JPH0728078B2

JPH0728078B2 - 波長安定化光源

Info

Publication number: JPH0728078B2
Application number: JP1-509508A
Authority: JP
Inventors: 一治千葉; 義文中島; 秀夫住吉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1988-09-05
Filing date: 1989-09-01
Publication date: 1995-03-29
Anticipated expiration: 2010-03-29
Also published as: JPH0728078B1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は波長安定化光源に関し、より詳細には、コヒー
レントな光通信の光源として好適な波長安定化光源に関
する。

現在、光通信は広く用いられている。光通信では安定化
された波長をもつ光を放出する光源を用いることが重要
である。

背景技術第1A図は第１の従来の波長安定化光源のブロック図であ
る。レーザダイオード（半導体レーザ）LDは1.55μｍの
波長の光、すなわちレーザビームを放出する。レーザダ
イオードLDから放出されたレーザビームは、ビームスプ
リッタBSで２つのビームに分離される。分離された一方
のレーザビームは光ファイバOFで構成される伝送路に入
射し、他方のレーザビームはフィルタFLを通り、光電変
換器O/Eに与えられる。フィルタFLは光ファイバOF内を
伝搬すべきレーザビームの波長に等しい波長の光を通す
ように設計されている。光電変換器O/Eは入射光を対応
する電気信号に変換する。変換された電気信号はドライ
バDVに与えられる。この電気信号はフィルタFLの波長か
らのレーザ光のずれに応じて変化する。従って、ドライ
バDVはレーザダイオードLDが1.55μｍに等しい光の波長
を放出するように、光電変換器O/Eからの電気信号に基
づき駆動電流を変化させる。

第1B図は、第２の従来の波長安定化光源のブロック図で
ある。ドライバDVはレーザダイオードLDに一定の駆動電
流を出力する。このレーザダイオードLDは光ファイバOF
に入射すべき光のみならず、エタロンETに入射すべき光
を放出する。エタロンETはｎλ_０＝λ_０（ｎは整数）が
成立する位置に置かれている。波長λ_０の光方はエタロ
ンETで共振し、レーザダイオードLDに戻る。従って、波
長λ_０のレーザビームのみ増大し、光ファイバOF方向に
発せられる。

しかしながら、第1A図の従来技術による光の波長は、フ
ィルタFLの制度に依存する。同様に、第1B図の従来技術
による光の波長は、エタロンETの精度に依存する。この
ため、第1A図及び第1B図のどちらの従来技術でも、所望
の波長λ_０に完全に一致する光の波長を提供することは
できない。近年、コヒーレントは光通信における位相変
調や周波数多重化の開発が活発である。このような高度
な光通信では、完全に一定の波長をもった光を発するこ
とができる光源を用いることが必須である。

第２図は、従来の第３の波長安定化光源のブロック図で
ある。この光源は原子（又は分子）の吸収線を利用して
いる。第２図の光源は、第1A図又は第1B図のものよりも
優れている。第２図において、光源はレーザダイオード
（半導体レーザ）31,ビームスプリッタ32,位相変調器3
3,NH₃を有する吸収セル34,光検出器35,増幅器36,同期整
流回路37,周波数fmを生成する発振器38,制御回路39,レ
ーザダイオードドライバ40および温度制御器41からな
る。レーザダイオード31から発せられたレーザビーム
は、ビームスプリッタ32で２分割される。分割された一
方のビームは光源の出力光として取り出され、他方のビ
ームは位相変調器33にて周波数fmで位相変調される。位
相変調されたビームは、1.5μｍ帯の共鳴波長をもつNH₃
ガスを有する共鳴セル34に入る。レーザダイオード31か
らの入力光の波長が吸収セル34内の原子（分子）の波長
と一致すると、吸収セル34内での光の吸収が最も強くな
る。このため、光吸収セル34からの光が照射される検出
器35からの検出出力は、第３図のグラフに示されるよう
な光検出器出力を出力する。ここで、第３図において、
横軸はレーザダイオード31から発せられたレーザビーム
の波長を示し、縦軸は光検出器出力の直流電圧値を示し
ている。吸収セル34からの光が最も大きく減衰すると
き、レーザダイオード31からのレーザビームの波長は共
鳴波長λ_０に等しくなる。

吸収セル34への入射光は周波数fmで位相変調されている
ので、光検出器出力は位相が吸収セル34の共鳴波長の両
側で180度異なる信号成分を含む。特に、入射光の波長
が共鳴波長λ_０に等しいとき、光検出器出力は変調周波
数fmの２倍の周波数の信号成分（周波数2fmである２倍
波周波数信号）を含む。

光検出器出力は増幅器36で増幅され、同期整流回路37に
与えられる。同期整流回路37は増幅された光検出器出力
を、発振器38で生成された周波数fmを用いて同期検波す
る。第４図は同期検出器出力のグラフであって、横軸は
レーザダイオード31の波長を示し、縦軸は同期整流回路
37の同期検波出力（DC電圧）のレベルを示す。レーザダ
イオード31が共鳴波長λ_０より短い波長の光を発すると
き、同期検波出力の極性は負である。逆に、レーザダイ
オード31が共鳴波長λ_０より長い波長の光を発すると
き、同期検波出力の極性は正である。

制御回路39は、同期整流回路37の同期検波出力が共鳴波
長λ_０でゼロになるように、レーザダイオードドライバ
40を制御する。レーザダイオードドライバ40はレーザダ
イオード30に与えられる駆動電流を制御して、レーザダ
イオード31が発するレーザビームの波長が常にλ_０に等
しくなるようにする。従来の共鳴特性はＱのほぼ１×10
^-5であり、波長σｙ（τ）の変動（短期安定度）はほぼ
１×10^-11であることが確認されている。

現在、コヒーレントな光通信に適した最適な光の波長
は、光ファイバの伝送損失の効率の点からみて、1.56μ
ｍである。第２図に示すビームスプリッタ32からの光出
力は1.56μｍの波長である。光の波長はよく安定化され
ているので、第２図に示す従来の光源はコヒーレントな
光通信用の光源として用いることが考えられる。

しかしながら、第２図に示す光源は次の問題点をもって
いる。すなわち、第２図に示す吸収セル34で生じる光吸
収の度合は、非常に弱い（換言すれば、共鳴パターンの
凹形のピークは浅い）。このため、光源の安定度は良く
ない。

発明の開示従って、本発明の概括的目的は、上記従来技術の問題点
を除去した新規で有用な波長安定化光源を提供すること
にある。

本発明の別の目的は、位相変調や周波数多重化のような
高度な技術を用いる高度な光通信に好適な波長安定化光
源を提供することにある。

上記本発明の目的は、光源の出力光として出力されるレ
ーザビームを発するレーザビーム発生手段と、該レーザ
ビームの周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数の
倍調波光を発生する倍調波発生手段と共鳴物質を含む共
鳴セルを有し、前記倍調波発生手段から供給された倍調
波光を前記共鳴物質に照射しかつ前記共鳴セルに交流成
分を含むマイクロ波を照射することにより２重共鳴を発
生し、該２重共鳴に基づく２重共鳴信号を生成する共鳴
器手段とを有する波長安定化光源で達せられる。更に、
本発明は更に、前記共鳴器手段に結合し、前記共鳴器か
ら供給される２重共鳴信号に基づいて前記マイクロ波の
周波数が所定のマイクロ波共鳴周波数に等しくなるよう
に前記共鳴セルに照射されるマイクロ波を制御するマイ
クロ波制御手段と、前記共鳴器手段及びレーザビーム発
生手段とに結合し、前記２重共鳴信号に基づき、前記倍
調波発生手段で生成された倍調波光の波長が前記共鳴セ
ル中に共鳴物質の共鳴波長に等しくなるように、前記レ
ーザビーム発生手段を制御するレーザ光波長制御手段と
を有する。

前述した本発明の目的はまた、光源の出力光として出力
されるレーザビームを発するレーザビーム発生手段と、
変調周波数で前記レーザビームを位相変調する光変調手
段と、前記レーザビームの周波数のｎ倍（ｎは２以上の
整数）の周波数の倍調波光を発生する倍調波発生手段
と、共鳴物質を含む共鳴セルを有し、前記倍調波発生手
段から供給された倍調波光を前記共鳴物質に照射しかつ
前記共鳴セルに交流成分を含むマイクロ波を照射するこ
とにより２重共鳴を発生し該２重共鳴に基づく前記変調
周波数の成分を含む２重共鳴信号を生成する共鳴器手段
とを有する波長安定化光源により達成される。本発明は
更に、該共鳴器手段に結合し、前記共鳴器から供給され
る２重共鳴信号に基づいて前記マイクロ波の周波数が所
定のマイクロ波共鳴周波数に等しくなるように前記共鳴
セルに照射されるマイクロ波を制御するマイクロ波制御
手段と、前記共鳴器手段及びレーザビーム発生手段とに
結合し、前記２重共鳴信号中の前記変調周波数成分に基
づき、前記倍調波発生手段で生成された倍調波光の波長
が前記共鳴セル中の共鳴物質の共鳴波長に等しくなるよ
うに、前記レーザビーム発生手段を制御するレーザ光波
長制御手段とを有する。

前述した本発明の目的はまた、光源の出力光として出力
されるレーザビームを発するレーザビーム発生手段と、
該レーザビームの周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の
周波数の倍調波光を発生する倍調波発生手段と、共鳴物
質を含む共鳴セルを有し、前記倍調波発生手段から供給
された倍調波光を前記共鳴物質に照射しかつ前記共鳴に
交流成分を含むマイクロ波を照射することにより２重共
鳴を発生し該２重共鳴に基づく２重共鳴信号を生成する
共鳴器手段とを有する波長安定化光源により達せられ
る。この光源は更に、前記共鳴器手段に交番変化を含む
磁場を供給する時宜供給手段と、前記２重共鳴信号は該
磁場の交番変化に応じた信号成分を有し、前記共鳴器手
段に結合し、前記共鳴器から供給される２重共鳴信号に
基づいて前記マイクロ波の周波数が所定のマイクロ波共
鳴周波数に等しくなるように前記共鳴セルに照射される
マイクロ波を制御するマイクロ波制御手段と、前記共鳴
器手段及びレーザビーム発生手段とに結合し、前記２重
共鳴信号中に含まれる前記信号成分に基づき、前記倍調
波発生手段で生成された倍調波光の波長が前記共鳴セル
中の共鳴物質の共鳴波長に等しくなるように前記レーザ
ビーム発生手段を制御するレーザ光波長制御手段とを有
する。

図面の簡単な説明第1A図は第１の従来の光源のブロック図、第1B図は第２の従来の光源のブロック図、第２図は第３の従来の光源のブロック図、第３図は第２図の光源で用いられるレーザダイオードか
ら発せられる光の波長の変化に伴い変化する光検出器出
力のグラフ、第４図は第２図の光源で用いられるレーザダイオードか
ら発せられる光の波長の変化に伴い変化する同期検波出
力のグラフ、第５図は本発明の原理を図示するブロック図、第６図は本発明の第１の好ましい実施例のブロック図、第７図は光検出器出力特性のグラフ、第８図は本発明の第２の好ましい実施例のブロック図、第9A図は第２の実施例における波長/2倍波成分特性のグ
ラフ、第9B図は第２の実施例における倍調波光の波長の変化に
伴い変化する同期検出出力のグラフ、第10図は本発明の第３の実施例のブロック図、第11A図は第３の実施例における波長/2倍波成分特性の
グラフ、第11B図は第３の実施例における時間/2倍波成分特性の
グラフ、及び第11C図は第３の実施例における倍調波光の波長の変化
に従って変化する同期検出出力のグラフである。

発明の実施するための最良の形態はじめに、本発明の原理を図示するブロック図である第
５図を参照して、本発明の原理を説明する。

同図において、レーザダイオード（半導体レーザ）101
はレーザビームを発する。倍調波発生器105は、レーザ
ダイオード101が発するレーザビームの波長の1/n倍（ｎ
は整数）の波長の光を発生する。換言すれば、倍調波発
生器105は、レーザダイオード101が発するレーザビーム
の周波数のｎ倍の周波数の光を発生する。光／マイクロ
波２重共鳴器（以下、簡単に共鳴器という）102は、倍
調波発生器105からの倍調波光と共鳴器102に与えられる
マイクロ波とに起因する２重共鳴を発生する。共鳴器10
2は、原子（又は分子）が封入された共鳴セルを収容す
るキャビティを含んでいる。共鳴セル中の原子は固有の
マイクロ波共鳴周波数と、固有の光吸収線（共鳴波長）
とを有する。共鳴器102に印加されるマイクロ波は位相
変調されている。位相変調されているマイクロ波はキャ
ビティを介して共鳴セルに照射される。倍調波発生器10
5からの倍調波光の波長が共鳴セル中の原子の共鳴波長
に等しく、同時にマイクロ波の周波数がマイクロ波共鳴
周波数に等しいとき、２重共鳴が発生する。共鳴器102
は発生した２重共鳴に応じた２重共鳴信号を出力する。
この２重共鳴信号はマイクロ波制御器103及び波長制御
器104に供給される。マイクロ波制御器103は共鳴器102
からの信号に基づき動作し、マイクロ波の周波数が常に
共鳴セル内の原子のマイクロ波共鳴周波数に等しくなる
ように制御する。波長制御器104は共鳴器102からの信号
に基づき動作し、倍調波発生器105で生成された倍調波
光の波長が常に共鳴セル内の原子の共鳴波長に等しくな
るようにレーザダイオード101を制御する。従って、レ
ーザダイオード101が発する光の波長は、共鳴セル内の
原子の原子共鳴周波数の安定度に基づいている。従っ
て、レーザダイオード101が発する光の波長は極めて高
い精度で安定化される。

例えば、レーザダイオード101は波長1.56μｍの光を発
する。共鳴器102はルビジウム原子（Rb）原子を有す
る。ルビジウム原子の共鳴波長は0.78μｍに等しい。倍
調波発生器105は、レーザダイオード101が発する光の２
倍の周波数をもつ２倍調波光（レーザビーム）を発生す
る。従って、共鳴器102に印加される光の波長はレーザ
ダイオード101の波長（1.56μｍ）の半分に等しく、こ
れはルビジウム原子の共鳴波長と同一である。

次に、第６図を参照して、本発明の第１の実施例ついて
説明する。同図において、レーザダイオード１（半導体
レーザ）は波長1.56μｍのレーザビームを発する。レー
ザダイオード１からのレーザビームは、ビームスプリッ
タ２で２分割される。分割された一方のビームは光源の
出力光として取り出される。ビームスプリッタ２を通る
他方の分割光は、電圧制御偏光フィルタ３を介して倍調
波発生器４に照射される。

倍調波発生器４はレーザダイオード１からレーザビーム
の２倍の周波数の倍調波光を発生する。すなわち、倍調
波光の波長は0.78μｍに等しい。倍調波発生器４は例え
ば、KTP又はKNbO₃で形成される。倍調波発生器４を通る
光は光／マイクロ波２重共鳴器（以下、単に共鳴器とい
う）５に入る。共鳴器５は共鳴セル51,キャビティ52及
び光検出器53を有する。後述するように、キャビティ52
のまわりにはコイルが巻回されている。キャビティ52は
6.834GHzのマイクロ波共鳴周波数を有する。共鳴セル51
はキャビティ52内に収容され⁸⁷Rb原子が封入されてい
る。共鳴器５は、後述するマイクロ波制御ループIIとと
もに、光ポンピング型ルビジウム原子発振器を構成す
る。共鳴器５とマイクロ波制御ループIIの組み合わせ
は、例えば特開昭63−18820号公報に記載されている。

共鳴セル51を通る光は光検出器53上に照射され、これに
より光検出器53は検出器信号を出力する。検出器信号は
増幅器６で増幅され、制御回路７に与えられる。制御回
路７は光強度安定化制御ループＩを形成し、増幅器６か
らの増幅された信号に基づいて、電圧制御偏光フィルタ
３によって提供される偏光度を制御する。光強度安定化
制御ループＩを用いることが好ましいが、必須のもので
はない。他方、増幅器６からの増幅された信号はキャパ
シタ８及び増幅器９を通り、マイクロ波制御ループII及
びレーザビーム波長制御ループIIIに供給される。

マイクロ波制御ループIIは基本波増幅器10,同期検波回
路11,積分器12,電圧制御水晶発振器（VCXO），低周波発
振器14,逓倍／合成位相変調器（以下、単に位相変調器
という）、および周波数逓倍器16で構成されている。電
圧制御水晶発振器13は5MHz又は10MHzの周波数の信号を
出力する。出力信号は位相変調器15で周波数逓倍され、
低周波数で位相変調される。位相変調された信号は周波
数逓倍器16で周波数逓倍され、6.834GHzの周波数のマイ
クロ波が生成される。位相変調されたマイクロ波はキャ
ビティ52に与えられる。光検出器53からの光検出器信号
内に含まれる基本波成分（マイクロ波共鳴信号）は基本
波増幅器10で増幅され、同期化検波回路11により同期検
波される。同期検波回路11の出力信号は積分器12により
積分される。積分器12は、キャビティ52に与えられるマ
イクロ波信号の周波数が常に共鳴セル51内の⁸⁷Rb原子の
マイクロ波共鳴周波数（6.834GHz）に等しくなるよう
に、電圧制御水晶発振器13を制御する。

他方、レーザ光波長制御ループIIIは２倍波成分増幅器1
7,2倍波成分ピーク検出器19,制御回路20,レーザダイオ
ード駆動回路21,レーザダイオード1,倍調波発生器４及
び共鳴セル51を有する。後述するように、レーザ光波長
制御ループIIIはマイクロ波共鳴信号の２倍波成分を検
出し、この検出された２倍波成分が最大となるようにレ
ーザダイオード駆動回路21を制御する。２倍波成分は、
低周波発振器14で生成される周波数（fm）の２倍の周波
数をもっている。これにより、レーザダイオード１から
のレーザビームの半分の波長が⁸⁷Rb原子の光吸収線（共
鳴波長λ_０）に対応するように安定化されている。

マイクロ波ロック検出器18は、２倍波成分増幅器17から
供給される増幅された２倍波成分の振幅を指示する。温
度制御回路21は、レーザダイオード１の周囲温度を制御
する。

次に、第１の実施例の動作を説明する。レーザダイオー
ド１から発せられるレーザビームは２分割され、一方は
光源の出力光として取り出され、他方の電圧制御偏光フ
ィルタ３を介して倍調波発生器４に与えられる。倍調波
発生器４はレーザダイオード１からの波長1.56μｍのレ
ーザビームを波長0.78μｍのレーザビームに変換する。
変換されたレーザビームは入射レーザビームとして、⁸⁷
Rb原子を有する共鳴セル51に入る。

共鳴器５のキャビティ52には、6.834GHzの位相変調され
たマイクロ波が与えられる。位相変調されたマイクロ波
と入射レーザビームは共鳴器５中に２重共鳴を引き起こ
す。すなわち、共鳴セル51を通る光は、入射レーザビー
ムの波長が⁸⁷Rb（⁸⁷RbのD₂線）の共鳴波長λ_０に等し
く、かつ位相変調されたマイクロ波の周波数が⁸⁷Rbのマ
イクロ波共鳴周波数f₀（f₀＝6.834GHz）であるとき、最
も大きく吸収される。⁸⁷Rbのマイクロ波共鳴周波数は87
Rbの5sl/z,F＝2,mF＝０のライン（エネルギレベル）
と、5sl/2,F＝1,mF＝０のライン（エネルギレベル）と
の間の遷移周波数に相当する。共鳴セル51中で２重共鳴
が起こるとき、光／マイクロ波２重共鳴信号が光検出器
53から得られる。

第７図は２重共鳴特性のグラフで、横軸はマイクロ波周
波数を表わし、縦軸は光検出器出力（DC成分）の振幅を
示す。第７図は入射レーザビームの異なる波長λの場合
の２重共鳴特性を示している。第７図から、光吸収の度
合は入射レーザビームの波長λと共鳴波長λ_０の一致度
に基づいていることがわかる。したがって、光検出器53
から得られる直流成分のみならず光吸収の度合は、波長
λの値により変化する。

キャビティ52に印加されるマイクロ波は、低周波数fmで
位相変調されている。従って、マイクロ波はマイクロ波
共鳴波長λ_０からずれたとき、光検出器出力は周波数fm
の成分を含み、その移相はマイクロ波共鳴周波数f₀の両
側で180゜度異なる。他方、位相変調されているマイク
ロ波がマイクロ波共鳴周波数f₀に等しいとき、2fmの２
倍波成分（交流成分）が光検出器出力の中に含まれてい
る。第７図からわかるように、λ＝λ_０のとき、２倍波
成分の振幅は最大になる。

マイクロ波制御ループIIは、特開昭63−18820号公報に
開示の一般的なマイクロ波制御ループと同じように動作
する。光検出器出力は同期検波回路11で同期検波され
る。電圧制御発振器13の発振周波数は、同期検波回路11
の出力が常にゼロとなるように制御される。これによ
り、周波数逓倍器16から供給されるマイクロ波は、マイ
クロ波共鳴周波数f₀に等しくなるように自動的に制御さ
れる。

他方、レーザ光波長制御ループIIIの２倍波成分増幅器1
7は光検出器53からの光検出器出力に含まれる2fm周波数
信号（２倍波成分）を増幅する。２倍波成分ピーク検出
回路19は、増幅された２倍波成分の最大のピーク（振
幅）を検出する。制御回路20はレーザダイオード１が発
する光の波長を変化させて、２倍波成分が最大値となる
ように、レーザダイオード駆動回路21を制御する。これ
により、レーザダイオード１からのレーザビームの波長
は、倍調波発生器４からの倍調波光が常に⁸⁷Rb原子の光
吸収線に等しくなるように、自動的に制御される。換言
すれば、レーザダイオード１が発するレーザビームの波
長は、⁸⁷Rb原子の極めて安定な原子共鳴周波数の安定度
をもって、1.56μｍに安定化される。電圧制御水晶発振
器13の出力周波数も、同じ精度で安定化される。

前述したように、光強度安定化制御ループＩは、半導体
レーザの出力光波長制御のために注入電流を制御した場
合に起こる光強度変化により共鳴周波数f₀が微妙に変化
することを補償するものであり、光検出器53の検出出力
（直流成分）を検出し、その値に応じて倍調波発生器４
の前段に配置した電圧制御偏光フィルタ３の通過光量を
制御し、それにより共鳴セル51に入射される光強度を安
定化させる。この光強度安定化制御ループＩによって、
出力光の波長の一層の光安定化が図れる。ただし、前述
したように、省略することもできる。

なお、電圧制御偏向フィルタ３の挿入場所は、第６図に
示した場所に限定されるものではない。例えば半導体レ
ーザ１とビームスプリッタ２の間に挿入してビームスプ
リッタで分岐される光出力強度をも安定化してもよい。
また本実施例では⁸⁷Rb原子を共鳴セルに用いた場合につ
いて説明したが、これに限らず、例えば⁸⁷Rbを含んだ天
然Rb原子を用いたものであってもよい。

次に、本発明の第２の実施例について、第８図を参照し
て説明する。第８図におて、第６図に示すものと同一の
要素には同一の参照番号を付してある。第２の実施例
は、第１の実施例のレーザ光波長制御ループIIIとは異
なるレーザ光波長制御ループIII₂を有する。レーザ光波
長制御ループIII₂は制御回路20,レーザダイオード駆動
回路21等に加え、基本波増幅器63,同期検出回路64,及び
積分器65を有している。更に、第２の実施例は、位相変
調器61及び発振器62を有している。２倍波増幅器66及び
ロック回路は、第２の実施例の特徴を提供するための必
須のものではないが、第８図に示すように設けても良
い。２倍波増幅器66は周波数2fnの周波数をもつ２倍波
信号を増幅する。

位相変調器61は、ビームスプリッタ２と電圧制御偏向フ
ィルタ３との間に設けられている。発振器62は変調周波
数fnの発振信号を生成する。この発振信号は位相変調器
61に与えられる。変調周波数fnの値は任意に設定でき
る。例えば、変調周波数fnは数キロヘルツから数メガヘ
ルツの間で選択される。位相変調器61は、変調周波数fn
でビームスプリッタ２からのレーザビームを位相変調す
る。位相変調器61は市販の一般的な位相変調器で構成さ
れる。発振器62の発振信号は同期検波器64に与えられ
る。基本波増幅器63は、光検出器出力に含まれる周波数
fnの信号成分を増幅する。増幅された周波数fnの信号
は、同期検波器64において周波数fnを用いた同期検波を
受ける。同期検波器64から供給される出力信号は積分器
65で積分され、制御回路20に与えられる。

第9A図は、光検出器出力中の周波数2fmの２倍波成分の
グラフである。同図において、横軸は倍調波発生器４で
生成された倍調波光の波長を表わし、縦軸は２倍成分の
振幅を表わす。倍調波光の波長が⁸⁷Rbの共鳴波長λ_０に
等しいとき（波長Ｂ）、２倍波成分の振幅は最大であ
る。このとき、周波数2fnの２倍波成分が得られる。倍
調波光の波長が波長Ｂに等しくないとき、周波数fnの基
本波成分が得られる。倍調波光の波長がＡのときに得ら
れる基本波と、位相が180度異なる。

第9B図は、同期検波出力のグラフである。第9B図におい
て、横軸は倍調波光の波長を示し、縦軸は同期検波回路
64の同期検波出力の振幅を表わす。同期検波出力の極性
は、共鳴波長λ_０の両側で位相が異なる。

第１の実施例は、周波数2fmの２倍波成分の最大の振幅
を得るようにレーザビームの波長を制御している。この
場合、２倍波成分の振幅の変化はそのピーク付近で大き
くない。これに対し、第２の実施例は同期検波出力がゼ
ロに設定されるように、レーザビームの波長を制御して
いる。したがって、第２の実施例は第１の実施例よりも
高い精度でレーザビームの波長を制御できる。

次に、第10図を参照して、本発明の第３の実施例を説明
する。第10図において、第６図及び第８図と同一の要素
には同一の参照番号を付してある。第３の実施例は、前
述したレーザ光波長制御ループIII又はIII₂とは異なる
レーザ光波長制御ループIII₃を有する。このレーザ光波
長制御ループIII₃は積分器65,制御回路20,レーザダイオ
ード駆動回路等に加え、基本波増幅器73,及び同期検波
回路74を有する。更に、第３の実施例は周波数f_Pの交流
成分を発生する発振器71,直流電源72及び重畳器73を有
する。２倍波成分増幅器76及びロック回路77を第10図に
示すように設けても良い。２倍波成分増幅器76は周波数
f_Pの２倍の周波数をもった２倍波信号を増幅する。周波
数f_Pの値は任意に選択される。例えば、周波数f_Pは数百
ヘルツと数キロヘルツの間に設定される。

コイル54はキャビティ52のまわりに巻かれている。第６
図及び第８図では簡単化のために、コイル54の図示を省
略している。第１及び第２の実施例では、直流電源が直
流電源72からコイ54を通ってグランドに流れる。これに
より、いわゆるＣフィールド（磁場）がキャビティ52内
に形成される。第３の実施例によれば、発振器71で生成
された周波数f_Pの交流成分が重畳器73により直流電流に
重量されている。この交流成分はコイル54を通り、遷移
周波数（マイクロ波共鳴周波数）にわずかな変化を引き
起こす。

第11A図は、光検出器出力に含まれる周波数2fmの３つの
２倍波成分を図示するグラフである。第11A図におい
て、横軸は倍調波光の波長を示し、縦軸は２倍波成分の
振幅を示す。２倍波成分は、周波数f_Pの交流出力の変化
に応答して、曲線C1,C2及びC3で示すように変化する。

第11B図は、第11A図に示す波長A,B及びＣをもつ３つの
２倍波成分を時間軸ベースで示すグラフである。第11B
図において、横軸は時間を示し、縦軸は信号の振幅を示
す。倍調波光の波長が波長Ｂに等しいとき、周波数f_Pの
２倍の周波数の信号成分が第11B図（ｂ）に示すように
得られる。倍調波光の波長が波長Ｂに等しくないとき、
周波数f_Pの基本波間成分が第11B図（ａ）又は（ｃ）に
示すように得られる。曲線C1に相当する第11B図（ａ）
の基本波信号は、曲線C3に相当する第11B図（Ｃ）の基
本波信号と位相が180度異なる。

第11C図は、同期検波回路74の同期検波出力である。第1
1C図に示すように、同期検波出力の極性は共鳴波長λ_０
の両側で異なる。

産業上の利用可能性本発明によれば、ラインＱを10⁷〜10⁸以上に向上させる
ことができ、従来の光吸収線のラインＱに比べて２桁高
いＱが得られるようになる。この結果、長期周波数安定
度のみならず、波長の短期安定度σｙ（τ）も大幅に改
善できる。加えて高Ｑ化により近傍位相雑音も低減さ
れ、半導体レーザの線幅狭さく化も可能となる。さらに
ルビジウム原子発振器として超高安定な電気出力周波数
も得ることができ、光源周辺の多重化装置などに供給し
て利用することもできる。第１〜第３の各実施例中の構
成要素自体は公知の素子で良い。従って各構成要素の詳
細な回路は省略する。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明
の範囲内で変形例や改良例が可能である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源の出力光として出力されるレーザビー
ムを発するレーザビーム発生手段と、該レーザビームの周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の
周波数の倍調波光を発生する倍調波発生手段と、共鳴物質を含む共鳴セルを有し、前記倍調波発生手段か
ら供給された倍調波光を前記共鳴物質に照射しかつ前記
共鳴セルに交流成分を含むマイクロ波を照射することに
より２重共鳴を発生し、該２重共鳴に基づく２重共鳴信
号を生成する共鳴器手段と、該共鳴器手段に結合し、前記共鳴器から供給される２重
共鳴信号に基づいて前記マイクロ波の周波数が所定のマ
イクロ波共鳴周波数に等しくなるように前記共鳴セルに
照射されるマイクロ波を制御するマイクロ波制御手段
と、前記共鳴器手段及びレーザビーム発生手段とに結合し、
前記２重共鳴信号に基づき、前記倍調波発生手段で生成
された倍調波光の波長が前記共鳴セル中に共鳴物質の共
鳴波長に等しくなるように、前記レーザビーム発生手段
を制御するレーザ光波長制御手段とを有する波長安定化
光源。
【請求項２】請求項１に記載の波長安定化光源であっ
て、前記共鳴物質はルビジウム原子を含み、前記レーザ
ビーム発生手段で発せられるレーザビームは1.56μｍの
波長を有し、前記倍調波発生手段は前記レーザビームの
周波数の２倍の周波数を有する倍調波光を生成し、該倍
調波光は1.56μｍに等しい前記レーザビームの波長の半
分の波長を有する。
【請求項３】請求項１に記載の波長安定化光源であっ
て、前記レーザ光波長制御手段は、前記２重共鳴信号中
に含まれかつ前記交流成分の周波数の２倍の周波数をも
つ信号成分のピークを検出する検出手段と、該信号成分
の最大ピークが最大となるように前記レーザビーム発生
手段で発せられたレーザビームの波長を制御する制御手
段を有する。
【請求項４】請求項２に記載の波長安定化光源であっ
て、前記ルビジウム原子は⁸⁷Rb原子を含み、前記マイク
ロ波に関する所定のマイクロ波共鳴周波数は⁸⁷Rb原子の
遷移周波数に等しい。
【請求項５】請求項１に記載の波長安定化光源は更に、
前記２重共鳴信号に基づき、前記レーザビームの光強度
によるマイクロ波共鳴周波数の変化を補償する光強度制
御手段を有する。
【請求項６】請求項１に記載の波長安定化光源であっ
て、前記交流成分は位相変調成分であって、前記マイク
ロ波制御手段は前記位相変調成分を前記交流成分の周波
数に等しい周波数を用いて同期検波して同期検波出力を
出力する同期検波手段と、該同期検波手段からの同期検
波信号がゼロになるように前記マイクロ波を制御する手
段とを有する。
【請求項７】光源の出力光として出力されるレーザビー
ムを発するレーザビーム発生手段と、変調周波数で前記レーザビームを位相変調する光変調手
段と前記レーザビームの周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）
の周波数の倍調波光を発生する倍調波発生手段と、共鳴物質を含む共鳴セルを有し、前記倍調波発生手段か
ら供給された倍調波光を前記共鳴物質に照射しかつ前記
共鳴セルに交流成分を含むマイクロ波を照射することに
より２重共鳴を発生し該２重共鳴に基づく、前記変調周
波数の成分を含む２重共鳴信号を生成する共鳴器手段
と、該共鳴器手段に結合し、前記共鳴器から供給される２重
共鳴信号に基づいて前記マイクロ波の周波数が所定のマ
イクロ波共鳴周波数に等しくなるように前記共鳴セルに
照射されるマイクロ波を制御するマイクロ波制御手段
と、前記共鳴器手段及びレーザビーム発生手段とに結合し、
前記２重共鳴信号中の前記変調周波数成分に基づき、前
記倍調波発生手段で生成された倍調波光の波長が前記共
鳴セル中に共鳴物質の共鳴波長に等しくなるように、前
記レーザビーム発生手段を制御するレーザ光波長制御手
段とを有する波長安定化光源。
【請求項８】請求項７に記載の波長安定化光源であっ
て、前記レーザ光波長制御手段は、前記２重共鳴信号中
の前記変調周波数成分を前記変調周波数で同期検波して
同期検波信号を出力する同期検波手段と、該同期検波手
段からの同期検波出力がゼロになるように、前記レーザ
ビーム発生手段から発せられるレーザビームの波長を制
御する手段を有する。
【請求項９】請求項７に記載の波長安定化光源であっ
て、前記光変調手段は前記変調周波数を発生する発振手
段と、該発振手段からの変調周波数で前記レーザビーム
発生手段で生成されるレーザビームを位相変調する手段
を有する。
【請求項１０】請求項７に記載の波長安定化光源であっ
て、前記共鳴物質はルビジウム原子を含み、前記レーザ
ビーム発生手段で発せられるレーザビームは1.56μｍの
波長を有し、前記倍調波発生手段は前記レーザビームの
周波数の２倍の周波数を有する倍調波光を生成し、該倍
調波光は1.56μｍに等しい前記レーザビームの波長の半
分の波長を有する。
【請求項１１】請求項10に記載の波長安定化光源であっ
て、前記ルビジウム原子は⁸⁷Rb原子を含み、前記マイク
ロ波に関する所定のマイクロ波共鳴周波数は⁸⁷Rb原子の
遷移周波数に等しい。
【請求項１２】請求項７に記載の波長安定化光源は更
に、前記２重共鳴信号に基づき、前記レーザビームの光
強度によるマイクル波共鳴周波数の変化を補償する光強
度制御手段を有する。
【請求項１３】請求項７に記載の波長安定化光源であっ
て、前記マイクロ波は位相変調成分を含み、前記マイク
ロ波制御手段は前記位相変調成分を前記位相変調成分の
周波数に等しい周波数を用いて同期検波して同期検波出
力を出力する同期検波手段と、該同期検波手段からの同
期検波信号がゼロになるように前記マイクロ波を制御す
る手段とを有する。
【請求項１４】光源の出力光として出力されるレーザビ
ームを発するレーザビーム発生手段と、該レーザビームの周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の
周波数の倍調波光を発生する倍調波発生手段と、共鳴物質を含む共鳴セルを有し、前記倍調波発生手段か
ら供給された倍調波光を前記共鳴物質に照射しかつ前記
共鳴セルに交流成分を含むマイクロ波を照射することに
より２重共鳴を発生し該２重共鳴に基づく２重共鳴信号
を生成する共鳴器手段と、前記共鳴器手段に交番変化を含む磁場を供給する磁場供
給手段と、前記２重共鳴信号は該磁場の交番変化に応じ
た信号成分を有し、前記共鳴器手段に結合し、前記共鳴器から供給される２
重共鳴信号に基づいて前記マイクロ波の周波数が所定の
マイクロ波共鳴周波数に等しくなるように前記共鳴セル
に照射されるマイクロ波を制御するマイクロ波制御手段
と、前記共鳴器手段及びレーザビーム発生手段とに結合し、
前記２重共鳴信号中に含まれる前記信号成分に基づき、
前記倍調波発生手段で生成された倍調波光の波長が前記
共鳴セル中に共鳴物質の共鳴波長に等しくなるように、
前記レーザビーム発生手段を制御するレーザ光波長制御
手段とを有する波長安定化光源。
【請求項１５】請求項14に記載の波長安定化光源であっ
て、前記磁場供給手段は、前記共鳴器手段の周囲に巻回
されたコイルと、直流電流を提供する直流電源手段と、
所定の周波数の信号を生成する発振手段と、前記直流電
流と前記発振手段で生成された前記信号とを重畳してそ
の合成信号を前記コイルに供給する重畳手段とを有し、
前記磁場の交番変化は前記発振手段で生成された前記信
号に相当する。
【請求項１６】請求項14に記載の波長安定化光源であっ
て、前記レーザ光波長制御手段は、前記２重共鳴信号中
の前記信号成分を該信号成分と同一の周波数を用いて同
期検波して同期検波信号を出力する同期検波手段と、該
同期検波手段からの同期検波出力がゼロになるように、
前記レーザビーム発生手段から発せられるレーザビーム
の波長を制御する手段を有する。
【請求項１７】請求項14に記載の波長安定化光源であっ
て、前記共鳴物質はルビジウム原子を含み、前記レーザ
ビーム発生手段で発せられるレーザビームは1.56μｍの
波長を有し、前記倍調波発生手段は前記レーザビームの
周波数の２倍の周波数を有する倍調波光を生成し、該倍
調波光は1.56μｍに等しい前記レーザビームの波長の半
分の波長を有する。
【請求項１８】請求項14に記載の波長安定化光源であっ
て、前記ルビジウム原子は⁸⁷Rb原子を含み、前記マイク
ロ波に関する所定のマイクロ波共鳴周波数は⁸⁷Rb原子の
遷移周波数に等しい。
【請求項１９】請求項14に記載の波長安定化光源は更
に、前記２重共鳴信号に基づき、前記レーザビームの光
強度によるマイクロ波共鳴周波数の変化を補償する光強
度制御手段を有する。
【請求項２０】請求項14に記載の波長安定化光源であっ
て、前記交流成分は位相変調成分であって、前記マイク
ロ波制御手段は前記位相変調成分を前記交流成分の周波
数に等しい周波数を用いて同期検波して同期検波信号を
出力する同期検波手段と、該同期検波手段からの同期検
波信号がゼロになるように前記マイクロ波を制御する手
段を有する。