(57)【要約】【課題】  自動的に水晶エタロンの機械的共振周波数と一致したディザ信号を得てディザ信号の周波数を無調整化する。【解決手段】  水晶エタロン１３のＸカット面に形成した一対の電極をリード線１５、１６を経由してアンプ１７の入出力端と接続して帰還ループを形成し、帰還ループ内に一対の電極を組み込んで水晶エタロン１３の機械的共振周波数に一致する周波数のディザ信号を生成する。水晶エタロン１３を透過したレーザ光を光検出器１４で受光し、その受光信号をディザ信号と比較して誤差信号を生成し、この誤差信号に基づいて半導体レーザ１１の発振波長を制御する。このとき、アンプ１７の入力インピーダンスとゲインの積が水晶エタロン１３の機械的共振周波数における一対の電極間のインピーダンスよりも高く選定する。これにより、水晶エタロン１３の機械的共振周波数と一致したディザ信号が自動的に得られ、ディザ信号周波数の無調整化が可能となる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザから放射されるレーザ光の発振波長を安定させる波長安定化装置において、
水晶バルクの互いに対向するＺカット面、Ｘカット面にそれぞれ一対の光反射膜層、一対の電極を形成してなる水晶エタロンと、
前記水晶エタロンを透過するレーザ光を受光して電気信号に変換する光検出器と、
前記水晶エタロンの一対の電極をそれぞれアンプの入出力端に接続して帰還ループを形成し、この帰還ループ内に前記水晶エタロンの一対の電極の端子を組み込んで前記水晶エタロンの機械的共振周波数に一致する周波数のディザ信号を生成するディザ信号生成手段と、
前記光検出器から出力される電気信号を前記ディザ信号と比較して誤差信号を生成する誤差信号生成手段と、
前記誤差信号に基づいて前記半導体レーザの発振波長を制御する制御手段とを具備し、
前記アンプの入力インピーダンスとゲインの積が前記水晶エタロンの機械的共振周波数における前記一対の電極間のインピーダンスよりも高いことを特徴とする波長安定化装置。
【請求項２】
さらに、前記アンプの入力段もしくは出力段に位相調整部を備えることを特徴とする請求項１記載の波長安定化装置。
【請求項３】
さらに、前記光検出器からの信号経路と前記アンプからの信号経路のうち少なくとも一方に位相調整部を設けたことを特徴とする請求項１記載の波長安定化装置。
【請求項４】
前記アンプは、電界効果型トランジスタを入力段に用いた演算増幅器であることを特徴とする請求項１記載の波長安定化装置。
【請求項５】
前記一対の電極の中央部にそれぞれシャフトを取り付け、各シャフトによって前記水晶エタロンを保持することを特徴とする請求項１記載の波長安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に波長多重伝送への適用を目的として、半導体レーザに対してレーザ光の波長を安定化する波長安定化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長多重伝送の光源には、一般に半導体レーザが用いられる。ところが、この半導体レーザは比較的温度安定性が悪く、放射光の波長が環境変化によりずれやすい。このような波長のずれは隣接波長との干渉を招くため、波長多重伝送システムでは、従来から半導体レーザに対してレーザ光の波長を安定化する波長安定化装置が用いられる。
【０００３】
この波長安定化装置の一例として、特許文献１に水晶エタロンによる共振子を利用した装置が開示されている。この種の波長安定化装置は、水晶エタロンのＺカット面に光反射膜の層を形成し、Ｘカット面に電極を設けてディザ信号を与え、このディザ信号により水晶エタロンを共振振動させる。この状態で、水晶エタロンにレーザ光を透過させて、エタロンの共振振動により光変調されたレーザ光を光検出器により受光して電気信号に変換する。検出された電気信号をディザ信号により同期検波することで誤差信号を生成する。この誤差信号に基づいて半導体レーザの注入電流もしくは温度を制御することにより、半導体レーザで発生される光の波長を水晶エタロンの光透過率の極値に安定化させる。
【０００４】
ところで、従来の波長安定化装置では、ディザ信号の周波数を水晶エタロンの機械的共振周波数に合わせる必要がある。水晶エタロンの機械的共振のＱ値が数１０００と高くなると、合わせる周波数精度も数１０ｐｐｍにする必要があり、その調整が極めて困難になる。その上、水晶エタロンは光学特性を優先させるため、機械的共振周波数が安定な方位のカットで切り出すことはできない。このため、温度変化などによって周波数がずれてしまい、最悪では波長の制御が不能に陥ることもある。
【０００５】
尚、特許文献２に水晶エタロンの一対の電極が帰還増幅器の帰還ループを構成し、発振させる構成が記載されている。しかしながら、この特許文献２には、水晶エタロンや増幅器の条件については記述されていない。このことから、実施に際して試行錯誤が余儀なくされ、調整作業が困難であると予想される。
【特許文献１】特開平０２−１３６６９１号公報
【特許文献２】特開平０３−０７２６８６号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上述べたように、従来の波長安定化装置は、ディザ信号の周波数を水晶エタロンの機械的共振周波数に合わせる必要があるが、その調整が極めて困難で、最悪の場合には波長制御が不能に陥るおそれがある。また、温度変化や経年変化による共振周波数のずれに追随させることも困難で、安定動作に欠ける。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、自動的に水晶エタロンの機械的共振周波数と一致したディザ信号を得ることができ、これによってディザ信号の周波数を無調整化し、温度変化や経年変化による共振周波数のずれを生じないようにすることのできる波長安定化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために本発明は、半導体レーザから放射されるレーザ光の発振波長を安定させる波長安定化装置において、水晶バルクの互いに対向するＺカット面、Ｘカット面にそれぞれ一対の光反射膜層、一対の電極を形成してなる水晶エタロンと、前記水晶エタロンを透過するレーザ光を受光して電気信号に変換する光検出器と、前記水晶エタロンの一対の電極をそれぞれアンプの入出力端に接続して帰還ループを形成し、この帰還ループ内に前記水晶エタロンの一対の電極の端子を組み込んで前記水晶エタロンの機械的共振周波数に一致する周波数のディザ信号を生成するディザ信号生成手段と、前記光検出器から出力される電気信号を前記ディザ信号と比較して誤差信号を生成する誤差信号生成手段と、前記誤差信号に基づいて前記半導体レーザの発振波長を制御する制御手段とを具備し、前記アンプの入力インピーダンスとゲインの積が前記水晶エタロンの機械的共振周波数における前記一対の電極間のインピーダンスよりも高いことを特徴とする。
【０００９】
上記構成では、水晶エタロンの機械的共振周波数と一致したディザ信号が自動的に得られるため、ディザ信号の周波数は無調整化が可能となる。また、温度変化、平年変化による共振周波数のずれも生じることがないので、信頼性も著しく向上する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、自動的に水晶エタロンの機械的共振周波数と一致したディザ信号を得ることができ、これによってディザ信号の周波数を無調整化し、温度変化や経年変化による共振周波数のずれを生じないようにすることのできる波長安定化装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１は本発明の一実施形態に係る波長安定化装置を概略的に示す斜視図である。図１において、１１は半導体レーザ（ＬＤ）である。この半導体レーザ１１は、注入電流によって発振し、前方及び後方に向けて所定波長の信号光を出射する。この半導体レーザ１１の前方から出射される信号光は図示しない光学系によって光ファイバ伝送路１０に入射され、後方から出射される信号は本実施形態の波長安定化装置に入射される。
【００１３】
波長安定化装置において、半導体レーザ１１からの信号光（以下、レーザ光）は、光軸上に配置されるコリメータ１２により平行光に変換され、水晶エタロン１３を透過して、光検出器（ＰＤ）１４に入射されて電気信号に変換される。
【００１４】
上記水晶エタロン１３は、水晶バルクを直方体形状に削り出し、一対のＺカット面（光軸に垂直な面）に光反射膜層Ｚ１，Ｚ２を形成し、一対のＸカット面（光軸に平行な面）に電極層Ｘ１，Ｘ２を形成したものである。電極層Ｘ１，Ｘ２はリード線１５，１６によって入力インピーダンスが高いアンプ１７の入出力端と接続され、これによって帰還ループが形成される。このアンプ１７は反転増幅器であり、帰還ループの中にはコンデンサ１８、１９と抵抗２０が接続され、全体としてコルピッツ発振回路を形成する。アンプ１７の入出力端間に接続される抵抗２１は直流の帰還抵抗であり、アンプ１７の出力の直流成分を安定化するために機能する。一般的には、抵抗２１は１ＭΩ以上の高抵抗である。
【００１５】
このように構成した帰還ループ回路は、水晶エタロン１３の機械的共振周波数と一致した周波数で発振する。この発振信号はディザ信号として利用可能であり、当然、水晶エタロンの電極Ｘ１，Ｘ２間にも印加される。このため、水晶エタロン１３は、電極層Ｘ１，Ｘ２間に印加されるディザ信号の周波数、即ちエタロンの機械的共振周波数で振動する。水晶エタロン１３に入射されたレーザ光は、当該エタロン１３の共振振動により光強度変調を受けて透過される。
【００１６】
上記光検出器１４は、水晶エタロン１３で光強度変調を受けたレーザ光を受光して、その光強度変化に対応した電気信号Ｓ１を発生する。この電気信号（以下、光検出信号）Ｓ１はアンプ１７から出力されるディザ信号Ｓ２と共に同期検波器２２に供給される。この同期検波器２２は、光検出信号Ｓ１とディザ信号Ｓ２との同期検波を行い、その位相誤差信号Ｓ３を生成する。この位相誤差信号Ｓ３は半導体レーザ１１送られ、その注入電流もしくは温度あるいは波長可変電極の制御に供される。これにより、半導体レーザ１１の光の波長を水晶エタロン１３の光透過率の極値に安定化させることができる。
【００１７】
上記構成による波長安定化装置において、以下にその動作を、図２を参照して説明する。図２は図１に示す装置の光透過特性及び同期検波出力特性を示す特性図である。図２において、波形Ａは水晶エタロン１３の光透過率がディザ信号によって変化する様子を表している。
【００１８】
水晶エタロン１３は、ディザ信号がＸカット面の電極層Ｘ１，Ｘ２に印加されると、ピエゾ効果により伸び縮みの運動を行う。したがって、光透過特性もディザ信号によって微小量だが左右に動く。その結果、水晶エタロン１３を透過したレーザ光の光強度も変化する。上記光透過特性の極小値Ａｂから極大値Ａｐまでの波長領域Ｗ１と極大値Ａｐから極小値Ａｂまでの波長領域Ｗ２とでは、光透過特性の傾きの符号が異なる。このため、水晶エタロン１３によって変調された透過光強度の位相は、波長領域Ｗ１，Ｗ２で１８０度異なる。
【００１９】
そこで、水晶エタロン１３の透過光を光電変換した信号とディザ信号とで同期検波を行い、誤差信号として波形Ｂの信号を得る。この誤差信号Ｂを波長制御に用い、半導体レーザ１１の注入電流もしくは温度を制御して、半導体レーザ１１の発振波長を誤差信号Ｂのゼロクロス点Ｂ１，Ｂ２に引き込む。Ｂ１，Ｂ２の波長はそれぞれ水晶エタロン１３の光透過率の極大値Ａｐ、極小値Ａｂである。したがって、フィードバック制御の極性を変えることにより、レーザ光の波長を水晶エタロン１３における光透過率の極大値、極小値を与える波長に選択的に安定させることができる。このようにディザ信号を用いる方法は、アンプのＤＣドリフトや光検出器の暗電流変化などの影響を受けることがないため、高精度に波長を安定させることができる。
【００２０】
本発明において、基本的な動作原理は従来と同様であるが、ディザ信号の生成方法が大きく異なる。水晶エタロン１３を水晶振動子と見なした場合の電気的等価回路は図３に示すようになる。図３において、直列に接続されたコイルＬ１とコンデンサＣ１は直列共振回路を形成している。これに直列接続されるＲ１は抵抗成分であり、並列に接続されるＣ２は水晶エタロン３の電極間の容量を示している。上記直列共振回路の共振周波数でのインピーダンスはほぼＲ１に等しくなる。
【００２１】
通常の水晶振動子では抵抗成分が数１０Ωから数１００Ω程度である。これに対して、水晶エタロン１３は電極間に光ビームを通すため、電極間隔が著しく大きくなっており、このため抵抗成分も数１０ｋΩから数１００ｋΩ程度と大きい。しかし、機械共振のＱ値は、以下に述べる中点保持型にすることにより数１０００のものが得られ、条件が揃えば発振は可能である。例えば、我々の試作例では、Ｃ２＝０．６ｐＦ、Ｃ１＝０．００１５ｐＦ、Ｌ１＝２１Ｈ、Ｒ１＝６２ｋΩとしたとき、８９２ｋＨｚの共振周波数が得られた。
【００２２】
そして、最も重要な条件は、アンプ１７の入力インピーダンスとゲインＧの積が抵抗成分Ｒ１より高い値を有することである。入力がローインピーダンスのアンプでは帰還量が小さくなり、発振できなくなる。図１の抵抗２０、２１を無視し、水晶エタロン１３による抵抗成分Ｒ１のみ考慮した帰還増幅回路を図４に示す。
【００２３】
アンプ１７の出力インピーダンスが小さいとすれば、コンデンサ１９も無視することができるので、発振回路の振幅条件より式（１）が得られる。  
Ｚ（Ｇ−１）＞Ｒ      （１）  
ここで、Ｚはコンデンサ１８とアンプ１７の入力インピーダンスの並列接続値を表わす。Ｇ>>１として、  
ＺＧ＞Ｒ              （２）  
が得られる。コンデンサ１８，１９は比較的小さい容量にする必要があるので、Ｚはアンプ１７の入力インピーダンスに概略等しい。したがって、アンプ１７の入力インピーダンスとゲインの積は、水晶エタロン１３の機械的共振周波数におけるインピーダンスよりも高くする必要がある。
【００２４】
厳密には、コルピッツ発振回路ではＬ１とＣ１の直列共振周波数より少し高い周波数で発振する。また、コンデンサ１８，１９、抵抗２０などを無視しているので、（２）式は余裕を持って満たす必要がある。
【００２５】
（２）式を十分満たせるアンプ１７には、入力段にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いた演算増幅器が利用可能である。ＦＥＴ入力の演算増幅器は通常の演算増幅器と比べて入力インピーダンスが高い特徴を有する。加えて演算増幅器のゲインは高いので、（２）式を満たすアンプとして適している。
【００２６】
尚、アンプの種類によっては入出力間の位相差が１８０°からずれている場合がある。このようなアンプでは位相条件が合わず、発振しない場合がある。このような場合には、帰還ループの中にさらに位相調整部分を設けるとよい。図５にこのような場合の実施形態の構成を示す。図５において、図１と同一部分には同一符号を付して示す。図５において、破線で囲んだ部分が位相調整部２３であり、抵抗２４とコンデンサ２５によって構成されている。この位相調整部２３により最大９０度位相を遅らせることができるが、振幅の低減を考慮すると６０度以下程度に設計することが望ましい。
【００２７】
尚、図５では抵抗２４とコンデンサ２５によって構成する例を示したが、２４をコイルにし、２５を抵抗としてもよい。また、位相を進めたほうがよい場合は２５を抵抗とし、２４をコンデンサとしてもよい。或いは、図１の抵抗２０とコンデンサ１９を取り除いてもよいし、ハイインピーダンスアンプ１７を入出力同相のアンプとしてもよい。
【００２８】
ところで、上記実施形態において、水晶エタロン１３の機械的共振のＱはある程度大きくないと発振しなくなる。従来のように水晶エタロンを基台に固定するような構造では、Ｑ値が数１０程度となって大きく取れないため、発振は極めて難しい。そこで、図１に示した電極Ｘ１、Ｘ２の中央部に接続されるリード線１５，１６に導電性を有するシャフト（線材）を用い、このシャフトによって水晶エタロン１３を保持する構造を取ると、Ｑ値は数１０００と飛躍的に大きくなる。その理由は、上下方向に伸縮運動する最低次モードでは、エタロンの中央部が節、両端部が腹となっており、上記保持構造では節を支持するため機械的損失が小さくなるからである。
【００２９】
また、上記実施形態において、同期検波器２２の２入力信号Ｓ１，Ｓ２の位相差がほぼ９０°であるときは同期検波出力が小さくなる。このような場合は、同期検波器２２の２入力Ｓ１もしくはＳ２のどちらか一方の経路に位相調整部を設けるとよい。この様な例を図６に示す。図６においても図１と同一部分には同一符号を付して示す。図６では同期検波器２２のディザ信号Ｓ２の入力側に位相調整部２６が挿入されているが、光検出信号Ｓ１の入力側に挿入してもよい。位相調整部２６はコンデンサ２７と抵抗２８から構成されており、最大で９０°の位相をずらすことができる。この位相調整部２６はＳ１，Ｓ２の位相差を９０°からずらすことが目的であるため、抵抗２８とコンデンサ２７を入れ替えてもよい。また、コイルと抵抗で構成してもよいし、コイルとコンデンサで構成してもよい。コイルとコンデンサによって構成すれば９０°以上の位相差にすることもできる。
【００３０】
以上、帰還ループ回路に構成する発振回路には、コルピッツ形発振回路を取り上げて説明したが、ハートレー形やピアス形など他の形式の発振回路も適用することは可能である。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る波長安定化装置の構成を概略的に示す構成図。
【図２】上記実施形態において、波長安定化装置の光透過特性及び同期検波出力特性を示す特性図。
【図３】上記実施形態の帰還ループ回路において、水晶エタロンを水晶振動子と見なした場合の電気的等価回路に示す回路図。
【図４】上記実施形態の帰還ループ回路において、水晶エタロンによる抵抗成分のみ考慮した帰還増幅回路の一例を示す回路図。
【図５】上記実施形態において、帰還ループ回路に用いられるアンプの入出力間の位相差が１８０°からずれている場合の調整方法を説明するための構成図。
【図６】上記実施形態において、同期検波器の２入力信号の位相差がほぼ９０°で同期検波出力が小さくなる場合の調整方法を説明するための構成図。
【符号の説明】
【００３３】
１０…光ファイバ伝送路、１１…半導体レーザ（ＬＤ）、１２…コリメータ、１３…水晶エタロン、１４…光検出器（ＰＤ）、１５，１６…リード線、１７…アンプ、１８，１９…コンデンサ、２０，２１…抵抗、２２…同期検波器、２３，２６…位相調整部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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