z.
Through the polarization beam splitter PBS and is split into two. The intensity of one of the branched lights is converted into an electric signal by the first photoelectric conversion element PD1, and the first amplifier G
It is amplified by 1, and the output of this amplifier G1 is input to the integrator B. The other light split by the polarization beam splitter PBS is incident on the wavelength selection element E such as Fabry-Perot interferometer, and the transmitted light is converted into an electric signal by the second photoelectric conversion element PD2 and input to the integrator B. It The integrator B integrates the difference between the input signals of the two photoelectric conversion elements. Integrator B
Is amplified by the second amplifier G2, and its output controls the injection current of the semiconductor laser LD to change the wavelength of its output light. In such a configuration, the wavelength of the output light of the semiconductor laser LD is controlled to the position of the slope of the wavelength characteristic of the transmitted light intensity of the wavelength selection element E, so that the wavelength can be stabilized. Moreover, the output light intensity of the semiconductor laser LD changes because the output light of the semiconductor laser LD is branched into two and the semiconductor laser LD is controlled by the difference between the light that passes through the wavelength selection element E and the light that does not pass through it. However, there is also a feature that the operating point does not shift.
＜発明が解決すべき課題＞ しかしながら、このような半導体レーザーの波長安定
化装置には次のような課題がある。波長選択素子として
はファブリペロー干渉計又はRbのような特定の波長の光
のみ吸収する標準物質を封入した吸収セル等を用いる
が、ファブリペロー干渉計を使用する場合、光スペクト
ルの狭帯域化を行うことは出来るが、その透過光の強度
特性は２つの半透鏡の間隔によって決まるので長期的に
安定化する事は困難であった。また光の速度は空気の屈
折率によって変化するので、周波数を安定化する事が出
来なかった。一方、吸収セルは原子の吸収特性を利用し
ているので長期的な安定性は十分あるが、吸収セル自身
がノイズを発生するので、出力光のスペクトルを狭帯域
化することが出来なかった。<Problems to be Solved by the Invention> However, such a wavelength stabilizing device for a semiconductor laser has the following problems. As the wavelength selection element, a Fabry-Perot interferometer or an absorption cell encapsulating a standard substance that absorbs only light of a specific wavelength such as Rb is used, but when using the Fabry-Perot interferometer, it is necessary to narrow the optical spectrum. However, since the intensity characteristic of the transmitted light is determined by the distance between the two semi-transparent mirrors, it was difficult to stabilize it for a long period of time. Moreover, since the speed of light changes depending on the refractive index of air, the frequency could not be stabilized. On the other hand, the absorption cell utilizes the absorption characteristics of atoms and thus has sufficient long-term stability. However, the absorption cell itself generates noise, so that the spectrum of the output light cannot be narrowed.
＜発明の目的＞ この発明の目的は、周波数の安定化と出力光のスペク
トルの狭帯域化が同時に行える周波数安定化半導体レー
ザー装置を提供する事にある。<Object of the Invention> An object of the present invention is to provide a frequency-stabilized semiconductor laser device capable of simultaneously stabilizing the frequency and narrowing the spectrum of the output light.
＜課題を解決する為の手段＞ 前記課題を解決する為に本発明は、半導体レーザーの
出力光を吸収セル及びファブリペロー干渉計に入射し、
この吸収セルとファブリペロー干渉計の透過光強度を第
１及び第２の光検出器で電気信号に変換して、この第１
の光検出器の出力を低周波帯域に限定してその信号によ
り前記ファブリペロー干渉計の半透鏡の間隔を制御する
と共に、前記第２の光検出器の出力により前記半導体レ
ーザーの出力光の周波数を制御するようにしたものであ
る。<Means for Solving the Problems> In order to solve the above problems, the present invention makes the output light of a semiconductor laser incident on an absorption cell and a Fabry-Perot interferometer,
The transmitted light intensities of the absorption cell and the Fabry-Perot interferometer are converted into electrical signals by the first and second photodetectors, and the first
The output of the photodetector is limited to a low frequency band, and the interval of the semi-transparent mirror of the Fabry-Perot interferometer is controlled by the signal, and the frequency of the output light of the semiconductor laser is controlled by the output of the second photodetector. Is controlled.
＜実施例＞ 第１図に本発明に係る周波数安定化半導体レーザー装
置の一実施例を示す。第１図において、１は半導体レー
ザーであり、恒温槽２内に配置されている。この恒温槽
２は温度制御器３により、その内部の温度が精密に制御
される。４はアイソレータであり、レンズによって平行
化された半導体レーザー１の出力光が入力される。アイ
ソレータ４は戻り光を遮断して半導体レーザー１を安定
に動作させるために用いる。５はハーフミラーであり、
アイソレータ４の透過光が入射され、この光を２つに分
岐する。６はハーフミラーであり、ハーフミラー５を透
過した光が入射され、この光を２つに分岐する。ハーフ
ミラー６を透過した光は出力光として外部に出力され
る。７はハーフミラーであり、ハーフミラー６で反射し
た光が入射され、この光を２つ分岐する。８は吸収セル
であり、ハーフミラー７を透過した光が入射される。吸
収セル８の内部にRbのような特定の周波数の光を吸収す
る標準物質が封入されている。この吸収セル８は温度に
よってその吸収強度が変化しないように恒温槽９内に配
置され、温度制御器10によりその内部の温度が制御され
る。11は第１の光検出器であり、吸収セル８の透過光が
入射され、その光強度を電気信号に変換する。12はロー
パスフィルタであり、第１の光検出器11の出力が入力さ
れる。13は制御手段であり、ローパスフィルタ12の出力
が入力される。14は光検出器であり、ハーフミラー７で
反射した光が入射され、この光の強度を電気信号に変換
する。光検出器14の出力は制御手段13に入力される。15
は圧電素子ドライバであり、制御手段13の出力が入力さ
れる。16はハーフミラーであり、ハーフミラー５で反射
した光が入射され、その光を２つに分岐する。17はファ
ブリペロー干渉計であり、ハーフミラー16を透過した光
が入射される。18はPZT等の圧電素子であり、ファブリ
ペロー干渉計17の半透鏡の間隔を変化させてその特性を
変化させる。この圧電素子18は圧電素子ドライバ15によ
り制御される。19は第２の光検出器であり、ファブリペ
ロー干渉計17の透過光が入射され、その光強度を電気信
号に変換する。20は制御手段であり、第２の光検出器19
の出力が入力される。21は光検出器であり、ハーフミラ
ー５で反射した光が入射され、その光強度を電気信号に
変換する。この光検出器21の出力は制御手段20に入力さ
れる。22は半導体レーザードライバであり、制御手段20
の出力が入力される。半導体レーザードライバ22は半導
体レーザー１の注入電流を制御して、その出力光の周波
数を変化させる。<Example> FIG. 1 shows an example of a frequency-stabilized semiconductor laser device according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 is a semiconductor laser, which is arranged in a constant temperature bath 2. The temperature inside the constant temperature bath 2 is precisely controlled by the temperature controller 3. An isolator 4 receives the output light of the semiconductor laser 1 collimated by the lens. The isolator 4 is used to block the returning light and operate the semiconductor laser 1 stably. 5 is a half mirror,
The transmitted light of the isolator 4 enters and splits this light into two. Reference numeral 6 denotes a half mirror, which receives the light transmitted through the half mirror 5 and splits the light into two. The light transmitted through the half mirror 6 is output to the outside as output light. A half mirror 7 receives the light reflected by the half mirror 6 and splits the light into two. Reference numeral 8 denotes an absorption cell on which the light transmitted through the half mirror 7 is incident. A standard substance such as Rb that absorbs light of a specific frequency is enclosed in the absorption cell 8. The absorption cell 8 is arranged in a constant temperature bath 9 so that its absorption intensity does not change depending on temperature, and the temperature inside thereof is controlled by a temperature controller 10. Reference numeral 11 denotes a first photodetector, which receives the transmitted light of the absorption cell 8 and converts the light intensity thereof into an electric signal. Reference numeral 12 is a low-pass filter, to which the output of the first photodetector 11 is input. Reference numeral 13 is a control means, to which the output of the low pass filter 12 is input. Reference numeral 14 denotes a photodetector, which receives the light reflected by the half mirror 7 and converts the intensity of this light into an electric signal. The output of the photodetector 14 is input to the control means 13. Fifteen
Is a piezoelectric element driver, to which the output of the control means 13 is input. Reference numeral 16 denotes a half mirror, which receives the light reflected by the half mirror 5 and splits the light into two. Reference numeral 17 is a Fabry-Perot interferometer, on which the light transmitted through the half mirror 16 is incident. Reference numeral 18 is a piezoelectric element such as PZT, which changes the characteristics of the Fabry-Perot interferometer 17 by changing the distance between the semi-transparent mirrors. The piezoelectric element 18 is controlled by the piezoelectric element driver 15. A second photodetector 19 receives the transmitted light of the Fabry-Perot interferometer 17 and converts the light intensity thereof into an electric signal. Reference numeral 20 is a control means, and the second photodetector 19
Is input. Reference numeral 21 denotes a photodetector, which receives the light reflected by the half mirror 5 and converts the light intensity into an electric signal. The output of the photodetector 21 is input to the control means 20. 22 is a semiconductor laser driver, which is a control means 20
Is input. The semiconductor laser driver 22 controls the injection current of the semiconductor laser 1 to change the frequency of its output light.
次にこの実施例の動作を説明する。この実施例はファ
ブリペロー干渉計17によって半導体レーザー１の出力光
の周波数を一定値に制御し、かつ吸収セル８によりファ
ブリペロー干渉計17を較正するようにしている。すなわ
ち、半導体レーザー１の出力光をファブリペロー干渉計
17に入射し、その透過光強度を第２の光検出器19で検出
して、この出力と半導体レーザー１の出力光強度を表わ
す光検出器21の出力の差を制御手段20で求めて、この差
信号が一定になるように半導体レーザードライバ22によ
り半導体レーザー１の注入電流を変化させる。光検出器
21の出力との差を求めるのは、半導体レーザー１の出力
光強度が変化することによる誤差を補償する為である。
また、半導体レーザー１の出力光を吸収セル８に入射し
て、その透過光強度を第１の光検出器11で検出し、その
信号をローパスフィルタ12で低周波帯域に限定して、制
御手段13により半導体レーザー１の出力光強度を表わす
光検出器14との差を演算し、この差が一定になるように
圧電素子18を制御してファブリペロー干渉計17の半透鏡
の間隔を変化させる。第１の光検出器11の出力をローパ
スフィルタで低周波帯域に限定するのは、吸収セル８の
高周波ノイズによる誤差を防止するためである。光検出
器14は光検出器21と同じ目的の為に用いる。周囲温度等
が変化してファブリペロー干渉計17の特性が変化し、そ
の為に半導体レーザー１の出力光の周波数が変化する
と、吸収セル８の透過光強度が変化して第１の光検出器
11の出力が変化するので、制御手段13の出力が一定にな
るように圧電素子18によりファブリペロー干渉計17の半
透鏡の間隔を制御して元に戻す。吸収セル８の特性は長
期的に安定なので、このようにすることによりファブリ
ペロー干渉計17の周囲温度等による特性変化を較正する
ことができ、半導体レーザー１の出力光の周波数を長期
的に安定化することが出来る。また、ファブリペロー干
渉計17により半導体レーザー１を制御しているので、そ
のスペクトルを狭帯域化することも出来る。Next, the operation of this embodiment will be described. In this embodiment, the Fabry-Perot interferometer 17 controls the frequency of the output light of the semiconductor laser 1 to a constant value, and the absorption cell 8 calibrates the Fabry-Perot interferometer 17. That is, the output light of the semiconductor laser 1 is used as Fabry-Perot interferometer.
It is incident on 17, the transmitted light intensity is detected by the second photodetector 19, and the difference between this output and the output of the photodetector 21 representing the output light intensity of the semiconductor laser 1 is obtained by the control means 20, The injection current of the semiconductor laser 1 is changed by the semiconductor laser driver 22 so that this difference signal becomes constant. Photo detector
The difference from the output of 21 is obtained in order to compensate the error due to the change of the output light intensity of the semiconductor laser 1.
Further, the output light of the semiconductor laser 1 is made incident on the absorption cell 8, the transmitted light intensity thereof is detected by the first photodetector 11, and the signal thereof is limited to the low frequency band by the low-pass filter 12 to control means. The difference between the output of the semiconductor laser 1 and the photodetector 14 is calculated by 13 and the piezoelectric element 18 is controlled so that this difference becomes constant, and the interval between the semi-transparent mirrors of the Fabry-Perot interferometer 17 is changed. . The reason why the output of the first photodetector 11 is limited to the low frequency band by the low pass filter is to prevent an error due to the high frequency noise of the absorption cell 8. The photodetector 14 is used for the same purpose as the photodetector 21. When the ambient temperature or the like changes and the characteristics of the Fabry-Perot interferometer 17 change, and therefore the frequency of the output light of the semiconductor laser 1 changes, the transmitted light intensity of the absorption cell 8 changes and the first photodetector
Since the output of 11 changes, the distance between the semi-transparent mirrors of the Fabry-Perot interferometer 17 is controlled by the piezoelectric element 18 so that the output of the control means 13 becomes constant. Since the characteristics of the absorption cell 8 are stable in the long term, by doing so, the characteristic change of the Fabry-Perot interferometer 17 due to the ambient temperature and the like can be calibrated, and the frequency of the output light of the semiconductor laser 1 is stabilized in the long term. Can be transformed. Further, since the semiconductor laser 1 is controlled by the Fabry-Perot interferometer 17, its spectrum can be narrowed.
第２図に制御手段13の構成を示す。第２図において、
光検出器14の出力は増幅器23に入力されて反転増幅され
る。また、第１の光検出器11の出力は増幅器24に入力さ
れ、別に入力された増幅器23の出力との和が取られる。
すなわち、第１の光検出器11と光検出器14の出力の差が
演算される。圧電素子ドライバ15はこの出力が一定にな
るように圧電素子18を制御する。制御手段20も同じ構成
とすることが出来る。また、この実施例では増幅器24の
帰還側に抵抗とコンデンサを挿入し、ローパスフィルタ
12の機能をもたせるようにしている。The structure of the control means 13 is shown in FIG. In FIG.
The output of the photodetector 14 is input to the amplifier 23 and inverted and amplified. The output of the first photodetector 11 is input to the amplifier 24 and the sum of the output of the separately input amplifier 23 is calculated.
That is, the difference between the outputs of the first photodetector 11 and the photodetector 14 is calculated. The piezoelectric element driver 15 controls the piezoelectric element 18 so that this output becomes constant. The control means 20 can also have the same configuration. In this embodiment, a resistor and a capacitor are inserted on the feedback side of the amplifier 24,
It has 12 functions.
なお、第３図に示すように、吸収セル８の透過光特性
25の単調変化部分fWに半導体レーザー１の出力光の周波
数をロックするようにすると周波数の変化が光強度の変
化に変換されるので、ロックインアンプ等の装置を使わ
ずに簡単な装置で構成出来る。As shown in FIG. 3, the transmitted light characteristics of the absorption cell 8
If the frequency of the output light of the semiconductor laser 1 is locked to the monotonically changing portion f W of 25, the change in frequency is converted into a change in light intensity, so a simple device can be used without using a lock-in amplifier. Can be configured.
また、この実施例ではファブリペロー干渉計17の半透
鏡の間隔を圧電素子で変化させてその特性を制御するよ
うにしたが、ファブリペロー干渉計の周囲温度を制御す
る方法、エアギャツプエタロンを密閉容器内に配置し圧
力を制御する方法、ファブリペロー干渉計17への光の入
射角を制御する方法等を用いることも出来る。In addition, in this embodiment, the characteristics of the Fabry-Perot interferometer 17 are controlled by changing the distance between the semi-transparent mirrors by a piezoelectric element. It is also possible to use a method of arranging in a container to control the pressure, a method of controlling an incident angle of light to the Fabry-Perot interferometer 17, and the like.
＜発明の効果＞ 以上実施例に基づいて具体的に説明したように、この
発明では半導体レーザーの出力光を吸収セル及びファブ
リペロー干渉計に入射し、ファブリペロー干渉計の透過
光強度信号で半導体レーザーを制御し、かつ吸収セルの
透過光強度信号でこのファブリペロー干渉計を較正する
ようにした。その為、光スペクトルの狭帯域化と周波数
の安定化が同時に出来るという効果がある。<Effects of the Invention> As described concretely on the basis of the above embodiments, in the present invention, the output light of the semiconductor laser is incident on the absorption cell and the Fabry-Perot interferometer, and the transmitted light intensity signal of the Fabry-Perot interferometer is used for the semiconductor The laser was controlled and the Fabry-Perot interferometer was calibrated with the transmitted light intensity signal of the absorption cell. Therefore, there is an effect that the optical spectrum can be narrowed and the frequency can be stabilized at the same time.
また、長期的な安定性のある吸収セルの透過光強度信
号でファブリペロー干渉計を較正するようにしたので、
ファブリペロー干渉計の温度制御をする必要がなく、装
置の構成が簡単になるという効果もある。例えば、従来
では周波数安定性を10-8にするにはファブリペロー干渉
計の構成部材として低膨脹率のZERODURを用いてもその
周囲温度変動を±0.2℃に押さえなければならなかった
が、本発明によると２桁程度の変動は許されるので、ほ
とんど温度制御をする必要がなくなる。We also calibrated the Fabry-Perot interferometer with the transmitted light intensity signal of the absorption cell, which has long-term stability.
The Fabry-Perot interferometer does not need to be temperature-controlled, and the structure of the device can be simplified. For example, in the past, even if a low expansion coefficient ZERODUR was used as a component of a Fabry-Perot interferometer to suppress the frequency stability to 10 -8 , the ambient temperature fluctuation had to be suppressed to ± 0.2 ° C. According to the invention, the fluctuation of about two orders of magnitude is allowed, so that it is almost unnecessary to control the temperature.
第１図は本発明に係る周波数安定化半導体レーザー装置
の一実施例を示す構成図、第２図は制御手段の一実施例
を示す構成図、第３図は吸収セルの特性を示す特性曲線
図、第４図は従来の波長安定化半導体レーザー装置の構
成を示す構成図である。 １……半導体レーザー、５〜7,16……ハーフミラー、８
……吸収セル、11……第１の光検出器、12……ローパス
フィルタ、13,20……制御手段、14,21……光検出器、15
……圧電素子ドライバ、17……ファブリペロー干渉計、
19……第２の光検出器、22……半導体レーザードライ
バ。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a frequency-stabilized semiconductor laser device according to the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of a control means, and FIG. 3 is a characteristic curve showing characteristics of an absorption cell. FIG. 4 and FIG. 4 are configuration diagrams showing the configuration of a conventional wavelength-stabilized semiconductor laser device. 1 ... Semiconductor laser, 5-7,16 ... Half mirror, 8
...... Absorption cell, 11 ...... First photodetector, 12 ...... Low-pass filter, 13,20 ...... Control means, 14,21 ...... Photodetector, 15
...... Piezoelectric element driver, 17 …… Fabry-Perot interferometer,
19 …… Second photodetector, 22 …… Semiconductor laser driver.
Claims (1)
出力光が入射される吸収セルと、この吸収セルの透過光
の強度を検出する第１の光検出器と、前記半導体レーザ
ーの出力光が入射されるファブリペロー干渉計と、この
ファブリペロー干渉計の透過光の強度を検出する第２の
光検出器とを有し、前記第１の光検出器の出力を低周波
帯域に限定した出力で前記ファブリペロー干渉計を制御
すると共に、前記第２の光検出器の出力により前記半導
体レーザーを制御するようにしたことを特徴とする周波
数安定化半導体レーザー装置。1. A semiconductor laser, an absorption cell on which the output light of the semiconductor laser is incident, a first photodetector for detecting the intensity of transmitted light of the absorption cell, and the output light of the semiconductor laser is incident. And a second photodetector for detecting the intensity of transmitted light of the Fabry-Perot interferometer, and the output of the first photodetector is limited to a low frequency band. A frequency-stabilized semiconductor laser device, wherein the Fabry-Perot interferometer is controlled, and the semiconductor laser is controlled by the output of the second photodetector.
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Applications Claiming Priority (1)
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1989
- 1989-03-17 JP JP6549189A patent/JP2687556B2/en not_active Expired - Fee Related
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