JPH02208986A - レーザの周波数変調方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、レーザ光源の直接変調に係り、特に周波数変
調するレーザの周波数変調方法に関するものである （従来技術） 光計測の分野では、使用する光の周波数変調が必要な場
合が多くみられる。レーザ光の周波数を変調する方法に
は、大きく分けて２種類の方法がある。ひとつはレーザ
の発振周波数自体を変化させる直接変調法であり、もう
ひとつはレーザの出力光を位相変調あるいは周波数変調
する外部変調法である。前者はレーザを駆動するための
注入電流、放電電流、励起光強度などを変えれば周波数
を簡単に変えることができ簡便であり、また周波数変調
幅も大きくとれるが、通常レーザ出力光が強度変調され
てしまう。光が強度変調されていると、測定精度あるい
は安定度などを制限する要因となり、応用上問題となる
場合が多い。後者は電気光学効果を利用する方法、音響
光学効果を利用する方法などに手段が限られ、これらの
方法で変調すること自体が面倒である上に、所望の周波
数変調幅、変調周波数、安定度が得られるとは限らない
などいずれの方法も使用上の制限が多い、したがって、
もし直接変調法で強度変調の問題を解決することができ
れば、その応用上の利点はきわめて大きなものとなる。

この強度変調を取り除く方法としては、減衰量をなんら
かの方法で変化できる可変減衰器を用いて取り除くこと
が考えられる。このとき用いる可変減衰器としては、 ■音響光学効果を用いた超音波光変調器■電気光学効果
を用いた電気光学変調器■磁気光学効果を用いた磁気光
学変調器などがある。

しかしながら、超音波光変調器には ■大きな高周波電力を必要とすること、■超音波の周波
数分だけ光の周波数がずれること、 ■そのために、超音波変調器を駆動する信号源の周波数
安定度が問題になること、 ■減衰が大きいこと、 などの欠点がある。したがって、■の問題のために周波
数変調光の強度変調除去には、この方法は使用できない
。

また、空間伝搬光を対象とする空間伝搬型電気光学変調
器では ■制御に高電圧を必要とすること、 ■制御速度が遅いこと、 という難点がある。また、光を導波して変調する導波路
型電気光学変調器では ■導波路への光の導入が難しく、結合損失が大きいこと
、 ■偏光依存性があること、 などの問題点がある。このように、変調器の微細な先導
波路へ光を導入するための結合系の調整、結合損失の大
きさを考えると、この方法は空間伝搬光の強度変調を除
去する方法としては適していない。

最後に、磁気光学変調器では ■大電流を必要とすること、 ■誘導性の負荷となるために制御速度が遅いこと、 という問題点がある。

（発明が解決しようとする問題点） 従来、レーザ光の発光強度を一定に保つ、いわゆるＡＰ
Ｃなどは行なわれているが周波数変調された光の振幅を
一定に保つ実用的な試みはこれまで行なわれていない。

そこで、可変減衰器を用いた従来のＡＰＣの１例を取り
上げて問題点を明らかにする。

第１図は従来の可変光減衰器を用いたＡＰＣの構成図で
ある。図中、ｌは外部変調器により周波数変調されてい
るかまたは直接変調されているレーザ光源、２は制御回
路、３は可変光減衰器、４は光減衰器制御回路、５は光
分波器、６は受光器である。また、波線は光信号の流れ
を、実線は電気信号の流れを表わしており、矢印はその
信号が流れる向きを表わしている。Ｓ　ＩＩは制御回路
２がレーザ光源１を駆動するための信号、Ｓ　ｏｓは光
減衰器制御回路４が可変光減衰器３を制御するための信
号、Ｓ□は受光器６が光減衰器制御回路４に出力する信
号、Ｌ＋ｓはレーザ光源１の周波数変調されている出力
光で可変光減衰器３に入力される。

Ｌ　ｏｎは可変光減衰器３の出力光で光分波器５によっ
て、光信号Ｌ　ｏｕｔとＬ　ｏａとに分割される。受光
器６は光信号Ｌ　６４を受光して電気信号Ｓ□として出
力する。

光減衰器制御回路４は電気信号Ｓｐ４の振幅変化を減少
させるように可変光減衰器３の減衰量を制御する。光分
波器５の出力光Ｌ　ｏｕｔはこの系の出力となる。

この制御系の本来の用途は、はぼ一定な強度で発光して
いるレーザ光源の出力光Ｌｌｌの強度が、レーザ光源１
の周囲環境条件などの変化によって変動するのを、可変
光減衰器によって吸収することである。レーザ光源ｌを
駆動する電流を変化させて同光源の発振周波数を直接変
調する場合のように、振幅が高速で変化する場合には、
既に説明したように可変光減衰器３の応答が追随しない
。

以上説明したように、従来では周波数変調された光の強
度変調成分を可変減衰器を用いて除去することが困難で
あり、強度変調成分の影響でレーザ光源の発振周波数が
変動するという問題があった。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、強度変調成分の影響が少ないレーザの
周波数変調方法を提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明の特徴は、レーザ光源を制御してレーザ光源の出
力光を直接周波数変調するレーザの周波数変調方式にお
いて、光共振器の中心共振周波数を中心にして共振周波
数を予め定めた偏移幅で周期的に変化させ、レーザ光源
の出力光が光共振器を通過した時の出射レベルがほぼ一
定となるようにレーザ光源の発振周波数を制御すること
により、共振周波数の偏移する幅で定まる周波数でレー
ザ光源の発振周波数を変調することにある。

以下図面を用いて本発明について詳細に説明する。

（発明の原理） 第２図は本発明による周波数変調方式を説明するための
原理図である０図中、１は直接変調機能または外部変調
機能を有するレーザ光源、２は制御回路、７は光共振器
、８は先兵振器駆動回路である。すなわち、構成上で従
来技術と異なる点は、光減衰器３の代わりに本発明では
光共振器７を用いた点にある。

また、第１図と同様に、破線は光信号、実線は電気信号
の流れを表わしており、矢印は流れの方向を表わしてい
る。Ｌｌｓはレーザ光源１の周波数変調されている出力
光、Ｌｏｆは出力光Ｌ　Ｉｆｆが光共振器７を通過した
もの、Ｓ　ｌｆｉは制御回路２がレザ光源１の周波数お
よび振幅を制御するための信号、Ｓｏｆは先兵振器駆動
回路８が光共振器７の透過率を変化させるための信号、
Ｓｏは光共振器の透過率の変化を知るために、制御回路
２が先兵振器駆動回路８から受ける信号である。

レーザ光源１の発振周波数ｆ０および光強度Ｐを制御す
るために変える量（以下、簡単のためにこの量のことを
「調節量」と呼ぶことにする）を■とする。調節量！＝
１．の近傍で、調節量■の変化分ΔＩに対して、発振周
波数ｒ０および光強度Ｐが ｆ、＝ｆ、。＋α・ΔＩ Ｐ　＝Ｐ、十β・ΔＩ のように変化するとする。ここで、ｆｏ。＋ＰＯはそれ
ぞれ調節量１＝１．のときの発振周波数および光強度で
あり、α、βは適当な係数である。

光共振器７の透過率Ｔを透過率Ｔ０を中心として振幅Δ
Ｔで変化させ、光共振器７通過後の光強度を一定に保つ
ように調節量ｌを信号Ｓ□に基づき制御すると、レーザ
光源ｌの発振周波数はｆ０＋＝ｆｏ。−（ΔＴ　−Ｐ、
／（Ｔ、十ΔＴ））・（α／β） ｆ０２＝ｆ００±（ΔＴ　−Ｐ、／（Ｔ、−ΔＴ））（
α／β） の間で変化する。もしΔＴ／Ｔ、＜１であれば、レーザ
光源１の発振周波数ｆ０は周波数１０゜を中心として、
はぼ振幅（ΔＴ／Ｔ、）（α／β）・Ｐｏで変化する。

以上の説明かられかるように、本発明では、従来のよう
に光減衰器３の減衰量を制御するのではな（、光共振器
７の共振周波数の偏移量に応じてレーザ光源１の動作状
態（電流注入、電圧印加及び光照射等）を制御して系の
出力光り。ｕＬ　　（本実施例では光共振器７の出力光
り、、）の強度を一定に保つように、レーザ光源ｌの発
振周波数を可変することにより結果として周波数変調す
るものである。従って、本発明の変調周波数は、光共振
器７の偏移幅によって定まる。また、本発明では、レー
ザ光源の発振周波数ｆ、および光強度Ｐの調節量Ｉに対
する依存性、および信号Ｓｆｄに基づいて調節量Ｉを変
化させる大きさを予め測定しておき決定している。

ここで、光共振器７としては、ファプリーペロ共振器、
コンフォーカルエタロンなどの光共振器類で少なくとも
一方の反射鏡の位置を変化させて共振周波数を変化でき
るものを用いることができる。また、第３図（ａ）及び
（ｂ）のような圧電効果あるいは電歪効果を有する媒質
からなる光共振器を用いることもできる。第３図（ａ）
では面Ｓ１１およびＳ＋Ｚに反射膜が形成されており、
光学的な共振器系を構成している。面ＳＫＩとＳ、には
電極が形成されており、これらの２電極間に電圧を印加
して、光共振器７としての共振周波数を変化させること
ができる。第３図（ｂ）の光共振器では、面Ｓｌｌと３
１□が反射鏡と電極を兼ねている。第３図に示した共振
器７はいずれも平行な２枚の平板反射鏡で構成された光
共振器となっているが、面３１１とＳ＋Ｚを共焦点な球
面鏡とすることもできる。

ところで、光共振器７の共振周波数を変化させて透過率
を変えた場合のレーザ光源１の発振周波数ｆ・の変化に
ついて次に説明する。第４図は共振周波数を変化させた
ときの光共振器７の透過率の変化を模式的に示した透過
率特性図である。図中の曲線Ｔ　ｏ　、　Ｔ　ｔ　、　
Ｔ　ｔは、光共振器７のそれぞれ共振周波数がｆ　Ｃ１
ｌ＋　ｒ　ｅｌ＋　ｆ　Ｃ２のときの透過率を示してい
る。

ここで、レーザ光源１の発振周波数ｆ、と光強度Ｐが調
節量Ｉに対して、 ｆｏ”ｒｅ。＋α・Δｌ Ｐ　　＝β・ΔＩ ΔＩ＝１−１い と表わされるとする。ここで、■いはレーザ光源ｌが発
振するのに必要な調節量■の大きさである。α、βは適
当な係数である。「。。はＩ＝Ｉいのときの発振周波数
であるが、調節量！が所定の値の近傍にあるときの発振
周波数ｆ０の１ｌｆｉｆｆ量Ｉへの依存性を近似してい
るために、調節量１＝Ｉいのときにこの周波数ｆ０゜で
発振するとは限らない。

また、光共振器７の透過率が使用する共振周波数の近傍
で、 Ｔ（ｆ）＝Ｔ、、／　［１＋（ｆ−ｆＪ”／δｆ２］と
表わされるとする。ここで、Ｔ　ｒ　ａは共振周波数で
の透過率、ｆｃは共振周波数、ｆは周波数、δｆは透過
率特性の半値半幅である。

調節量Ｉの闇値からの増分がΔＩ＝ΔＩ０で、レーザ光
源の発振周波数がｆｏで、共振周波数がｆ　ｅｏである
と、光共振器の透過率は図中の点Ｐ０で表わされるよう
な値Ｔ０となる。共振周波数がｆｃＯからＬｌに変化し
たとき、レーザ光源の発振周波数が周波数１０から変化
しなければ、透過率は図中の点Ｐ１で表わされる値Ｔ、
に変化し、光強度が増大する。光強度が元の値になるよ
うに調節量Ｉを変えると、レーザ光源の周波数１０の変
化分Δｒ０は、はぼ Δｒ、ｚΔｒｃ　−ｙ２　（δｆ／Δｆｉ）［１＋（δ
　ｆ　／Δ　（）ｚコ で与えられる。ただし、 Δｆｃ　＝ｆｃ、−ｆ、。

Δｆ、＝α・ΔＩ０ Δｆ　　　＝ｆ、−Ｌ。

である。変化分Δｆ′ｏに対する式が近似式となってい
るのは、（δｆ／Δ［４）［１＋（δｆ／Δｆ）２］が
小さいとしたためで、半導体レーザと通常の光共振器の
組合せではほぼ常に満足されている。したがって、この
組合せでは、レーザ光源の発振周波数はほとんど共振周
波数の変化Δｆ、と同じだけ変化することが分かる。

以上、本発明の原理について説明してきたが、次に、本
発明の利点について説明する。

一般にある物理量Ｇ（電流注入、電圧印加、光照射等）
を制御する場合、制御系の応答速度が同物理１Ｇの変化
にする速度に比べて同等以上である必要がある。ところ
が、本発明が対象とする空間伝搬光に減衰を与える従来
の可変光減衰器では動作速度が遅く、これによって、光
の周波数を変調するときの変調周波数（変調速度）が制
限されてしまう。半導体レーザのようにレーザ光源自体
の変調速度を速くできる場合には、完全に、可変光減衰
器の応答速度が変調周波数を決めることになる。

ところで、応答速度が遅い原因のひとつは、可変光減衰
器を用いて光強度を制御する場合には、駆動信号に対し
て位相が遅れることが許されないためであり、駆動信号
に対する位相遅れを許せば、位相遅れを許さない場合に
比べて、通常１０倍以上高い周波数で動作させることが
可能である。したがって、レーザ光源の周波数および光
強度の制御が充分高速で行えるのであれば、本発明では
、従来の方法に比べて格段に高い変調周波数を得ること
ができる。

次に、本発明の別の利点について説明する。電気光学変
調器、磁気光学変調器、既に説明した光共振器などの光
共振器では、透過率を変化させるために実際に消費され
るエネルギーはきわめて少ない。

例えば、電気光学変調器では電界によって屈折率が変化
するから本来誘電損によってエネルギーが失われるだけ
である。電気光学変調器の駆動信号入力端からみたイン
ピーダンスは容量性であるから、高速な応答を得るため
に低インピーダンスの信号源で駆動するか、あるいは電
気光学変調器に並列に低抵抗を接続するかすると、はと
んどの電力が信号源あるいは並列低抵抗で消費されてし
まう。磁気光学変調器にでも事情は同様で、高速な応答
を得るためには、高インピーダンスの信号源を用いるか
あるいは直列に高抵抗を接続しなければならず、はとん
どの電力が信号源あるいは直列高抵抗で消費されてしま
う。

ところが、本発明では光共振器を単に駆動しておけばよ
く、制御する必要はない。せいぜい光共振器の透過特性
が周囲温度など環境条件の変動などによって変化するの
を補正しなければならない程度で、極く低速の制御が行
えれば充分である。

そのために、先兵振器駆動信号を入力する入力端からみ
たインピーダンスに対して狭周波数帯域で整合がとれる
ような整合回路を付加することができる。例えば、電気
光学変調器で、入力端から見たインピーダンスが容量Ｃ
と高抵抗Ｒの並列回路にみえるとすると、入力端に直列
にリアクタンスＬを接続するような整合回路を設けると
、整合回路への入力電圧の（１＋ＱりＩ／！の電圧が電
気光学変調器に加わる。ただし、 ωＬ／Ｒ＝Ｑ／　（１＋Ｑ”） Ｑ＝ωＣＲ となるようにリアクタンスＬの値を選ぶとし、ωは使用
周波数（変調周波数）である。このとき整合回路の入力
端からみたインピーダンスはＲ（１＋Ｑり−＋ｚｚ となるが、光共振器を駆動する信号源のインピーダンス
とこのインピーダンスの整合をとることは、整合回路の
帯域に対する制限がほとんど無いので容易に行える。

この例で、Ｑが１０２程度とすると、整合回路に人力し
た電圧の１００倍程度の電圧が電気光学変調器に加わる
ことになり、極めて高い電力効率で光共振器を駆動でき
る。

磁気光学変調器に対しても、磁気光学変調器の入力イン
ピーダンスはりアクタンスＬと抵抗Ｒの直列回路にみえ
るから、並列容量からなる整合回路を設けることによっ
て、整合回路への入力端子に対してかなりの大電流を磁
気光学変調器に流すことができる。

第３図に示したような光共振器に対しては、同共振器の
電極間のインピーダンスに対して電気光学変調器と同じ
ような整合回路を設けるか、あるいは同光共振器の機械
的な振動の共振周波数で用いることによって、同様にき
わめて電力効率のよい駆動を行なうことができる。特に
、機械振動の共振周波数で使用する場合には、エネルギ
ーが機械振動のエネルギーとして共振器内に蓄積される
ために微弱な電圧で大きな変調を得ることができる。

（実施例１） 第５図は本発明による実施例であり、レーザの周波数変
調方式のブロック図である。図中、５は光分波器、６は
受光器、Ｓ、は受光器の出力信号、Ｌ　ｏａｒ　　Ｌｏ
ｕｔは光信号Ｌｏｆを光分波器５で分割したもので、光
信号Ｌ　ｏｕＬは系の出力光、Ｌｏｄは受光器６で光信
号Ｌｏｆの強度変調の大きさを監視するために用いられ
る。そのほかの記号は第２図中のものと同様なものを意
味する。

本発明では、受光器６で光信号Ｌｏ４を受光して検出し
た光信号Ｌ０．（従って、光信号し、□）の強度変調の
大きさに関する情報を信号Ｓｐｄから得て、信号Ｓ□と
ともに参照し、調節量ｌの変化量を決め、レーザ光源１
の発振周波数を可変している。すなわち、光共振器７を
予め定めた周期及び変調周波数が定まる偏移幅（共振周
波数）を振っておき、この光共振器７の出射光の光強度
がほぼ一定となるようにレーザ光源ｌの発振周波数を制
御することにより、等測的にレーザ光源ｌを直接周波数
変調するものである。従って、レーザ光源ｌを直接周波
数変調しても光強度がほぼ一定と成るように制御されて
いるため、強度変調の影響によるレーザ光源１の発振周
波数のずれが無くなり、安定な周波数変調が可能となる
。

なお、第６図は本発明に用いる制御回路２の具体的なブ
ロック図である。図中、２１．２２は、それぞれ信号３
９４＋　　Ｓｌ４に基づいて変化ｉｌｌを変化させるべ
き大きさを得るための制御回路、２３は加算器である。

また、Ｓｌｃ、Ｓ□′はそれぞれ制御回路２２．２１の
出力信号である。制御回路２２は、レーザ光源１の発振
周波数ｆ０および光強度Ｐの調節量！に対する依存性、
および信号Ｓ□に基づいて調節量１を変化させる大きさ
を決定している。また、制御回路２１は、レーザ光源ｌ
の発振周波数ｆ、および光強度Ｐの調節量■に対する依
存性、および信号Ｓ□に基づいて調節量Ｉを変化させる
大きさを決定している。加算器２３は信号Ｓｐｄ”とＳ
ｌ、を適当な比率で加算して、レーザ光源１を最適な状
態で制御するための信号Ｓ　ｔｓを作り出す。

なお、第５図に示した実施例では、信号ｓｒａを参照せ
ずに動作することもできる。

（発明の効果） 以上のように、本発明は、レーザ光源１からの出力光の
一方を予め定めた周期及び偏移幅で変化する光共振器７
を通過させた光信号とレーザ光源１の出力光の他方の光
信号との光強度がほぼ一定となるようにレーザ光源１の
発振周波数を可弯して結果として周波数変調することに
より、強度変調の影響を抑制することができる。従って
、周波数変調時に起こる強度変調によるレーザ光源の発
振周波数ずれを防止することができる。

また、従来のように可変光減衰器３を制御するする必要
がないため、高速な周波数変調が可能となると共に周波
数変調度対消費エネルギー効率の高い動作が可能となり
、゛その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザの周波数変調方式によるブロック
図、第２図は本発明の詳細な説明するための原理図、第
３図（ａ）及び（ｂ）は本発明で用いる光共振器の構成
図、第４図は本発明で用いる光共振器の透過率特性図、
第５図は本発明によるレーザの周波数変調方式によるブ
ロック図、第６図は本発明で用いる制御回路の具体的な
ブロック図である。 １・・・レーザ光源、２，２１．２２・・・制御回路、
３・・・可変光減衰器、４・・・光減衰器制御回路、５
・・・光分波器、６・・・受光器、７・・・光共振器、
８・・・先兵振器駆動回路、２３・・・加算器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光源を制御して該レーザ光源の出力光を直
   接周波数変調するレーザの周波数変調方法において、 光共振器の中心共振周波数を中心にして共振周波数を予
   め定めた偏移幅で周期的に変化させ、前記レーザ光源の
   出力光が該光共振器を通過した時の出射レベルがほぼ一
   定となるように前記レーザ光源の発振周波数を制御する
   ことにより、 該共振周波数の変化する偏移幅で定まる周波数で前記レ
   ーザ光源の発振周波数を変調することを特徴とするレー
   ザの周波数変調方法。
2. （２）前記共振周波数を、電歪効果あるいは磁歪効果あ
   るいは圧電効果を有する光共振器に電界を印加するか、
   あるいは磁界を印加することによって偏移させることを
   特徴とする特許請求範囲第１項記載のレーザの周波数変
   調方法。
3. （３）前記共振周波数を、前記光共振器の共振器長を変
   化させることによって偏移させることを特長とする特許
   請求範囲第１項記載のレーザの周波数変調方法。