JPH04100286A - 光周波数安定化光源 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、内蔵するレーザの発振周波数を安定化して
出力する光周波数安定化光源に関し、特に、任意の光周
波数値において、優れた長期周波数安定度および再現性
を示す光周波数安定化光源Ｊこ関する。

Ｃ従来の技術二 近年、多電極Ｄ　Ｆ　Ｂ　（Ｄｉｓｊｒｉｂｕｔｅｄ　
Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザやＤ　Ｂ　Ｒ（Ｄｉｓｔｒｉ
ｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザ
といった周波数（もしくは波長）可変半導体レーザか開
発され、光の領域において周波数をｆｌＪ用する技術か
注目を集めている。例えば、光の領、域での周波数多重
（ＦＤＭ）伝送方式は、光ファイバの持つＴＨｚ以上の
広い伝送可能帯域を有効に利用出来−るため、活発な研
究か進められている（例えば、鳥羽他、：１００チヤネ
ル光ＦＤＭ情報分配伝送系構成法の検討」、電子情報通
信学会光通信ノステム研究会技術報告０Ｃ５８１−６４
，１つ９０参照）Ｃ しかし、一般にレーザの発振周波数の安定度は、電気領
域の発振器と比較して極めて劣悪である。

特に半導体レーザにおいては、その温度係数が典型釣に
は十数ＧＨｚ／度と大きいｆ二め、八とえレーザチップ
の温度を±０．０１度の範囲内に安定化して、も、ぬ−
おＩｆｌＯＭＨ−ｚ以上の周波数揺らぎが観測される。

したがって、例えば光ＦＤＭ伝送方式イこおいて多重を
高密度化する１こめには、レーザの発振周波数を何等か
の周波数基準に基づいて安定化した光源が必要不可欠で
ある。

周波数安定化光源としては、従来から、光共振器を基準
としたものが知られている（例えば、ＪＬ、　Ｐｉｃｑ
ｕｅ他、”Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
　ｃｗ　ｔｕｎａｂｌｅｆｌａＡｓ４ａｓｅｒ、”　Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　ｖ
ｏｌ、２７、　Ｎｏ、６．　ｐｐ、３４０−３４２．１
５　Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ　１９７５）。

般に光共振器の透過率もしくは反射率は、周波数軸上で
周期的に極大らしくは極小を示すので、その極値を与え
、る、光周波数値が、安定化の基準として利用可能であ
る。−例として、ファブリ・ベロ共振器の透過特性を１
．第７図上段に実線で示す。

周期間隔Δνは、ファブリ・ベロ共振器の場合２枚のミ
ラーの間隔である共振器長しによって決定され、もっと
も単純な場合には、 Δシーｃ　／　２　Ｌ　　　　　　　　　　　（１）で
ある。ここで、Ｃは共振器を構成する媒質中での光の速
度である。例えばＬ　−５ｃｒｎとすれば、Δνはおよ
そ３ＧＨｚとなる。ファブリ・ペロ共振器を含めた光共
振器は受動部品のみで構成できるため、その共振特性は
、レーザ、特に半導体レーザの発振周波数に比へ　きわ
めて優れ１こ短期周波数安定度を示す。例、えば、きわ
めて慎重にファブリ・ペロ共振器を構成し、かつこれに
温度安定化を施せば、時間間隔１秒での周波数揺らぎが
１０に−Ｈ，ｚ以下５になる（　Ｊ、Ｈｅ１ｍｃｋｅ他
、“Ｎｅｗ　Ｌｌｌｔｒａ−Ｈｉｇｈ　Ｒｅ５ｏｌｕｔ
ｉｏｎ　Ｄｙｅ　Ｌａ５ｅｒ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅ
ｒ　ＬｉｔｉｌｉｚｉｎＩｇ−ａ　Ｎｏｎ−Ｔｕｎａｂ
ｌｅ　Ｒｅｆｅｒｅ＋＋ｃｅ　Ｒｅ５ａＩ）ａｔｏｒ、
　　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｂ４３．　ｐｐ
８５−９１．１９８７参照）。また、ファブリ・ぺ１口
共振省を含めた先兵、振器のもう一つの利点は、共振器
長を微妙に変化させることにより１．第７図上段に点線
で示し１こようにその特性を微調整できることである。

第８図は、光共振器を用いた従来の簡易な光周波数安定
化光源の原理的な構成を示している。被安定化レーザ、
ＩＯの出力光の一部をビームスプリッタ−１１で出力と
して取り出し、残りを光共振器２Ｄに入射させる。一方
１、被安定化レーザ制御ループを構成する被安定化レー
ザ制御装置１２は、光共振器２０からの透過光強度が極
大もしくは極小となるように、被安定化レーザ１０の発
振周波数をフィードバック制御する。第７図下段は、フ
ァブリ・ペロ共振器の一共振ピーク（周波数νＮ）を安
定化の基準とした場合の例を示している。共振器長を微
妙に変化させるこ、とにより、安定化の光周波数値を、
例えばνＮからνＮ゛のように調整出来る。これ４こ、
基準として利用する共振ピークの選択を組み合わせれば
、任意の光周波数値での安定化が可能となる。

しかし、上述した簡易な光周波数安定化光源は、その長
１期再波数安定度もしくは再現性に１２問題がある。こ
れは、基準となる光共振器の特性が、共振器長の経時変
化に敏感に反応するためである。

例えば、可動部分のないファブリ・ペロ共振器をきわめ
て慎重に構成し、かつ超高精度の温度安定、化を施し１
こ場合でも、なお１ケ月あたり６　Ｍ　Ｈｚ以上のドリ
フトが観測されている（　Ｊ、）ｌｅ１ｍｃｋｅ他、既
出）。したがって、前述し１こ簡易な光周波数安定化光
源で、例えば１力月以上の長期にわｆこって１　（Ｊ　
Ｍ　Ｈ２以内の再現性を、実現ずみことは、きわめて困
難である。

このため、この簡易な光周波数安定化光源の長期安定イ
しもしくは再現性を改善する。目的で、被安定化レーザ
の基準となる光共振器を、もう−台別の基準ν−ザに基
づいて安定化させ７だ光源が、既に報告されている（例
えばＣｈｕａｎ　Ｘｉｅ他、“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓ
ｔａ、ｂｉｌｉｉ７／ａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎ　ＡｌＧ
ａＡｓ　１ａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅｂｙ　ａ　Ｆａｂｒｙ
−Ｐｅｒｏｔ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ　１ｏｃ
ｋｅｄ　ｔｏ　ａｌａｓｅｒ、ｂｅａａ　ｆｒｅｑｕｅ
ｎＣｙ−Ｌｏｃｋｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｄ２１ｉｎｅ　
。

ｆ’　ａ　Ｃｓ　ａｔｏｍｉｃ　ｂｅａｍ、−Ａｐｐｌ
ｉｅｄ　０ｐｔｉｃＳ、　ｖｏｌ、２８゜Ｎｏ、２１．
−ｐｐ、４５５２．−４５５．５．　　ｌ　Ｎ−ｏｖｅ
ｏ＋ｂｅｒ４９８９参照）。

以下、図面を用いてこの従来例の動作を説明する。第９
図に、この従来の光周波数安定化光源の原理構成を示す
。第９図中に示した構成要素のうち、第８図を用いて説
明した簡易な光周波数安定化光源の場合と同じ機能を示
すものについては、同番号を付してその説明を省略する
。

基準レーザ４０の発振周波数は、セシウムビームの吸収
線を基準として安定化される。基準レーザ４０の出力光
の一部をビームスプリッタ−４１で取り出し、セシウム
ビーム３３に照射する。もし基準レーザ４０の発振周波
数かセシウムビーム３３の吸収線の光周波数と−２致し
、ていれば、光の一部が吸収されて、その結果セシウム
ビーム３３５より蛍光が発生する。この蛍光を光検出８
３４で受光し、その検出光電流が極大となるように基準
レーザを、制−御する。これにより、基準レーザ４０の
発振周波数は、セシウム原子内の電子準位によって定、
まる一定の光周波数値に安定化される。すなわち、基準
レーザ４０．ビームスプリッタ４１゜セシウムビーム３
３．光検出器３４により、その比力光層２波数が長期２
的に安定であるマスタレーザ３００が構成される。この
マスタレーザ３００の出力−は、ビームスプリッタ４３
で被安定化レーザ１０の出力と合波されて光共振器２０
に導かれる。

そして、光共振器２０を透過した基準レーザの光強度が
極大となるように、光共振器制御装置２２が先兵振器制
御ループを構成する。

以上説明した従来の光周波数安定化光源における安定化
の相互関係を、模式化して第１０図に示した。基準レー
ザの発振周波数（Ｂ）は、セシウム、の吸収線に基づく
蛍光特性（Ａ）の極大点ν。

に安定化され、光共振器の共振特性（Ｃ）は、その１つ
、の共振ピーク、が基準、レーザ（、Ｂ）に安定化され
、被安定化レーザの発振周波数（Ｄ）は先兵５振器の共
振特性（、Ｃ）の１つの共振ピークに安定化される。原
子（もしくは分子でもよい）の吸収線は、一般−に優れ
た長期安定度を示すため、基準レーザにおいては、例え
ば１力月以上の長期にわまたって、も、２容嬰に＝１　
、０　、Ｍ　Ｉ−Ｌｚ−以内の周、波数再現性を実現す
ることが可能である。そして、光共振器を介し、て１．
被安定化レーザもまた、７同様な１周波数再現性を示す
。こうして、周波数再現性の優れた光層５波数安定化光
源が実現されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した基準レーザを用いる光周波−敗
安定化光源では１．光、共振器の共振特性がある特定の
光周波数値ν、に基づいて固定されるため、共振特性の
微調整が出来ない。即ち、安定化可能な光１周−波数値
が、光共振器の周期特性の極値に制限される。

この発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、任意
の光周波数、値に右いて、優れた７周波数再現性を示す
光周波数安定化光源を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記目的を達成するため、被安定化↓−ザ
を光共振器Ｊこよって１．光７共振器を基準レーザによ
ってそれぞれ安定化させる光周波数安定化光源２におい
て、もう−１台別のレーザを備えて基準レーザと組み合
わせることにより、優れた周波数再現性を示す周波数可
変光源としたことを、その最も主要な特徴とする。すな
わち、上記目的を達成するため１．請求項、１．記−載
の発明は、そ、の発振周波数が長期的に安定であるマス
タレーザと、前記マスタレーザと基準レーザの出力とか
参照信号を検出する光ヘテロダイン検出手段と、参照信
号を発生す４参照信号発注手段と、前記ビート信号の周
波数もしくは位相を前記参照信号の周波数もしくは位相
に基づいて安定化させるための基準レーザ制御ループを
構成する基準レーザ制御装置とを備えてなることを特徴
としている。

また、請求項２記載の・発明は、スレーブレーザ制御装
置によって発振が制御されるスレーブレーザと、前記基
準レーザと前記スレーブレーザの出力とか参照信号を検
出する光ヘテロゲイン検出手段と、参照信号を発生する
参照信号発生手段と、−前記ビート信号の１周波数もし
くは位相を前記参照信号の周波数もしくは位相に基づい
て安定化させるため、のス↓−、ブルーザ制御ループを
構成する前記スレーブレーザ制御装置と、入射される光
が特定−の周波数、値と一致する場合にその出力が極大
もしくは極小となる光周波数基準特性提供手段と１．前
記凋波数基準特性提供手段、にスレーブレーザの出力光
の一部を入射し、基準レーザの発振局、波数を前記特定
の周波数値に基づいて安定化するための基準レーザ制御
ループを構成する基準レーザ制御装置とを、にえてなる
ことを特徴としている。

〔作用〕

この発明においては、従来の光周波数安定化光源と同様
に、被７安定化−レーザの発振周波数が光共振器に、ま
た光共振器が基準レーザの発振周波数に、それ、ぞれ安
定化される。

請求項１記載の発明による光周波数安定化光源の原理構
成菱、第１２図に示す。光ヘテロゲイン検出手段５００
によって、基準レーザ４００とマスタレーザ３００との
１発振１周波数差が、ビート信号の周波数として検出さ
れる。そして基準レーザ制御ループを構成すみ基準レー
、ザ、制御装置４２０は、このビート信号の周波数もし
くは位相が、参照信号発生手段ＪＯ８の出力す、る、参
照信−号、の周波数もしくは位相を基準として一定値と
なるように、基準レーザ４０，０の発振２周波数を、フ
ィードバック制御する。こうして、基準レーザ４００は
マスタレーザ３００にオフセットロックされる。すなわ
ち、その発振周波数ν１．は、マスタレーザ、３００の
発振周波数シュ、から例えば参照信号の周波数だけオフ
セットされた値となる。

第２図に、請求項１記載の発明による光周波数安定化光
源の、光周波数装置の一２例−を示す。マスタレーザは
、ある特定の周波数値νθで発振してい、る（（、Ａ）
）。基準↓−ザ、は、マスタレーザに対して電気の参照
信号の周波数ｆ　ｔｍだけオフセットされた値に安定化
される。（（Ｂ）実ａ）。光７共振、器の共振特性は、
その一つのピークが基準レーザに安、定化される（（Ｃ
）実線）。被安定化レーザは、光共振器の共振特性の他
のピークに安定化される（−（Ｄ）Ｊ線）。一般に電、
気の参照信号の７周波数は、マスタレーザの発振周波数
に比べて十分安定に再−現出一来石ので１．基準レーザ
の周波数−再現性はマスタレーザとほぼ同等に出来る。

また、参照信号の周波数は、７周、波−敗シシセサイザ
等を用いれば任意の値に設定できるので、ビート信号が
検出可能な範囲内であれば、導、２図（２Ｂ）に点、線
で示したように、基準レーザの発振周波数を自由に調整
出来る。そして、これに伴って光共振器の特性も第２図
（Ｃ）に点線で示したように調整され、最終的４こ被安
定化レーザの発振周波数の調整が可能となる（Ｄ）。し
たがって、このｆ　ｒｓによる調整と、安定化する共振
ピークの選択とを組み合わせることにより、任意の光周
波数値で安定化、可能で、かつマスタレーザとほぼ同等
な周波数再現性を有する光、肩波数安一定化光源が構成
される。

また、請求項２記載の発明による光周波数安定化光源の
原理構成２および形層波数配置の一例を、それぞれ第３
図、第４図に示す。光ヘテロダイン検出手段５．０．０
　ｉごよって、基準レーザ４００とスレーブレーザ７０
０との発振周波数差が、ビート信号の周一波数として検
出さ、ねる。スレーブレーザ制御ループを構成するスレ
ーブレーザ制御装置７２ｆ：Ｊは、こ、のビート信号の
一周波数もしくは位相が、参照信号発生手段６００の出
力する参照信号の周波数も、シ＜は位相に基ついて一定
となるように、スレーブレーザをフィードバック制御す
る。こうして、スレーブレーザ７００は、基準レーザ４
０Ｄにオフセットロックされる（第４図Ｂ参照）。

このスレーブレーザの出力光は光周波数基準特性提供手
１段８１Ｊ）に入射され、基準ループ制御装置８２０を
経て基準レーザ制御ループを構成する。

すなわち、基準レーザ４００は、光周波数基準特性提供
手−段の与える。基準値、ν、から、例えば参照信号の
周波数ｆ　ｒｓだけオフセットロックされた値に安定化
され、る（７第４図Ａ′参照）。以下、この基準レーザ
の出力により、光共振器および被安定化レーザが安定化
される過程は、請求項１記載の発明による光源と同様で
ある。

なお、２台のレーザとオフセットロック技術を用いて特
定の基準周波数、値の近傍で任意の値に安定化された光
を発生する周波数可変光源は、例えば石田等、によって
５特願昭、６−３−．３０４２．１３に報告されている
。この発明は、この周波数可変光源と、光共振器を利用
した従来の光７周波数安定化光源とを組み合わせて、安
定化可能な周波数範囲か著しく拡大さ７れた優れ１こ光
周波数安定化光源を提供するものでもある。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明の実施例について、詳
細に説明する。

第５図は、この発明の第１実施例の構成を示すブロック
図であり、請求項１記載の発明による光周波数安定化光
源の構成例を示している。第５図において、ｌ０１０は
被安定化レーザ、１２０は被安定化レーザ制御ループを
構成する被安定化レーザ制御装置、２００は光共振器、
２２０は光共振型制御ループを構成する光共振器制御装
置、３００はマスタレーザ、４００は基準レーザ、４２
０は基準レーザ制御ループを構成する基準レーザ制、御
装置、５０，０は光ヘテロゲイン検出手段、６００は参
照信号発生手段である。

被安定化レーザ１００は、後述する被安定化レーザ制御
信号Ｅ　ｓｔの入力、により、内蔵されるレーザ素子の
発振周波数ν、、が光共振器の透過特性の、極値を与え
る凋波数と等しくなるようにフィードバック制御される
レーザであり、例えば後面に無反射コーティングを施し
た半導体レーザ素子１０１と、半導体レーザ素子＋０１
の後面からの出力光を波長選択して再び素子に帰還させ
る回折格子１℃２と、回折格子１０２の位置や傾きを微
妙に変化させるピエゾ微動装置１０３と、半導体レーザ
素子ＩＤＩの前面から出力する光を透過させる一方で反
射戻り光を減衰させるアイソレータ１０．４とから構成
されている。ま１こ、光カブラ１１０は、被安定化レー
ザ１００の出力光の一部を、光７周波数安定化光源の出
力として取り出すために用いられる。さらに被安定化レ
ーザ制御装置１２０は、被安定化７レーザ制御信号Ｅ’
ｓｔを発生させる装置であり、例えば、フォトダイオー
ド１２１と、コツクイ、ンアンブ、１２２とか、ら構成
される。

光共振器２００は、被安定化レーザの発振周波７数安定
化にその共振特性が利用される一方で、後述する光共振
型制御信号Ｅｉｎの入力により、その２共−振特、性が
２後述する基準ループの発振周波数ν１゜に基づいて安
定化される共振器であり、例えば石英導波路型リング共
振器２．０１．！：、リング部分の導波路の一部を加熱
もしくは冷却してリング長を変化させるためのヒー、タ
ー２，０２とから構成される。また、低周波発振器２１
０は、ヒーター２０２により光発振器２００の透過特性
を例えばｆ４．５００　Ｈ７，で変調するために用いら
れる。さらに光共振器側、ａｌｌ装置２２，０は、先兵
振器制御信号Ｅｌｎを発生させる装置であり、例えば、
フォトダイオード２２１と、ロックインアンプ２２２と
から構成される。

マスタレーザ３００は、内蔵するレーザ素子の発振周波
数ν、６を再現性の、良い周波数基準光として用いるレ
ーザであり、例えば半導体レーザ素子３０１と、アイ、
ソルータ３０２と、光カプラ３０３と、アセチレン（Ｃ
ｓＨｔ）が封入されたガスセル３０４と、フォトダイオ
ード３，０５と、ロックインアンプ３０６とから構成さ
れる。また、低周波発振器３４０は、半導体レーザ素子
３０１の発振周波数ν、、ａを、例えば周波数ｆａ＋ａ
＝ｌｏｋＨｚで変〜調するために用いられる。

基準レーザ４００は、後述する基準レーザ制御信号Ｅ　
ｒｓの入力により、内包されるレーザ素子の発振層２波
数クア、がマスタレーザ３００の発振周波数ν、ａから
一定の周波数値たけオフセットされた値と等しくな、る
ように糾御されるレーザてあり、例えば半導体レーザ素
子４０１と、アイソレータ４．０２とから構成される。

また、光カブラ４１０は、基準レーザ４００の出力を２
分岐するために用いられる。さらに基準レーザ制御装置
４２０は、後述する光ヘテロゲイン検出手段５００の出
力するビート信号と参照信号発生手段６００の出力する
参照信号とから基準レーザ制御信号Ｅ１゜を発生させる
装置であり、例えば、ミキサ４２１と、■Ｆ発振器４２
２と、位相比較器４２３と、ルーブフィ、ル、り４２４
とから構成される。

光ヘテロダイン検出手段５００は、マスタレーザ３００
−の出力、光と、基準レーザ４００の出力光の一部とを
入力して、光ヘテロダイン検波により電気領域のビート
信号を出力する手段であり、例えば両光を合波する光カ
プラ５０１と、合波された両光−を−緒に光電変換す、
るフォトダイオード５０２とから構成される。

参照信号発生手段６００は基準レーザ４００をマスタレ
ーザ３００にオフセットロックする際のオフセット量の
基準となる参照信号を発生する手段であり、例えばマイ
クロ波周波数シンセサイザ６０１により構成される。

次に、上記構成による被安定化レーザの発振周波数安定
化の動作、を、順をおって説明する。

まず、マスタレーザ３００の動作を説明する。

半導体レーザ素子３０１は、例えば波長１５３１゜５９
ｎｍ近辺で発振し、かつその発振周波数ν、。

は、低周波発振器３１０からの信号により、変調周波−
散、ｆ　ｗ？＊＝　１８．ｋＨｚで１周期的に揺り動か
されている。すなわち、周波数変調されている。この先
の−１部をア、セチレンーの２封入されたガ、スセル３
０４に入射し、その透過光強度をフォトダイオード３０
５で検出する。もし半、導１体、レーザ素子３０１の発
振周波数がアセチレンの吸収ピークかられずか４こず−
れ−ていると、検、出される一光電流は周波数ｆ１ａで
変動する。したがって、この変動をロックインアンプ３
０６で同期検波し、変動が検出されない、ように半導体
レーザ素子３０１にフィードバックすることにより、そ
の発振周波数は、アセチレン分子固有の吸収特性ピーク
値に安定化される。

同期検波により発振周波数と吸収特性ピーク値のず−れ
を高感度に検、出できるため１１１例えば周波数変調の
周波数偏移を５０ＭＨｚ程度に選ぶことにより１．容扇
１こＭＨｚオーダーの、中心周波数安定度が実現可能で
ある。

次に、基準レーザ４００をマスタレーザ３００にオフセ
ットロックす、る動作を説明する。基準レーザ４００内
の半導体レーザ素子４０１は、光周波数ν、、の２−近
傍、のり１．で発振している。光、カブ、う５０１で両
レーザの出力光は合波され、フォトダイオード、５０２
で、光ヘテロゲイン検波される。検出されるビート信号
の周波数ｆ、は、両レーザの発振周波数差に相当し、 ｆｂ＝　ν、６−シ、、＋　　　　　　　　（２）であ
る。周波数ν、１〈ν、。の場合でも、原理上動作する
。が１．以下、便宜上周波数νｍａ＜シフ、の場合を仮
定して説明する。基準レーザ制御装置４２０は、マイク
ロ波２周２波数シーンセサイザ、６０１の出力する参照
信号に基づいて、ｆｂが一定値となるように基準レーザ
４００の発振周波数ν、をフィードパノック制御する。

ビート信号は、ミキサ４２１により参照信号を用いて中
間周波数信号に変換され、る。ここで中１間周波数信号
の周波数は、ビート信号と参照信号の差（もしくは和）
となる。この中間周波数信号と、ＩＦ’発振器４２２の
出力する周波数ｆ　ＩＦの信号とを位相比較器４２３に
入力し、そ−の位相差をループフィルタ４２４を介して
フィードバックすることにより、位相同期ループ（ＰＬ
Ｌ、）、が形成される。このＰＬＬにより、基準レーザ
４００の発振周波数は、例えば ν、。＝ν□十ｆＸＦ十ｆｒｅ　　　　　　　　（ｓ　
）にオフセットロックされる。既にＯ，ｌ５ｉｄａ他ｒ
　Ｌｉｇｈｔｗ、＆ｖｅ　　・５ｃａＬａｒ、ｔ＋ｅｔ
ｕｏｒｋ　　・ａｒｐａｌ−ｙｓｅｒ　　ｅＢｌｏｙｉ
ｎｇ　　ｏｐｔｉｃａｌ　ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ　ｄｅ
ｔｅｃｔｉｏｎＪ　　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ、　ｖｏｌ、、２６．　Ｎａ、−５，−１＞
ｐＪ９７−２９８．１！Ｌ！１１０）に報告されている
ように、デジタル型の位相比較器を用いることにより、
位相雑音の大きい半導体レーザを用いても容易に１ｏＯ
ｋＨｚ以内の精度でオフセットロックすることが可能で
、さらに、ｆ、、。を５　（：、　Ｈ，ｚ程−度変化さ
せることもてきる。ｆｒｙとｆｒ、はともに電気の周波
数であるため、ＭＨｚ以下の安定度もしくは再現性は容
易に実現できる。したがって、基準レーザ４００は、マ
スタレーザとほぼ同等の一長期周５波数安定度や、再現
性を示す。なお、マスタレーザ３００か周波数変調され
ているので、ＰＩ、Ｌのループ帯域をｆ　ｍａより大き
く、例えば２００　ｋＨｚ程度に設定しておくことによ
り、基準レーザ４００の出力も同じ変調周波数ｆ　ｗａ
で変調される。

次に、光共振器２００を、基準レーザ４００の発振周一
波ＲＪＪｒ＋に基づいて安定化す−る動作を説明する。

基準レーザ４００の出力は、光カブラ４１０を介してそ
の一部、が、リン、グ共振器２０１に入射される。そし
てリング共振器からの透過光強度が、−）、オド、ダイ
オ−下２２１で検出される。ここで基準レーザ４００は
周波数変調されているので、もしその中心周波数がリン
グ共振器２０１の共振ピークからずれていると、検出さ
れる光電流も周期ｆ、、、で振動する。したがって、こ
の変動をロックインアンプ２２２で同期検波し、振動が
検出されないようにヒータ２０２を介して光共振器２０
０にフィードパ、ツタすることにより、その１つの共振
ピークが、基準レーザの発振周波数ν１．に安定化さ、
れ、る。ここでフィードバックの一帯−域は、後述する
低周波発振器２１０の出力周波数ｆ１ｎよりも小さく、
例えばｔｏｏ）ｆｚ程度とする。

最後に、被安定化レーザ１００を、光共振器２００に基
づいて安定化する動作を説明する。半導体レーザ素子１
０１は、回折格子１０２と組み合わせて広い周波数範囲
（波長範囲）で発振可能な外部共振器レーザを構成する
。ここでピエゾ微動装置−１０，３に加える電圧を変化
させることにより、１０００ＧＨｚ以上にわたってその
発振周波数をチ、ユーニングすることが出来る（例えば
、Ａ、Ｔ、Ｓｃｈｒｅｍｅｒ他、　　”Ｅｘｔｅｒｎａ
ｌ−ｃａｖｉｔｙ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　１ａ
ｓｅｒ　ｗｉｔｈ　１０００　ＧＨｚ　ｃｏｎｔｉｎｕ
ｏｕｓ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｕｎｉｎｇ　
　ｒａｎｇｅ、　　’″ＩＥＥＥ　　Ｐｈｏｔｏｎｉｃ
ｓ　　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　　Ｉｅｔｔｅｒｓ、　ｖ
ｏｌ、２．　ｐｐ３−ｓ、　１９９０参照）。その出力
光の一部は、光カブラ１１０を介して光共振器２００に
人、射さ、れる。そしてリング共振器２０１からの透過
光強度が、フォトダイオード１２１で検出される。ここ
で１．ヒーター２０２を低周波発振器２１Ｏの出力によ
り周期ｆ　（ｎｌ：　５００　Ｈｚで熱したり、冷やし
たりして、光共振器の、透過特性をわざと微妙に変動さ
せる。もし被安定化レーザｌＯＯの発振周波数ｐ、ｔが
リング共振器２０１の共振ピークからずれていると、検
出される光電流にも周波数ｆ　ｔ？＋で振■すみ成分力
（含まれる。そして、その振動の振幅は、ずれが小さい
範囲ではν１．と共振ピーク℃ずｔに、比例し、一方そ
の振動の位相はν５．と共振ピークの相対位置に応じて
反転する。しｒごかって、この、振、幅及び位相をロッ
クインアンプ１２２で同期検波し、それを誤差信号とし
て被安定化レーザ１００をフィードバック制御すること
により、被安定化レーザ１００の発振周波数ν、。

は１．無変調−のままで、光共振器２００の１つの共振
ピークの光周波数値に安定化される。

以上に説明したように、−上述した第１実施例によれば
、被安定化レーザの発振周波数は、光共振器および基準
レーザを仲立ちとして、マスタレーザに基づいて安定化
される。すなわち、原子の吸収線に基づいた優れた長期
周波数安定度もしくは再現性が実現される。一方、被安
定化レーザの基準となる光共振器の共振特性は、基準レ
ーザとマスクレーザーのオフセットロックを７調整する
ことにより、例えば５ＧＨｚ程度の範囲内であれば、任
意の値−にチューニングすることが可能である。したか
って、例えば５　Ｇ　Ｈｚ間隔の周期的特性を示すリン
５グ共振器を用いれば、被安定化レーザを安定化する共
振ピークの選択と、共振器のチューニングを期み合わせ
ることで、任意の光周波数値での被安定化レーザの安定
化が可能となる。

なお、上述した第１実施例において、光ヘテロゲイン検
出手段５００に、おいてビート信号を検出する際には、
両入力光の偏波状態が極カ一致するように注意する必要
があり、。光配線及び光カブラ類は、偏波保持ファイバ
および偏波保持ファイバカプラを用いることが望ましい
。もちろん、光カプラのかわりにハーフミラ−を用いて
、光空間配線を用いても良い。

また、同第１実施例においては、マスタレーザの周波数
基準としてアセチレンを封入した２ガスセル３０４を用
いたが、シアン化水素などの他の分子や原子が封入され
几セ、ルを用いても良く、ま１こ、クリプトン原子の光
ガルバノスペクトルのように放電電流から誤差信号を検
出するタイプの周波数基準を用いてし良い。また、飽和
吸収等の、より高精度な１周波数−誤差検出が可能な現
象を利用したマスタレーザ３００を用いても、もちろん
良い。

ま１こ、同第１実施例においては、石英導波路型のり一
シダ洪、振器２．２１を用いているか、ファブリ・ペロ
共振器を用いても良い。さらに、被安定化レーザを光、
共振器に安定化する際に、は、光共振器の特性を変調し
て被安定化レーザ制御信号Ｅ　ｓ　ｃを同期検出して、
いる７が、これ、は例えばＪ、、ＨｅＬｏｉｃｈｅ等（
文献既出）が用いているように、被安定化レーザの出力
光を位相変調し、光共振器からの反射光を利用して安定
化する手法を用いても良く、この場合には低周波発振器
２１０による光共振器の変調が不要となる。

また、同第１実施例においては、マスタレーザ３００は
１、その出力が周波数変調されるように構成されている
が、この代わりに無変調の出力光が得られるような肩波
数安定イヒルーザを、利用しても良く、その際には、光
共振型制御装置２２０において、マスタレーザの、変７
調周波２数の代わりに低周波発振器２１０の周波数をロ
ックインアンプ２２２に鼾えて光共振器−制御信１号Ｅ
１．イを同期検出すれば良い。

また、同図第１実施例において基準レーザ制御装装置４
２０では、ビート信号と参照、信号の位相を比較してＰ
ＬＬを構成しているが、この代わりにビー、ト信号と参
照信号の周波数を２比較してその差を一定値に保つよう
に構成しても良い。

第６図は、この発明の第２実施例の構成を示す図であり
、請、末項２記毅の発咀による。光周波数安定化光源の
構成例を示している。この第２実施例が、前述し１こ第
１実２施２例と異なる点は、マスタレーザの代わりにス
レーブレーザが用いられ、かつ基準レーザを安定化する
制御ループの構成が異なることにある。これに伴い、基
準レーザが無変調で安定化され−る１こめ、光−共、振
、器を基準レーザに安定化する制御ループにも、若干の
差異がある。

次に、この第２実施例の構成及び動作を、前述した第一
実施例と異なる部分についてのみ、説明する。

７００は基準レーザにオフセットロックされるスレーブ
レーザ、７２℃はスレーブレーザ制御ループを構成する
スレーブレーザ制御装置、８１０は光層波激基準特性供
給手段、８２０は基準レーザ制御ループを構成する基準
レーザ制御ループである。

スレーブレーザ７００は、内蔵するレーザ素子、の発振
周波数、ν、１が後述するスレーブレーザ制御信号Ｅｓ
ｔの入力に従って制御されるレーザであり、例えば、半
導体レーザ素子７，０１と、アイソレータフ０２とから
構成される。また、スレーブレーザ制−御装置７２０は
、−第１実施例における基準レーザ制御装置４２０と同
様な構成を有する。光周波数基準供給２手７段２８１０
は、入射される光がある特定の光周波数値と一致する場
合にその出力が極大もしくは極小を−示す手段であり、
例、えば、アセチレンが封入されたガスセル３０４で構
成される。

基準レーザ制御装置８２０は、光周波数基準提供手３２
．８　Ｉ　Ｏの出力を元に、これが常に極小もしくは極
大となるように基準レーザ４００の発振局、波数をフィ
ードバック制御する基準レーザ制御信号Ｅ、、。を生成
する装置であり、例えばフォトダイオード２８２１と、
ロックインアンプ８２２とから構成される。

次に、この第２実施例の動作を説明する。

スレーブレーザ７００の発振周波数ν、１は、スレーブ
レーザ制、御２装置７２０−の働きにより、基準レーザ
４００にオフセットロックされ、例えば、Ｊ７．、飄ｋ
ｙ＊−（ｆｔｐ＋ｆｒ、）（４）に安定化される。なお
オフセットロック動作は、第１実施例において基準レー
ザをロックする動作としてＲ４こ詳細に説明した。ここ
で、ＩＰ発振器４２２の発振周波数を、例えばｆｐＭ＝
１０ｋＨｚで周波数変調す２ると、スレーブ２レーザ７
００もｆ■で周波数変調される。

一方、このスレーブレーザ７００の出力の一部は、光−
カブラフ１，０で分岐され１．ガスセル３０４に入射さ
れ、その透過光強度がフォトダイオード３０５で検出さ
れる。ガスセル３　、、ＯＡは、アセチレンが封入され
ているので、例えば波長１５３１５９ｎｍ近傍、の特定
周波数値νヶで５極大となる吸収特性を示す。ここで、
スしノーブレーザ７００は周波数、変調さ−れ−てい、
るので、スレーブ２レーザの中心周波数がこのアセチレ
ンの吸収ピークからずれ、ていると、フォトダイオード
８２１の出力中に周波数ｆＦＭの変動が観測される。し
たかつて、この変動が観測さｔない７ように基準シープ
の発振周波数をフィードバック制御することにより、そ
の発振２周波数、クア、は１．特定周波−数値ν、から
オフセットされた値、例えば シｒ、、−シａ＋　　ｆ　　ＩＦ＋　　ｆ　ｒ−（５）
に安定化される。ｆｌＦとｆ　ｒａは共に電気の周波数
である１こめに、ＭＨｚ以下の安定度もしくは再現性が
容易に実現される。したがって、以上説明し１こ動作に
より１．基準ルーザ４，００は、アセチレン分子の吸収
特性に基づいた優れた長期周波数安定５度および再現性
を示す。また、第１実、施例の場合と同様に、マイクロ
波周波数シンセサイザ６０１の出力す、る参照信号の１
周波数ｆ　ｔｍ’を変化させることにより、（５）式に
基づいて、例えば５ＧＨｚ程１度の範囲イこわたって基
準レーザの発振周波数を任意に設定することが可能であ
る。

一方、基準レーザ４００の出力は、第一実施例と４よ、
異なり２周波数変−調さ、れていない。このため、光共
振器制御装置２２０において光共振型制御信号−Ｅ’ｉ
ｎを検壮する際には１．低周７波５発振蓋２−１０から
の信号を同期検出の基準として用いている。

以下、基準レーザに基づいて光共振器２００を安定化し
、さらに光共振器２００に基づいて被安定化レーザ１０
０を安定化する過程は、第一実施例と全く同様である。

また、被安定化レーザを安定化する共振ピークの選択と
、共振器のチューニングを組み合わせることで、任意の
光周波数値での被安定レーザの安定化が可能であること
も、同第一実施例と同様である。

また、同第二実施例においては、周波数基準提供手段８
４．Ｄとし、て１．アセチレンを封、大したガスセル３
０４を用いたが、シアン水素など他の分子や原子が、封
入されたセルを用いても良く、また、クリプトン原子の
光カルバノスペクトルのように、放電、電流から誤、差
信号を一検出するタイプの周波数基準を用いても良い。

〔発明−の、効果〕

以上詳述したように、請求項１記載の発明は、その発振
周波数が長期的に安定であるマスタレーザ、と、前−記
マスタルーザと前５記基準レーザの出力とか参照信号を
検出する光ヘテロゲイン検出手段と、参照、信号を発生
す２る参照信号発生手段と、前記ビート信号の周波数も
しくは位相を前記参照信号の周波数もしくは位相−に基
づいて安定化させるための基準レーザ制御ループを構成
する基準レーザ制御装置とを備えたものであり、まｆコ
、請求項２記載の発明は、スレーブレーザ制御装置によ
って発振を〜制御さ２れるスレープレー、ザと、前記基
準レーザと前記スレーブレーザの出力とか参照信号を検
出する光ヘーテロダイン検出手段と、参照信号を発生す
る参照信号発生手段と、前記ビート信号の周波数もしく
は位相を前記参照信号の周波数もしくは位相を基準とし
て安定化させるためのスルーブレーザ制御ループを構成
、する前記スループレーザ制御装置と、光の周波数基準
特性を提供−する光層、波数基準特性提供手段と、前記
光周波数基準特性提供手段にスレーブレーザの出力光を
入射し、基準ループの発振周波数を前、記２光の周波数
基準特性に基づいて安定化させるための基準レーザ制御
ループを構成する基準レーザ制御装置とを備えたものな
ので、優れた長期周波数安定度及び再現性を、任意の２
光５周波数値で実現することか可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１記載の発明の原理構成を示すブロック
構成図、第２図は同発明の光源の光周波数配置を説明す
る図、第３図は請求項２記載の発明の原理構成を、示す
ブロック構成図、第４図は同発明の光源の光周波数配置
を説明する図、第５図は請求項１．記載の発明の２実施
例である第１実施例を示すブロック構成図、第６図は請
求項２記載の発明の実施例である第２実施例を示すブロ
ック構成図、第７図はファブリ・ペロ共振器の透過特性
及び被安定化レーザの発振周波数を説明する図、第８図
は従来の簡易な周波数安定化光源の原理構成を示すブロ
ック構成図、第９図は従来の周波数安定化光源の原理構
成を示すブロック構成図、第１Ｏ図は従来の、光周波数
安定化光源の光周波数配置を説明する図である。 １００・・・・・被安定化レーザ、１２０・・・・・被
安定、化−レーザ制御装置、２．０．０・・・・・・光
共振器、２２０・・光共振器制御装置、３００・・・・
・・マスタレーザ、４℃０・・・・・・基、準ルーザ、
Ａ２０・・・・・基準レーザ制御装置、５００・・・・
・・光ヘテロゲイン検出手段、６００・・・・・・参照
信号発生手段、７００・・・・・・スレーブ−レーザ、
７２．０・・・・スレーブレーザ制御装置、８１０・・
・・・・光周波数基準特性提供手段、８２０・・・・・
・基準シーザ、制御装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）その光発振周波数を安定化させられる対象である
   被安定化レーザと、その透過光もしくは反射光の強度が
   周波数軸上で周期的に変化する光共振器と、前記被安定
   化レーザの発振周波数を前記光共振器に基づいて安定化
   させるための被安定化レーザ制御ループを構成する被安
   定化レーザ制御装置と、 基準周波数で発振する基準レーザと、前記光共振器を前
   記基準レーザの発振周波数に基づいて安定化させるため
   の光共振器制御ループを構成する光共振器制御装置とを
   備えた光周波数安定化光源において、 特定の光発振周波数を長期的に安定に維持するマスタレ
   ーザと、 前記マスタレーザと前記基準レーザの出力とか参照信号
   を発生する参照信号発生手段と、 前記ビート信号の周波数もしくは位相を前記参照信号の
   周波数もしくは位相に基づいて安定化させるための基準
   レーザ制御ループを構成する基準レーザ制御装置と を備えたことを特徴とする光周波数安定化光源。
2. （２）その光発振周波数を安定化させられる対象である
   被安定化レーザと、その透過光もしくは反射光強度が周
   波数軸上で周期的に変化する光共振器と、前記被安定化
   レーザの発振周波数を前記光共振器に基づいて安定化さ
   せるための被安定化レーザ制御ループを構成する被安定
   化レーザ制御装置と、 基準発振周波数で発振する基準レーザと、前記光共振器
   を前記基準レーザの発振周波数に基づいて安定化させる
   ための光共振器制御ループを構成する光共振器制御装置
   とを備えた光周波数安定化光源において、 スレーブレーザ制御装置によって発振を制御されるスレ
   ーブレーザと、 前記基準レーザと前記スレーブレーザの出力とからビー
   ト信号を検出する光ヘテロダイン検出手段と、 参照信号を発生する参照信号発生手段と、 前記ビート信号の周波数もしくは位相を前記参照信号の
   周波数もしくは位相を基準として安定化させるためのス
   レーブレーザ制御ループを構成する前記スレーブレーザ
   制御装置と、 光の周波数基準特性を提供する光周波数基準特性提供手
   段と、 前記光周波数基準特性提供手段にスレーブレーザの出力
   光を入射し、基準レーザの発振周波数を前記光の周波数
   基準特性に基づいて安定化させるための基準レーザ制御
   ループを構成する基準レーザ制御装置と を備えたことを特徴とする光周波数安定化光源。