JPH07109916B2 - 光強度安定化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、光源の光強度を安定化するための光強度安定
化装置に係り、特に、光強度を直接変調することが不可
能な光源を用いた場合に適用するのに好適な光強度安定
化装置に関するものである。

【従来の技術】

レーザは、その平行性、強度及びスペクトル純度等の特
色により、理化学実験や産業分野において広く用いられ
ている。しかしながら、フオトメトリツク校正や高い精
度での測定を行なおうとすると、光強度の揺らぎが問題
となる。この揺らぎは、電動の変動、熱的原因による共
振器長さの伸び縮みやモード競合に基づく変動、ガスレ
ーザではプラズマノイズや、光励起の不安定さによる変
動、水冷式レーザでは冷却水の流れが共振によつて発生
するマイクロフオニツクノイズによつて発生する。又、
色素レーザでは、色素溶液中に気泡が生じたり、濃度の
不均一さによりスパイク発振が起き易くなつており、通
常10％以上変動する。 光源の光強度を安定化するに際して、光源の光強度自体
を直接変調することが可能な場合、例えば光源がレーザ
ダイオード等から成る場合には、光源より得られる光の
一部をモニタして、光源の駆動装置に負帰還をかけるこ
とによつて、目標とする光強度に収束させることが可能
である。 しかしながら、他のレーザ光源においては、光源自体の
光強度を直接変調することは不可能であり、従つて、光
源とは独立に光強度を安定化する必要がある。 このような目的で用いられている従来の光強度安定化装
置は、例えば第13図に示す如く構成されている。この装
置において、光源10からの出射光は、偏光子12に通され
て、単一の偏波面成分が抜き出される。その後、印加す
る電気信号によつて、偏光状態を制御できる光変調器1
4、例えばポツケルスセルに入射する。光変調器14から
出た光は、前記偏光子12が透過させる偏波面成分と例え
ば直交した偏波面成分を検出する検光子16を経て光分岐
器18に入射される。光分岐器18によつて２分された光の
一方は出射光となる。他方は、光強度検出器20で光強度
が検出され、増幅器22で必要に応じて増幅された後、制
御信号発生器24によつて、負帰還信号に変換され、前記
光変調器14に印加される。ここで、負帰還信号として印
加するのは、光強度がΔｉだけ増大した際に、光変調器
14が偏波面を回転させて、検光子16を通過する光強度が
Δｉだけ減少する方向に制御するためである。 しかしながら、このような従来の光強度安定化装置にお
いては、偏光子12及び検光子16を必要とするため、光学
系が複雑となり、光強度安定化装置を構成する部品が多
い。又、光変調器14には、増幅機能はなく、透過率制御
であるため、第14図に示す如く、出射の光強度は減少
し、安定化によつて得られる最大光出射は、強度揺らぎ
をもつレーザ光の最小強度によつて決まつてしまう等の
問題点を有していた。

【発明が達成しようとする課題】

本発明は、前記問題点を解消するべくなされたもので、
簡単な構成で、光源の光強度を安定化して光強度の揺ら
ぎを減らすことができ、光強度が光源の最小強度によつ
て制限させることがなく、しかも、制御部の利得の調整
が容易な光強度安定化装置を提供することを目的とす
る。

【課題を達成するための手段】

本発明は、光源の光強度を安定化するための光強度安定
化装置において、光源からの光を増幅する、電気信号に
よつて利得が可変とされた光増幅器と、増幅された光を
分岐する光分岐器と、分岐された光の一方の強度を検出
して電気信号を発生する光強度検出器と、該光強度検出
器の出力電気信号により前記光増幅器の利得を制御する
ための、該出力電気信号を増幅する増幅器、及び、その
直流成分をカツトするフィルタを含む制御部とを備える
ことにより、前記目的を達成したものである。 又、前記制御部が、更に、所定波形の基準値を発生する
波形信号発生器と、該波形信号発生器出力と前記フイル
タ出力の差を利得制御用電気信号として前記光増幅器に
与える減算器とを含むものとしたものである。

【作用及び効果】

本発明においては、第１図に示す如く、安定化させたい
光源10からの光を、電気信号によつて利得が可変とされ
た光増幅器30に入射し、増幅する。該光増幅器30で増幅
された光は、光分岐器32を介して出射される。該光分岐
器32で分岐された光の一方の強度は、光強度検出器34で
検出され、電気信号が発生される。該光強度検出器34の
出力電気信号により、該出力電気信号を増幅する増幅
器、及び、その直流成分をカツトするフイルタを含む制
御部36を用いて、前記光増幅器30の利得が制御される。
従つて、偏光子や検光子等の光学部品が不要となり、構
成が簡単となるので、装置を小型化することもできる。
又、光強度を安定化して、光強度の揺らぎを減らすだけ
でなく、光増幅も可能であるので、出射光強度が光源の
最小強度によつて制限されることがない。 更に、直流カツトフイルタを備えているので、制御部の
利得の調整が容易である。 入射光を、外部からの電気信号に依存した増幅度で増幅
して、光出射することができる前記光増幅器30として
は、半導体レーザの両端面に反射防止膜を施し、両端面
での反射を抑えた非共振型の進行波型光増幅器（Travel
ing−Wave type optical Amplifier、TWA）や、通常の
半導体レーザを発振闘値以下にバイアスして光増幅器と
して用いるフアブリペロー型光増幅器（Fabry Perot ty
pe optical Amplifier、FPA）や、フアイバ中の誘導ラ
マン散乱を利用したフアイバラマン増幅器や、DFBレー
ザを用いたもの、注入同期型増幅器等を用いることがで
きるが、光増幅器の小型化や、制御の容易さから半導体
光増幅器が有利である。 中でもTWAは、電気信号に対する高速応答、高速光信号
の増幅が可能であり、共振器による波長選択性がないた
め、数十nmに渡る広い利得帯域幅（約50nm）を持ち、増
幅器の温度や、入射光の波長が変化しても利得の変化が
小さく、安定した利得が得られるという大きな利点を有
する。又、光増幅器としての重要な基本特性である利得
飽和や雑音の面でも優れた特性を持つている。 これに対してFPAは、製作が容易であると共に、両端面
間の多重反射を利用して信号利得を得るため、低注入電
流でも闘値付近で高利得が得易いという利点を有する。 更に、半導体光増幅器では、その注入電流を変えること
で容易に利得が変えられるため、注入電流のオンオフに
より光スイツチとして用いることも考えられる。 本発明に用いるのに好適なTWAは、例えば第２図に示す
ような、VIPS（Ｖ−grooved Inner stripe on P−Subst
rate）構造の半導体レーザ49の両端面に反射防止膜を施
したものとすることができる。 前記VIPS構造は、第２図に示す如く、１回目の液相成長
で、まずｐ−In P基板49A上に、p₁−In Pバツフア層49
B、ｎ−In Pブロツク層49C、p₂−In Pバツフア層49Dを
成長し、SiO₂ストライプマスクを通常のフオトリソ工程
で作成し（111）Ｂ面を持つＶ溝をウエツトエツチング
で形成する。これに２回目の液相成長で、ｐ−In Pクラ
ツド層49E、ｐ型乃至はノンドープGa In As P活性層49
F、ｎ−In Pクラツド層49G、n⁺−Ga In As Pコンタクト
層49Hを順次成長する。このとき、Ga In As 活性層49F
はＶ溝の底に形成され、例えば幅約1.2μｍ、厚み約0.1
0μｍに制御される。その後、電極を形成し、ヘキ開に
より端面を形成して作成される。 TWAは、この半導体レーザ49の両端面に、例えばSiO₂を
蒸着して反射防止膜を施すことによつて作成される。VI
PS構造の半導体レーザ49は、活性層への注入効率が高
く、優れた高出力特性が得られるので、これを用いたTW
Aも、高利得で、高飽和出力となる。 このようにして作成されたTWA50は、第３図に示すよう
な基本構成を有し、該TWA50への入射光強度Iinが一定で
ある場合には、入力電流値ｉが変化すると、TWA50から
の出射光強度Ioutは、第４図に示す如く非線形に変化す
る。一方、TWA50への入力電流値ｉが一定であると、入
射光強度Iinに対して出射光高度Ioutは、第５図に示す
如く変化する。従つて、入射光強度Iinが一定である時
は、出射光強度Ioutを電流ｉで制御でき、電流ｉが一定
である時は、出射光強度Ioutを入射光強度Iinで制御で
きることがわかる。勿論、線形な部分のみを使うことに
より、線形な増幅器として取扱うこともできる。 なお、前記TWA50においては、その両端面に反射防止膜
を施すことによつて、両端面の反射を抑えていたが、両
端面の反射を抑える構成はこれに限定されず、第６図に
示す如く、両端面をブリユースタ角に切ることによつ
て、両端面での反射を抑えることも可能である。この場
合には、偏光面が規定されるが、そのことを逆に利用す
ることも考えられる。即ち、偏光面を規定する必要があ
る場合には、そのための偏光子や検光子が不要となる。 なお、本発明に用いる光増幅器30としては、前記TWA50
やFPAの他に、第７図に示す如く、固体レーザ媒質52に
レーザダイオード54により励起光を与え、発振闘値以下
にバイアスして共振型の光増幅器としたものや、第８図
に示す如く、固体レーザ媒質52の両端面の反射を反射防
止膜又はブリユースタ角によつて抑え、TWAと類似の非
共振型の光増幅器としたものを用いることもできる。第
７図において、56は共振鏡である。なお、前記レーザダ
イオード54には、闘値付近にするためのバイアス電流を
流してもよく、又、流さなくてもよい。 又、光増幅器30として、第９図に示す如く、色素レーザ
媒質又は気体レーザ媒質58に対して、半導体レーザ、発
光ダイオード又は各種電流制御ランプ60を用いて励起光
を与えるようにしたものを用いることもできる。又、第
９図において、共振鏡56を省略したものを用いることも
できる。 更に、光増幅器30の他の例として、第10図に示す如く、
気体レーザ媒質62の電流−電圧変換器64を介して電極62
A間に印加される電圧によつて励起するようにした。放
電を利用したものを用いることもできる。又、第10図に
おいて、共振鏡56を省略したものを用いることもでき
る。 又、前記光分岐器32としては、例えば、ハーフミラー、
ビームスプリツタ、キユーブビームスプリツタ、フアイ
バー光分岐器等を用いることができる。 又、前記光強度検出器34としては、光強度波形に対応す
る電気信号を発生する、高速応答が可能な光検出器を用
いることができる。このような高速応答が可能な光検出
器としては、例えば光電子増倍管、マルチチヤンネルプ
レートが内蔵された光電子増倍管、又は、フオトダイオ
ード、PINフオトダイオード等の半導体光検出器を用い
ることができる。このような、高速応答可能な光検出器
を用いた場合には、負帰還系の帯域が拡がるため、より
高周波成分の強度揺らぎを除去することができる。又、
フオトダイオードのような半導体光検出器を用いた場合
には、赤外線の検出も可能である。

【実施例】

以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明す
る。 本発明の第１実施例は、前出第１図に示したような、光
増幅器30と、光分岐器32と、光強度検出器34と、制御部
36とを有する光強度安定化装置において、第11図に示す
如く、前記光増幅器30としてTWA50を用いると共に、前
記制御部36を、前記光強度検出器34の出力を増幅する電
流増幅器80と、該電流増幅器80出力の直流成分をカツト
するフイルタ88と、光信号の基準値（一定値）を与える
ためのバイアス電流源82と、該バイアス電流源82の出力
から前記フイルタ88の出力を引いたものを、利得制御用
電気信号として前記TWA50に与える減算器84とを用いて
構成したものである。 なお、光分岐器32における分岐比は１対１である必要は
なく、大きな安定化出力を取り出すためには、光強度検
出器34側への分岐率を小さくすれば良い。 以下、第１実施例の作用を説明する。 光源10で発生された、安定化させたい光は、TWA50に入
射され、その出射光が光分岐器32で分岐され、一方が光
強度検出器34で、光強度波形に相似な電気信号に変換さ
れる。変換された信号は、電流増幅器80で必要に応じて
増幅し、フイルタ88で直流成分をカツトした後、反転し
て、バイアス電流源82の出力と合成され、TWA50に利得
制御信号として入力される。この構成によつて、負帰還
系が形成され、出力の安定化が達成される。 このときのTWA50の動作点の電流は、定電流源としての
バイアス電流源82から得られる電流から、電流増幅され
た信号の直流成分を引いたものと考えれば良い。 制御電流は、次の式で評価できる。即ち、出射光強度Io
utは、入射光強度Iinと制御電流ｉの関数であるから、
次式で表すことができる。 d Iout（Iin,i） ＝（∂Iout/∂Iin）d Iin＋（∂Iout/∂ｉ） ×di ……（１） ここで、d Iout（Iin,i）が出射光強度の変化分を表わ
すから、出射光強度を安定化するべく、これを０とおけ
ば、次式が成立する。 （∂Iout/∂Iin）d Iin ＝−（∂Iout/∂ｉ）×di ……（２） 従つて、次式 di＝−（∂i/∂Iout）（∂Iout/∂Iin）d Iin ……
（３） を満たす電流変化を与えれば良い。ここで、∂i/∂Iou
t、∂Iout/∂Iinは、第４図及び第５図に示した如く、
動作点が決まれば一意的に決まるため、電流増幅器80の
利得を調整して、上記のdiが得られるようにすれば良
い。 本実施例においては、制御信号が電流であるため、バイ
アス電流源82を用いていたが、制御信号が電圧である場
合には、バイアス電圧源とすれば良いことは当然であ
る。 次に、第12図を参照して、本発明の第２実施例を詳細に
説明する。 この第２実施例は、前記第１実施例と同様の光強度安定
化装置において、前記バイアス電流源82を、所定波形
（例えば正弦派）に従つて変化する基準値を発生する波
形信号発生器86に変えたものである。 本実施例においては、バイアス電流源82の代わりに波形
信号発生器86を用いているので、該波形信号発生器86の
発生波形に対応する任意の波形の出射光を得ることがで
きる。 この第２実施例と同様の構成において、帰還系を取り除
いても、任意の光波形出力を得ることが可能であるが、
TWA50の出射光強度Ioutは、入射光強度Iinと制御電流の
両者に依存するため、入射光が強度変動を伴う場合は、
出射光強度に重畳されてしまう。そこで、本実施例にお
いては、帰還系を用いることによつて、入射光強度揺ぎ
による出射光強度揺ぎを小さくするようにしている。 帰還系の効果は以下の式で見積ることができる。即ち、
負帰還をしない場合、次式に示す如く、TWA50からの出
射光強度Ioutは入射光強度Iinに比例する。 Iout＝Iin・α・ｆ（ｔ） ……（４） ここでαは、TWA50のゲイン、ｆ（ｔ）は、波形信号発
生器86の出力信号である。 一方、この第２実施例のように負帰還をした場合には、
次式が成立する。 Iout＝Iin・α ×（ｆ（ｔ）−Iout・γ・β・ｇ） ……（５） ここでγは、光分岐器32の帰還系への帰還率、βは、光
強度検出器34の光電変換効率、ｇは、電流増幅器80のゲ
インである。 ここで、γ・β・ｇ＝Ａとおくと、次式が得られる。 Iout＝Iin・α・（ｆ（ｔ）−Iout・Ａ） ＝（Iin・α・ｆ（ｔ））／（１＋Iin・α・Ａ）…
…（６） 従つて、Iin・α・Ａ≫１となるように設定すると、次
式が成立し、TWA50からの出射光強度Ioutが、入射光強
度Iinに依存しなくなる。 Iout（Iin・α・ｆ（ｔ））／（Iin・α・Ａ） ＝ｆ（ｔ）/A ……（７） よつて、負帰還をかけることにより、入射光の揺ぎの影
響を小さくすることができる。 又、本実施例においても、電流増幅器80の後ろに、直流
カツト用のフイルタ88を入れているので、動作点が一意
的に波形信号発生器86の出力で決まり、電流増幅器80の
利得の調整が容易になる。なお、フイルタ88の位置は、
増幅器の後に限定されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本的な構成を示すブロツク線図、
第２図は、本発明の光増幅器として用いることができる
進行波型光増幅器（TWA）を構成する半導体レーザの構
造の一例を示す断面図、第３図は、前記TWAの動作特性
を説明するためのブロツク線図、第４図及び第５図は同
じく出射光強度特性の一例を示す線図、第６図は、前記
TWAの変形例の構成を示す概略図、第７図乃至第10図
は、前記光増幅器の他の変形例をそれぞれ示す概略図、
第11図は、本発明に係る高強度安定化装置の第１実施例
の構成を示すブロツク線図、第12図は、同じく第２実施
例の構成を示すブロツク線図、第13図は、従来例の構成
を示すブロツク線図、第14図は、従来例の作用を示す線
図である。 10……光源、 30……光増幅器、 32……光分岐器、 34……光強度検出器、 36……制御部、 50……進行波型光増幅器（TWA）、 80……電流増幅器、 82……バイアス電流源、 84……減算器、 86……波形信号発生器、 88……フイルタ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源の光強度を安定化するための光強度安
   定化装置において、 光源からの光を増幅する、電気信号によつて利得が可変
   とされた光増幅器と、 増幅された光を分岐する光分岐器と、 分岐された光の一方の強度を検出して電気信号を発生す
   る光強度検出器と、 該光強度検出器の出力電気信号により前記光増幅器の利
   得を制御するための、該出力電気信号を増幅する増幅
   器、及び、その直流成分カツトするフイルタを含む制御
   部と、 を備えたことを特徴とする光強度安定化装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の光強度安定化装置におい
   て、前記制御部が、更に、所定波形の基準値を発生する
   波形信号発生器と、該波形信号発生器出力と前記フイル
   タ出力の差を利得制御用電気信号として電気光増幅器に
   与える減算器とを含むことを特徴とする光強度安定化装
   置。