JPH0831648B2 - 周波数安定性監視方法および装置ならびに周波数ロック方法および装置 - Google Patents

周波数安定性監視方法および装置ならびに周波数ロック方法および装置

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JPH0831648B2
JPH0831648B2 JP62500966A JP50096687A JPH0831648B2 JP H0831648 B2 JPH0831648 B2 JP H0831648B2 JP 62500966 A JP62500966 A JP 62500966A JP 50096687 A JP50096687 A JP 50096687A JP H0831648 B2 JPH0831648 B2 JP H0831648B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明はコヒーレント放射源の周波数安定性の監視お
よび制御の方法および装置に関する。
〔背景技術〕
コヒーレント光伝送、度量衡学、スペクトル解析およ
びホログラフィの分野では、しばしば非常に安定な参照
周波数をもつレーザ装置が必要となる。外部共振器半導
体レーザは非常に良好な短時間安定性を示すが、長時間
安定性には劣っている。これに対して気体レーザは、原
子的な遷移によって定義される周波数で動作し、非常に
良好な短時間安定性を示すとともに、優れた長時間安定
性を示す能力があるが、媒体の安定性が数分間で劣化す
ることがある。これは温度および機械的な変化によるも
のであり、この変化により共振器長が変化し、続いてレ
ーザ利得プロファイルのモード周波数がシフトする。基
本的には、安定化されていないHeNeレーザ等の気体レー
ザの周波数は、その利得対帯域幅特性およびその共振器
モード間隔により決定される範囲にわたって周期性を示
す傾向がある。レーザ共振器にインバールその他の低膨
張率材料を用い、注意深く温度を制御することにより、
周期性の間隔を増大させることができる。しかし、利得
プロファイルにおける放出線の絶対周波数の不確実さは
残る。1.523μmで動作するHeNeレーザでは、放出線の
幅が、300MHzないし1GHzであった(1985年5月21日ない
し24日にアメリカ合衆国メリーランド・ボルチモアで開
催されたコンファレンス・オン・レーザ・アンド・エレ
クトロオプティクス(CLEO85)において発表されたエー
キンスおよびリーによる論文、「ニューHeNeレーザズ・
ウィズ・543nmアンド1523nmアウトプッツ」(Eerkens
J.W.and Lee W.,“New HeNe lasers with 543nm and 15
23nm outputs",presented at the conference on laser
s and electro−optics,Baltimore,Maryland,USA))。
大きな周波数安定性を得るためには、レーザの特定の
スペクトル特性を利用した自動制御技術を使用すること
ができる。このような特性としては、ラムディップ(La
mb Dip)が一般に使用されている(シモダ、「スタビラ
イゼーション・オブ・ザHeNeレーザ・オン・ジ・アトミ
ック・ライン・センタ」、ジャーナル・オブ・オプティ
ク・ソサイエティ・オブ・アメリカ、1964年第54巻第56
0頁(Shimoda K.,“Stabilisation of the HeNe laser
on the atomic linecentre",J.Opt.Soc.Am,1964,54,p.5
60)。しかし、このような特性は常に現れるわけではな
く、特にレーザの他のスペクトル特性が利用されると、
この技術を用いた安定化は達成が困難となるか、または
信頼性が低下する。他のレーザ安定化技術として、吸収
セルを用いたものが開発されている。この場合には、原
子または分子の吸収スペクトルの複雑な特性が識別、判
読して、正確な光周波数を測定できるようになってい
る。しかし、膨大な処理が必要なため、制御装置は複雑
になってしまう。
〔発明の開示〕
本発明の第一の発明は、被試験コヒーレント放射源の
周波数安定性を参照コヒーレント放射源の周波数と比較
して監視する周波数安定性監視方法において、上記参照
コヒーレント放射源が発生する参照ビームの周波数を動
作周波数範囲にわたり周期的に掃引し、上記参照ビーム
を上記被試験コヒーレント放射源からのビームに干渉さ
せて、上側ビート周波数と下側ビート周波数との間で変
化するビーム周波数を含む干渉ビームを発生させ、上記
上側ビート周波数と上記下側ビート周波数との時間平均
の変化を禁止することを特徴とする。
の周波数安定性を監視する方法において、参照源によ
り発生する参照放射ビームの周波数を周期的に動作周波
数にわたって掃引し、この参照ビームを被試験源からの
ビームに干渉させて上下の値の間で変化するビート周波
数を含む干渉ビームを発生させ、上下のビート周波数の
時間平均の変化を監視することを特徴とする。
本発明の第二の発明は、被試験コヒーレント放射源の
周波数安定性を参照コヒーレント放射源の周波数と比較
して監視する放射源安定性監視装置において、上記参照
コヒーレント放射源が発生する参照ビームの周波数を動
作周波数範囲にわたって周期的に掃引する参照コヒーレ
ント放射源制御手段と、上記参照ビームを上記被試験コ
ヒーレント放射源からのビームに干渉させて、上側ビー
ト周波数と下側ビート周波数との間で変化するビート周
波数を含む干渉ビームを発生させる干渉手段と、上記上
側ビート周波数および上記下側ビート周波数を判定し、
その時間平均の変化を監視する監視手段とを備えたこと
を特徴とする。
本発明は、ある種の放射源、例えばHeNeレーザの利得
プロファイル幅が非常に安定であり、共振器のモード間
隔が一次のオーダで安定で、モード間隔のどのような二
次効果も容易に計算できるという事実によって、レーザ
の出力スペクトルまたは吸収セルのいずれの複雑な特性
を識別する必要をなくしたものである。実際に、HeNeレ
ーザの利得プロファイルの安定性は、典型的な外部共振
器半導体レーザのそれより二桁以上優れている。
参照源の周波数を利得スペクトルを通過して掃引する
ことにより、利得スペクトルの「エッジ」が、上側ビー
ト周波数および下側周波数として観測可能になり、これ
らのビート周波数の平均を監視することにより、そのス
ペクトル範囲に対する動作安定性を測定することができ
る。
監視する方法は、干渉ビームの強度を検出するステッ
プと、この干渉ビームの周波数に対応する周波数で電気
信号を発生するステップとを含むことが便利である。
監視する方法は、上側ビート周波数および下側ビート
周波数を判定するステップと、これらの上側ビート周波
数と下側ビート周波数とのの差を判定するステップと、
差を2で割って平均ビート周波数を得るステップとを含
むことが望ましい。
レーザ・ビームを参照レーザ・ビームに混合すること
によりレーザ安定性を監視することは、「パッケージド
・フリクエンシィ・ステイブル・チューナブル20kHzラ
インウィドス1.5μmInGaAsPエクスターナル・キャビテ
ィ・レーザ」、エレクトロニクスレターズ、1985本第21
巻第113頁ないし第115頁(“Packaged Frequency Stabl
e Tunable 20 kHz Linewidth 1.5μm InGaAsP External
Cavity Laser",Electron.Lett.,1985,Vol.21,pp.113−
115)に説明されているが、本発明は、参照周波数を動
作周波数にわたって掃引するという重要な点でこの論文
記載の方法と異なる。
本発明の概念をコヒーレント放射源の制御に拡張する
こともできる。
したがって本発明の第三の発明は、第一のコヒーレン
ト放射源の周波数を所定の値に維持する周波数ロック方
法において、コヒーレント放射の参照ビームを発生して
その周波数を動作周波数範囲にわたって掃引し、上記参
照ビームを上記第一のコヒーレント放射源からのビーム
に干渉させて、上側ビート周波数と下側ビート周波数と
の間で変化するビート周波数を含む干渉ビームを発生さ
せ、上記上側ビート周波数と上記下側ビート周波数との
平均値を求め、この平均が実質的に一定となるように上
記第一のコヒーレント放射源からのビームの周波数を制
御することを特徴とする。
本発明の第四の発明は、第一のコヒーレント放射源の
周波数を所定の値に維持する周波数ロック装置におい
て、参照ビームを発生する参照コヒーレント放射源と、
この参照ビームの周波数を動作周波数範囲にわたって周
期的に掃引する参照コヒーレント放射源制御手段と、上
記参照ビームを上記第一のコヒーレント放射源からのビ
ームに干渉させて、上側ビート周波数と下側ビート周波
数との間で変化するビート周波数を含む干渉ビームを発
生させる干渉手段と、上記上側ビート周波数と上記下側
ビート周波数との平均値を監視し、これに応答して制御
信号を発生する監視手段と、この制御信号に応答して、
上記平均値が実質的に一定となるように上記第一のコヒ
ーレント放射源が発生するビームの周波数を制御する第
一のコヒーレント放射源制御手段とを備えたことを特徴
とする。
制御信号を発生するには種々の装置を利用できるが、
監視手段は、干渉ビームの強度を検出して対応する電気
信号を発生する放射検出器と、この電気信号に応答して
参照ビームの上側ビート周波数と下側ビート周波数との
平均値を示す信号を発生する積分または時間平均手段
と、この時間平均手段からの信号を参照値と比較して制
御信号を構成する差信号を発生する比較手段とを含むこ
とが望ましい。
装置の他の構造として、マイクロコンピュータにより
上側ビート周波数および下側ビート周波数を判定して平
均ビート周波数を計算し、この計算された値を使用して
適当なディジタル・アナログ変換器を経由して制御信号
発生器を制御することもできる。
本発明のすべての本発明において、参照放射ビームの
周波数は正弦関数的に掃引されることが望ましい。しか
し、他の関数、例えばランプ関数で掃引してもよい。
本発明は、特に、レーザ等の光源のロックまたは監視
に特に適しているが、他のタイプの光源またはメーザ等
の非光学的な放射源にも使用できる。
本発明による外部共振器レーザの周波数の監視および
またはロックのための方法および装置の実施例について
図面を参照して説明する。
〔図面の簡単な説明〕 第1図は本発明実施例装置のブロック構成図。
第2図は第1図に示したスペクトル・アナライザによ
り表示される典型的な中間周波数スペクトルを示す図。
第3図は上側ビート周波数、下側ビート周波数、差周
波数および時間に対する平均周波数の変化を示す図。
〔発明を実施するための最良の形態〕
第1図に示した装置は、スペクトラ・フィジクス社製
モデル120S(Spectra Physics Model 120S)HeNeレーザ
1を備え、このレーザ1の共振器長は約40cmである。こ
のレーザ1は、適当な被膜が設けられた曲率半径40cmの
球面ミラーを使用することにより、1.523μmで動作す
るように修正できる。ミラーの反射率はそれぞれ96%お
よび100%である。このミラーを圧電素子2に取り付
け、高電圧増幅器3から圧電素子2に500Vを印加するこ
とにより、ミラーの間隔を5μmの範囲にわたって変化
させることができる。したがって、信号発生器4から増
幅器3に適当な信号を供給することにより、ミラーを走
査させることができる。この信号としては、例えば周波
数が約1kHzの正弦波信号を使用する。
圧電素子2をほぼ全領域にわたって駆動できる程度に
駆動信号の強度を十分にとり、いくつかのモード間隔に
わたって、共振器モードを周波数で掃引する。ミラーを
走査させることによりモード間隔も変化するが、この変
化は小さい。公称のモード間隔が約37MHzの長さ40cmの
共振器では、5μmの移動によるモード間隔の変化は10
kHz以下である。
レーザ1から放射された参照光ビームは、光ファイバ
5に沿って光ファイバ結合器6のひとつの入力ポートに
供給される。結合器6の他の入力ポートには、光ファイ
バ7を経由して、長い外部共振器が設けられた半導体レ
ーザ8が接続される。レーザ8からの出力ビームは光フ
ァイバ7に沿って結合器6に誘導され、この結合器6で
二つのビームが連結され、PIN−FET光検出器9によりヘ
テロダイン検波される。光検出器9には光ファイバ10に
より導かれる。光検出器9の電気的出力信号は一般的な
スペクトル・アナライザ11に供給される。このスペクト
ル・アナライザ11はコンピュータ12に接続される。この
コンピュータ12として、例えばHB9816を用いる。
第2図は、スペクトル・アナライザ11に表示された光
検出器9の電気的出力を示し、下側周波数f1および上側
周波数f2の間で変化するビーム周波数を含む周波数で変
調された中間周波数信号を示す。図示したスペクトル
は、試験中のレーザ8からの信号をレーザ1からの信号
でヘテロダイン化し、掃引された中間周波数を発生させ
たものである。中間周波数スペクトルの傾斜は、走査ミ
ラーの軸ずれおよび光検出器の帯域幅の制限によるもの
である。尖頭値間の周波数間隔は、レーザの利得対帯域
幅特性およびそのモード間隔よって定まり、一定に維持
されると考えられる。したがって、中間周波数スペクト
ルの位置変化が直接に被測定半導体レーザの周波数変化
を示す。
ビート周波数スペクトルをコンピュータ12により解析
し、最初の上昇端の周波数f1および最後の下降端の周波
数f2を測定する。これらの値から、差周波数fdおよび平
均周波数faを計算する。差周波数の測定により、測定系
が正しく動作していることを確認することができる。平
均周波数の測定により、試験中のレーザ8の周波数安定
性を直接に読み取ることができる。
第3図は上述した周波数の時間変化を示す。この図か
ら、差周波数fdは5時間の測定期間にわたって実質的に
一定に保たれ、わずか±2MHz変化するだけあることが示
される。これに対して平均周波数faは約100MHz変化し、
被試験レーザ8の周波数ドリフトを直接に示す。
第1図には、光検出器9と積分回路すなわち時間平均
回路14との間に付加的な接続線13が示されている。これ
は、スペクトル・アナライザ11およびコンピュータ12の
代わりに設けてもよく、また、適当な光スプリッタを使
用して監視装置と組み合わせてもよい。積分回路14は平
均ビート周波数を判定し、適当な電気信号を比較回路15
に供給する。比較回路15は、入力された信号を参照値と
比較し、二つの入力信号の差を示す電気的な制御信号を
発生する。この制御信号を一般的にレーザ制御部16に供
給する。レーザ制御部16は、レーザ8の共振器長を変化
させるか、またはレーザ8の回折格子の偏向方向を変化
させる。
この帰還ループを用いることにより、レーザ8が発生
する光信号の周波数をレーザ1からの参照ビームの周波
数に対して一定の値にロックできる。理論的には、参照
ビームの周波数を二つのモード間で変化させるだけでよ
いが、第2図に示したように参照ビームの周波数を多数
のモードにわたって掃引できるならば、この方が望まし
い。
本発明を拡張して、ファブリペロー干渉計のような伝
達標準を使用することにより、異なる周波数で発振する
複数のレーザの安定性の測定および制御を行うことがで
きる。その場合には、レーザ8からの安定化されたビー
ムが干渉計の通過帯のひとつにロックされる。このとき
干渉計は、標準的に技術を用いて全波領域で他のレーザ
の周波数安定性の測定に使用される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H04B 10/00 (56)参考文献 特開 昭61−241630(JP,A) 特開 昭51−62742(JP,A)

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被試験コヒーレント放射源の周波数安定性
    を参照コヒーレント放射源の周波数と比較して監視する
    周波数安定性監視方法において、 上記参照コヒーレント放射源が発生する参照ビームの周
    波数を動作周波数範囲にわたり周期的に掃引し、 上記参照ビームを上記被試験コヒーレント放射源からの
    ビームに干渉させて、上側ビート周波数と下側ビート周
    波数との間で変化するビート周波数を含む干渉ビームを
    発生させ、 上記上側ビート周波数と上記下側ビート周波数との時間
    平均の変化を監視することを特徴とする周波数安定性監
    視方法。
  2. 【請求項2】上記監視は、干渉ビームの強度を検出し、
    この干渉ビームの周波数に対応する周波数で電気信号を
    発生することにより行う請求の範囲第1項に記載の周波
    数安定性監視方法。
  3. 【請求項3】上記監視は、下側ビート周波数および上側
    ビート周波数を判定し、これらのビート周波数の差を求
    め、この差を2で除算することにより平均ビート周波数
    を求めることにより行う請求の範囲第1項または第2項
    に記載の周波数安定性監視方法。
  4. 【請求項4】第一のコヒーレント放射源の周波数を所定
    の値に維持する周波数ロック方法において、 コヒーレント放射の参照ビームを発生してその周波数を
    動作周波数範囲にわたって掃引し、 上記参照ビームを上記第一のコヒーレント放射源からの
    ビームに干渉させて、上側ビート周波数と下側ビート周
    波数との間で変化するビート周波数を含む干渉ビームを
    発生させ、 上記上側ビート周波数と上記下側ビート周波数との平均
    値を求め、 この平均が実質的に一定となるように上記第一のコヒー
    レント放射源からのビームの周波数を制御する ことを特徴とする周波数ロック方法。
  5. 【請求項5】上記平均値は、干渉ビームの強度を検出
    し、この干渉ビームの周波数に対応する周波数の電気信
    号を発生することにより求める請求の範囲第4項に記載
    の周波数ロック方法。
  6. 【請求項6】上記平均値は、上側ビート周波数および下
    側ビート周波数を判定し、これらのビート周波数の差を
    求め、この差を2で割って平均ビート周波数を共めるこ
    とにより得る請求の範囲第5項または第6項に記載の周
    波数ロック方法。
  7. 【請求項7】上記掃引は、参照ビームの周波数を正弦関
    数で行う請求の範囲第1項ないし第6項にいずれかに記
    載の周波数ロック方法。
  8. 【請求項8】参照ビームはレーザまたはメーザにより生
    成され、 この参照ビームは少なくとも二つのモードにわたって掃
    引される 請求の範囲第1項ないし第4項のいずれかに記載の周波
    数安定性監視方法。
  9. 【請求項9】参照ビームはレーザまたはメーザにより生
    成され、 この参照ビームは少なくとも二つのモードにわたって掃
    引される 請求の範囲第5項ないし第7項のいずれかに記載の周波
    数ロック方法。
  10. 【請求項10】被試験コヒーレント放射源の周波数安定
    性を参照コヒーレント放射源の周波数と比較して監視す
    る周波数安定性監視方法において、 上記参照コヒーレント放射源が発生する参照ビームの周
    波数を動作周波数範囲にわたって周期的に掃引する参照
    コヒーレント放射源制御手段と、 上記参照ビームを上記被試験コヒーレント放射源からの
    ビームに干渉させて、上側ビート周波数と下側ビート周
    波数との間で変化するビート周波数を含む干渉ビームを
    発生させる干渉手段と、 上記上側ビート周波数および上記下側ビート周波数を判
    定し、その時間平均の変化を監視する監視手段と を備えたことを特徴とする周波数安定性監視装置。
  11. 【請求項11】参照コヒーレント放射源制御手段は参照
    ビームの周波数を正弦関数で掃引する手段を含む請求の
    範囲第10項に記載の周波数安定性監視装置。
  12. 【請求項12】第一のコヒーレント放射源および参照コ
    ヒーレント放射源はそれぞれレーザまたはメーザを含む
    請求の範囲第10項または第11項に記載の周波数安定性監
    視装置。
  13. 【請求項13】参照コヒーレント放射源はHeNeレーザを
    含む請求の範囲第12項に記載の周波数安定性監視装置。
  14. 【請求項14】第一のコヒーレント放射源の周波数を所
    定の値に維持する周波数ロック装置において、 参照ビームを発生する参照コヒーレント放射源と、 この参照ビームの周波数を動作周波数範囲にわたって周
    期的に掃引する参照コヒーレント放射源制御手段と、 上記参照ビームを上記第一のコヒーレント放射源からの
    ビームに干渉させて、上側ビート周波数と下側ビート周
    波数との間で変化するビート周波数を含む干渉ビームを
    発生させる干渉手段と、 上記上側ビート周波数と上記下側ビート周波数との平均
    値を監視し、これに応答して制御信号を発生する監視手
    段と、 この制御信号に応答して、上記平均値が実質的に一定と
    なるように上記第一のコヒーレント放射源が発生するビ
    ームの周波数を制御する第一のコヒーレント放射源制御
    手段と を備えたことを特徴とする周波数ロック装置。
  15. 【請求項15】監視手段は、 干渉ビームの強度を検出して電気信号を発生する放射検
    出器と、 この放射検出器の出力電気信号に応答して参照ビームの
    上側ビート周波数と下側ビート周波数との平均値を示す
    信号を発生する積分またな時間平均手段と、 この時間平均手段からの信号を参照値と比較して制御信
    号を構成する差信号を発生する比較手段と を含む請求の範囲第14項に記載の周波数ロック装置。
  16. 【請求項16】参照コヒーレント放射源制御手段は参照
    ビームの周波数を正弦関数で掃引する手段を含む請求の
    範囲第14項または第15項に記載の周波数ロック装置。
  17. 【請求項17】第一のコヒーレント放射源および参照コ
    ヒーレント放射源はそれぞれレーザまたはメーザを含む
    請求の範囲第14項ないし第16項のいずれかに記載の周波
    数ロック装置。
  18. 【請求項18】参照コヒーレント放射源はHeNeレーザを
    含む請求の範囲第17項に記載の周波数ロック装置。
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