JPS6130088A - 半導体レ−ザ装置 - Google Patents

半導体レ−ザ装置

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JPS6130088A
JPS6130088A JP15235584A JP15235584A JPS6130088A JP S6130088 A JPS6130088 A JP S6130088A JP 15235584 A JP15235584 A JP 15235584A JP 15235584 A JP15235584 A JP 15235584A JP S6130088 A JPS6130088 A JP S6130088A
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勉 柳川
Shigeru Saito
茂 斎藤
Yoshihisa Yamamoto
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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

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Electromagnetism (AREA)
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  • Semiconductor Lasers (AREA)
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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」 この発明は光の位相、周波数情報を扱う場合に要求され
、広帯域にわたる周波数雑音の低減化を実現する半導体
レーザ装置に関するものである。
「従来技術」 光を効率よく通信、精密測定の分野で利用するには、光
の位相、周波数情報を用いることが適切であり、周波数
雑音の少ないコヒーレンスの高い光源が望まれる。半導
体レーザは長寿命、小型、高効率を誇シ、発振周波数が
可変である等の特徴を有し、様々な応用が考えられてい
る。しかしこの半導体レーザは周波数雑音に関して問題
があシ、その改善が不可欠である。
従来提案された半導体レーザの周波数雑音低減化装置と
しては周波数雑音の低周波成分を抑圧することを目的と
した発振周波数の安定化装置と、高周波成分を抑圧する
ことを目的とした発振スペクトル幅低減化装置とがそれ
ぞれ独立に用いられてきた。しかしこれらを同時に実現
化するよう々発振周波数が高度に安′定化ユさjれ、か
つスペクトル幅の狭い広帯域にわたる周波数雑音低減化
装置は上記応用に対し極めて重要である。
従来の周波数安定化装置では、半導体レーザを直接変調
するものであシ、周波数制御信号をロックインアンプか
ら得るものがほとんどであり、i o o )(z程度
以上の帯域においては周波数雑音の抑圧は不可能であり
、発振スペクトル幅も広いまま(1,5μ’m帯I。G
aA5Pレーザでは100 MHz程度)である。10
0 KH2程度以下の帯域において周波数雑音を抑圧す
るためにファブリペロ干渉計を用いた安定化の例がある
が、温度変動に起因する干渉計の共振周波数の変動が存
在し、長期安定度、再現性の点で問題がある。
従来の発振スペクトル幅低減化装置には外部回折格子を
用いた光フィードバック(帰還)が利用され、1.5μ
m帯■nGaA、Pレーザで10’KH2程度を実現し
た報告(Electron I、eft 19 、11
0 +1983)があるが、レーザの劣化、温度による
外部共振器の変動等により、隣接する発振モードへの飛
びが起こるため発振周波数の長期安定度、再現性の点で
問題があった。
この発明の第1の目的は高い周波数まで雑音を抑圧する
ことができる半導体レーザ装置を提供することにある。
この発明の第2の目的は光フィードバックを用いず電気
的なフィードバック制御を用いるだけで周波数の安定化
と発振スペクトル幅の低減化とを同時に実現し、周波数
雑音を広帯域にわたって低減化し、しかも発振周波数の
再現性が保障され、精密計測用光源として通信用の周波
数基準レーザなど−としての応用が可能な半導体レーザ
装置を提供することにある。
「問題点を解決するための手段」 この発明によれば半導体レーザよりの光を外部変調器に
おいて発振器の出力で周波数変調し、その変調出力光を
周波数基準に通し、その通過光を電気信号に変換し、そ
の電気信号を位相検波器において、上記発振器の出力に
より位相検波する。
この検波出力により上記半導体レーザの発振周波数が周
波数基準の周波数になるように帰還制御する。このよう
に外部変調を用いることにより高い周波数まで変調する
ことができ、このため高い周波数の雑音も抑圧すること
ができる。
半導体レーザの出力光を分岐し、その分岐光を周波数二
次基準に通し、そのiM通過光電気信号に変換し、その
電気信号と基準周波数と対応した直流信号との差を差動
増幅器で検出し、その検出出力により半導体レーザを帰
還制御して上記差動増幅器の二つの入力が等しくなるよ
うにする。このように電気的制御により発振スペクトル
幅を狭くすることができる。
半導体レーザ11からの出力光はハーフミラ12で2分
され、その一方は外部変調器13で発振器14の発振出
力により周波数変調され、その変調出力光は周波数基準
(気体セル)15に入射される。周波数基準15を通過
した光は受光器16で電気信号に変換されて位相検波器
17へ供給される。発振器14の発振出力は移相回路1
8を通じて位相検波器17へも供給され、この発振出力
により位相検波器17で受光器16の出力を位相検波す
る。その検波出力はフィードバック(帰還)回路19を
通じて半導体レーザ11へ帰還される。
これらは半導体レーザ11の発振周波数を絶対的な周波
数にロックする周波数安定化部21を構成している。
ハーフミラ12で分岐された能力の光は周波数二次基準
(ファブリペロ干渉計)22に入力され、周波数二次基
準22を通った光は受光器23で電気信号に変換される
。その電気信号は差動増幅器24に入力され、端子25
からの基準信号との差が検出され、その検出出力はフィ
ードバック(帰還)回路26を通じて半導体レーザ11
に帰還される。この部分は絶対周波数に安定化された半
導体レーザ11の高周波雑音の抑圧を行い、発振スペク
トル幅の低減化を実現する発振スペクトル幅低減化部2
7を構成している。
差動増幅器24の出力はフィードバック回路28を通じ
て周波数二次基準22にも供給され、この部分で周波数
二次基準(ファブリペロ干渉計)22を安定化する周波
数基準安定化部29が構成されるO 第1図中で信号の流れを示す実線は電気信号、波線は光
信号を表わしている。半導体レーザ11の周波数制御に
は温度と電流とが利用できるが、ここでは例として半導
体レーザ11を1/100°C程度に安定化した恒温槽
に入れ、注入電流の制御を行うものとする。
外部変調器13で周波数変調されたレーザ光31は周波
数基準15を通して検波され、その出力は位相検波器1
7で移相回路18からの参照信号32と比較することに
より抽出される。外部変調器13には例えば−辺0.3
鶴の正方形断面を持つ長き4傭のLiNbO3のバルク
結晶を発振器14の周波数fmを持つ発振出力で駆動し
て入力光を位相変調するものを用いる。この時15μm
の光に対し、発振器14から位相をπだけずらす電圧(
50vpp程度)を出力させて外部変調器13に与える
と、最大周波数偏移πfm/2の周波数変調光31が得
られる。
周波数基準15には絶対的々周波数を持ち急峻な特性を
有するものが望ましく、yuとして気体の吸収線を用い
るものとする。この気体としては15μm帯ではNH3
,CO2,H2O、HCN 、 CH8Cノ等、13帯
ではCH4,NH3,H2O、HF等、0.8 p m
帯ではH2O、Rb 、 C5等がある。位相検波器1
7にはロックインアンプ、バランスドミキサ等が使用で
きる。
このようにして位相検波器17の出力として誤差信号3
3が得られ、この誤差信号と周波数の関係、すなわち周
波数弁別特性は第2図Aに示すような周波数基準15の
透過特性を周波数で一次微分した第2図Bの特性で与え
られる。第2図Aの透過特性は基準周波数f。が最小で
、これよシ周波数が高ぐなρても低くなっても透過光強
度が大になる。誤差信号33は基準周波数f。よシ低く
なると負となシ、高くなると正になる。誤差信号33は
゛ フィードバック回路19を通して半導体レーザ11
の注入電流に加えられ、その発振周波数が周波数基準1
50基準周波数f0になるように制御される。
周波数安定化部21で絶対周波数安定化が達成されたレ
ーザに対し、発振スペクトル幅低減化部27では高周波
雑音の低減化を行う。ここでは−例としてファブリペロ
干渉計の透過特性を周波数二次基準22として用い、フ
ィードバック制御を行う。第3図Aに示すようにファブ
リペロ干渉計22の透過光強度−周波数特性は共振周波
数で最大となる。その最大周波数よシずれ、直線性の優
れた透過特性の傾斜部に基準周波数f。を位置させ周波
数弁別特性として使用する。差動増幅器24の出力34
.35を基準周波数f。でゼロ、これよシ高くなると正
の信号を出力し、低くなると負の信号を出力し、しかも
直線的に変化するものとすることができる。つまシ周波
数基準点f。は弁別特性の中央とし、基準差動入力端子
25に加える電圧で決定する。この周波数基準点f。と
レーザ光の周波数差は差動増幅器24から得られる誤差
信号34.35としてフィードバック回路26.28に
入力される。フィードバック回路26は誤差信号34の
高周波成分を半導体レーザ11の注入電流にフィードバ
ックし、レーザの高周波雑音の低減化、スペクトル幅の
低減化を実現する。
ファブリペロ干渉計の透過特性には温度変動による周波
数変動が存在するため、干渉計の安定化が不可欠である
。このためファブリペロ干渉計には共振器長を制御でき
るようにPZT駆動部を有するものを用い、温度補償を
実現するために周波数基準安定化部29を用いる。すな
わちフィードバック回路28から出力される誤差信号3
5の低周波成分をファブリペロ干渉計22のPZT駆動
部に加え、共振器長制御を行う。これにより周波数基準
15の吸収線が有する絶対的な周波数に安定化されたレ
ーザ光によってファブリペロ干渉計22の透過特性が固
定されたことになシ、ファプリペロ干渉計22を周波数
二次基準として使用することが可能となる。
この発明の動作を得る手順を以下に示す。半導体レーザ
11の発振周波数を絶対的な周波数を有する原子、分子
の吸収線にロックすることにより周波数安定化を実現す
る。この周波数安定化半導体レーザの出力光を用い、周
波数二次基準となるファブリペロ干渉計22を安定化す
る。このファブリペロ干渉計22から得られる半導体レ
ーザの高周波雑音を利用し、半導体レーザ11の周波数
雑音抑圧帯域を拡大し、発振スペクトル幅の低減化を実
現する。
周波数安定化部21のみを用い、かつ比較的高い周波数
も検波できるように位相検波器17に例えばバランスド
ミキサを用いて外部変調器13を用いているため変調周
波数を数100 MH2程度以上と高くすることができ
、これにより発振周波数を原子、分子の吸収線にロック
し、100MH2程度までの周波数雑音の低減化が行え
る。なおこのように高い周波数まで雑音を抑圧できるた
め、発振スペクトル幅を狭くすることができる。
「発明の効果」 以上説明したようにこの発明によれば外部変調器を用い
たため高い周波数まで変調することができ、高い周波数
まで雑音を抑圧することができる。
また電気信号を用いたフィードバック制御だけを利用し
、広帯域にわたる周波数雑音の抑圧およびスペクトル幅
の低減化を同時に実現できる。さらにレーザの発振周波
数を原子あるいは分子の吸収線ヘロツクすることから、
再現性、長期安定性にも優れ、周波数基準レーザとして
使用できる。従ってオフセットロックCI EEE、J
、 QuantumEIectron。
QE−17,1100(1981))の技術を応用する
ことにより、所望の周?&数においてコヒーレンスのよ
い光源を得ることができる。特に光ファイバの最小損失
波長域である1、5μm帯での応用は通信用光源として
コヒーレンス向上による最低受信レベルを低くすること
が可能となるだけでなく、光ファイバを用いた様々なセ
ンサ(IEEE。
J 、Quantum Electron、QE−18
e 626(1982))やジャイロスコープ(Pr0
C,5PIE、157.131(1978))等に利用
すれば単体の半導体レーザを用いる場合と比較し、飛躍
的な精度の向上刃!期待できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の半導体レーザ装置の一実施例を示す
ブロック図、第2図は周波数基準とする原子、分子の吸
収線とこれによる周波数弁551J特性の例を示す図、
第3図は周波数二次基準とするファブリペロ干渉計の透
過特性とこれによる周波数弁別特性の例を示す図である
。 11;半導体レーザ、12:ノ・−フミラ、13:外部
変調器、14:発振器、15:周波数基準(気体セル)
、16,23:受光器、17二位相検波器、18:移相
器、19 、26 、28:フィードバック回路、22
:周波数二次基準(ファブリペロ干渉計L24:差動増
申品器、25:基準差動入力端子。 特許出願人  日本電信電話公社 代  理  人   草  野     卓オ 1 図 第2図 オ 3 図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体レーザと、該半導体レーザの出力光が入射
    される外部変調器と、その外部変調器に発振出力を供給
    して上記半導体レーザの出力光を周波数変調する発振器
    と、上記外部変調器からの変調された光を通過させる周
    波数基準と、その周波数基準を透過した光を受光して電
    気信号に変換する受光器と、その受光器の出力を、上記
    発振器の出力を参照信号として位相検波する位相検波器
    と、その位相検波器の検波出力により上記半導体レーザ
    の発振周波数を上記周波数基準の周波数に一致するよう
    に制御する第1フィードバック回路とを有する半導体レ
    ーザ装置。
  2. (2)上記半導体レーザの出力光を分岐する分岐手段と
    、その分岐された出力光を通過させる周波数二次基準と
    、その周波数二次基準を通過した光を受光して電気信号
    に変換する受光器と、その受光器からの信号と、基準周
    波数に対応する電圧とを差動増幅する差動増幅器と、そ
    の差動増幅器からの出力により上記半導体レーザの発振
    周波数を制御して上記差動増幅器の両入力が一致するよ
    うにする第2のフィードバック回路とを有する特許請求
    の範囲第1項記載の半導体レーザ装置。
JP15235584A 1984-07-23 1984-07-23 半導体レ−ザ装置 Granted JPS6130088A (ja)

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