アセチレン安定化半導体レーザー光源のオートロックシステムの開発
植田研究室

佐々木 幸一１． はじめに光ファイバー通信の光源における 1.5μm 帯の周波数標準として、アセチレンを用いた方法が長年の研究により確立されてきた。それがアセチレン安定化半導体レーザー光源である。周波数の安定化を行う従来の方法は、光学系からの信号を、アナログ制御回路を用いて制御し、周波数の安定化を手動で行うものであった。それにはアナログ回路の専門知識が必要で、且つ非常に敏感な信号を手動で制御しなければならない、という欠点があった。それを克服する本研究の目的は、Ｈ８マイコンを用いて、この光源をオートロック化することである。それによって、誰でも簡単に周波数安定化を実現できると考えられる。

２．周波数安定化の原理
２．１ 光学系
アセチレン安定化半導体レーザー光源の構成を図２.１に示す。
ファラデ ー ロ ー テー タ
1/2波 長 板
40cm ア セ チ レン ・セ ル
PBS プロ ー ブ光

ポ ンプ光

PBS

1/2波 長 板

PD

ファラデ ー ロ ー テー タ

EOMAOM

80MHz

ポ ン プ光
916kHzプロ ー ブ光図２.１

PBS

Ｈ８Ｖ out

D BM

制御回路Ｖ in

D FB− LD
アセチレン安定化半導体レーザー光源の構成

電流源

1/2波 長 板

図 2.1 ア セ チ レ ン 安 定 化 半 導 体 レ ー ザ ー 光 源 の 構 成

狭線幅で高出力レーザーを発振させる DFB(Distributed Feed Back)-LD から、任意の周波数ｆの光を発振させ、PBS(偏光ビームスプリッター)でポンプ光とプローブ光に分ける。まずポンプ光は、EOM（電気光学素子）で 916kHz の位相変調を与えられ、AOM（音響光学素子）で光干渉による雑音を防ぐために周波数を８０MHz シフトし、アセチレン・セルを透過した後、PBS で外部に逃がしている。一方、プローブ光は、アセチレン・セルでポンプ光と対向するように透過して、位相変調を受け取った後、光検出器(PD)で電気信号に変換されて、DBM(Double Balanced Mixer)で復調されて、制御回路に入力されている。そこで電流源を介して、LD の発振周波数ｆを制御することによって、アセチレン・セルからドップラーフリーの飽和吸収信号が得られるように、周波数を安定化している。
本研究では、光学系からの復調信号をＨ８マイコンで監視し、ＬＤにフィードバックさせる信号を制御することによって、周波数の安定化を実現させようと考えた。信号を制御するプログラムをＨ８マイコンに書き込み、それを動作させることによってオートロックシステムを構築した。
1

２．２

飽和吸収信号

飽和吸収信号を DBM で復調、つまり一回Voutができる。この波形の概形を図２.２に示す。
この波形の特徴の一つに、信号の中央が０点に交わっていること、二つ目に０点付近でＶout とｆが比例関係であることが挙げられる。
この二つの特徴から、フィードバック制御を行うことによって、レーザーの周波数を０点復調信号(誤差信号)の電圧 Ｖout微分すると、周波数弁別曲線に変換すること

復調前
復調後

０
線幅約１MHｚLocking range
ff0に安定化することが可能になることが言える。

レーザーの周波数 f

また、ロック範囲という、フィードバック

図２.２ 飽和吸収信号の様子ゲインを上げたら、周波数が０点に自動制御される範囲を飽和吸収信号に設定した。

Vout

３．周波数安定化の方法
３．１ 周波数掃引④ Locking rangeVｔｈ

Ｈ８マイコンを用いて、周波数を掃引する様子を図３.１に示す。まず飽和吸収信号にロック範囲０に入ったことを示す閾値電圧±Ｖth を設定した。
①より、Ｈ８マイコンからＬＤの発振周波数ｆを②①③-Vｔｈ掃引した。②の閾値電圧に達したら、③で周波数掃引を止めて、④のロック範囲に周波数が入るよ

foうにした。

３．２f

図３.１ 周波数掃引

ゲインと積分周波数がロック範囲に入ったら、制御回路に搭載

Voutされているゲインを上げる回路と、積分制御の次数Locking rangeを上げる回路の両スイッチをＯＮにする信号をＨ８マイコンから送信した。
その様子を図３.２に示す。まずゲインを上げることによって、①のように周波数が０点に安定化した。

０②①

次に積分制御の次数を上げることによって、つまり結果的にフィードバックゲインを上げることによって、②のようにさらに安定度を増加させた。

fo

この時点で、レーザーの周波数が安定化した状態であると言える。

３．３f

図３.２ フィードバックゲインを上げる

ロック外れ検出周波数安定状態を監視して、ロックが外れた場合、Ｈ８マイコンのプログラムを初期化して、再び周波数の掃引からやり直して、再度周波数を安定したい。
2

① control range

Vout

ロックが外れる様子を図３.３に示す。まずロックが外れたことを示す閾値を設け、その範囲を①のように制御範囲と設定した。

③ ②

０②で周波数が閾値に達し、③で制御範囲を②③越えて、ロックが外れたことを検出したら、Ｈ８マイコンのプログラムを初期化して、同じような過程で再度周波数を安定化した。

３．４-fthfth

fof

図３.３ ロック外れ検出

全体的な信号の流れ

以上のＨ８マイコンを用いた周波数安定化の方法を踏まえながら、全体的な信号の流れを図３.４に示す。

フィー ドバ ック制 御 の 流 れ
P → Ｖ

周波数掃引の流れ

I →ｆｆ

LD→

P

信号取得系

光学系

I発振器

V→

電流源

制御信号
Ｖ in 2

ＤＢＭ

制御回路
ゲイン

積分
周波数掃引信号Amp

Ｖ in 1

誤差信号
Ｖ out

ロック外 れ 検出器

安定化状態を監視

D /A

出力

入力

図 ３ .４

A/D

H 8

全体的な信号の流れ

ＬＤから任意の周波数ｆを発振させ、光学系でパワーＰの光が得られ、信号取得系で電気信号Ｖに変換されて、Ｈ８マイコン内蔵のＡＤ変換器でディジタル信号に変換されて、Ｈ８のＣＰＵに読み込まれた。
その信号を監視して、ＬＤの発振周波数ｆがロック範囲内かどうかを調べ、その範囲に入るまで、Ｈ８内蔵ＤＡ変換器から電流源を介して、ＬＤの発振周波数ｆを掃引する信号を送信し続けた。
周波数ｆがロック範囲に入ったら、ゲインと積分制御の次数を上げる信号を、Ｈ８マイコンから制御回路に送信して、誤差信号のフィードバックゲインを上げた。そこで、フィードバックによる自動制御によって、周波数が安定化された。
電流源にフィードバックする信号をロック外れ検出器に入力して、周波数安定化状態を監視した信号をＨ８マイコンに入力させた。そこでロックが外れたことを検出したら、ゲインと積分制御の次数を下げる
信号を制御回路に送信し、Ｈ８マイコンのプログラムを初期化して、再び周波数掃引から行わせて、周波数の安定化を行った。

４．実験データ
図４.１のように、それぞれの信号と別のアセチレン安定化光源とのビート周波数の時系列を測定するこ3

とによって、周波数安定化の評価を行った。
0.6

Vin1

0.5

H8からの周波数掃引信号

0.4
0.3
0.2
0.1

00-0.1-0.2
0.04700

750

800

850

900

Vout

950

10001050

11001150

1200

信号を検出

0.030.02

誤差信号(復調信号)

0.01
00-0.01
-0.02
1 700

Vin20750

800

850

90095010001050

11001150

12000

制御信号
(ロック外れ検出信号)-1-2

ロック外れ検出-3-4-5-6700

2.0E+08

⊿ｆ750

800

850

900

950

10001050

11001150

1200

別のアセチレン
安定化光源とのビート周波数

1.5E+08
1.0E+08

4.0E+070 0
5.0E+07
0.0E+00

120130

周波数掃引140150

安定化

160

170

180

時間 ｔ (s)190

200100

故意にロックを外す 再び周波数掃引

再び安定化

図４.１ 時系列

５．考察
Ｈ８マイコンの電源スイッチを入れていないフリーランの状態から、測定を開始し、約１８秒経過した
ところでスイッチをＯＮにした。そこから周波数掃引が掃引され、約２９秒の時点で飽和吸収信号を感知して、周波数がロック範囲に入ったことが Vin1、Vout より確認できる。周波数掃引を止めて、誤差信号のフィードバックゲインを上げたら、ビート周波数が一定になって、レーザーの周波数が安定化されたことが Vin1、⊿f より確認できる。また約６６秒の時点で、光学系のプローブ光を故意に遮って、ロックを外したところ、ロック外れ検出器で制御信号が急激に変動し、ロックが外れたことが Vin2 より確認できる。その後、Ｈ８マイコンのプログラムを初期化して、再び周波数の掃引を行って、飽和吸収信号を感知したら、フィードバックゲインを上げて、再度レーザーの周波数が自動で安定化されたことが確認できる。

６．結論
H8 マイコンを用いて、それにプログラムを書き込むことによって、周波数の安定化を自動で行うオートロックシステムを構築した。周波数を安定化する様子を、それぞれの信号の時系列を測定した結果、ビート周波数の評価により、自動で周波数の安定化を実現することができた。またロックが外れても、自動的に周波数安定化が復元できた。よってスイッチ 1 つで簡単に周波数安定化が実現できたと言える。

７．今後の展望
今後の課題は、サーボフィルター部の DSP（Digital Signal Processor）化により、制御系の全ディジタル化を構築することである。それによってフィードバックの特性をプログラムで調整でき、パラメータを変更してもシステム最適化がし易くなり、その結果、系全体が柔軟になると考えられる。またアナログ回路が削減されて、系全体がシンプルになるだけでなく、ノイズの影響が減少することも期待できる。DSP化によって、アナログ回路の専門知識をあまり必要とせずに、周波数安定化の制御が自在に行えるようになるであろう。

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