レーザー周波数安定化
レーザの絶対周波数を安定化させることは、ガスセンシングや光スペクトラムアナライザの校正など、多くのアプリケーションで中心的な役割を担っています。
絶対周波数の安定化は、分光線に依存しています。
ここでは、HCNスタンダードセル上のテレコムDFB LDを安定化させました。
Koheron CTL100 LDコントローラのような精密な低ノイズLDコントローラを使用すると、短期的に安定で狭い線幅の発光が得られます。
しかし、レーザの絶対周波数は正確には把握できていないため、長期的（数時間、数日・・・）にはドリフトしてしまいます。
この問題を解決するために、レーザの周波数を分光線に参照させることができます。
原子や分子の遷移は、周囲の条件の影響が弱いので、ドリフトは劇的に減少します。
絶対的な周波数の把握は、計量標準にトレースできるスペクトル線を用いて行います。
例えば、標準圧力下のHCNガスセルには、NISTトレーサブルな吸収線が存在します。
これらのラインは通信用Cバンドの波長校正に使用します。ここでは、このようなライン上でLDを安定化させる方法を紹介します。
実験セットアップ
安定化のためのセットアップは、
1550nmのDFB LDをKoheron CTL100-B-400 LDコントローラで制御しています。
レーザ出力は、分光セルを通過する光と参照光の2つの経路に分離されます。
両方のビームをKoheron PD100B-DC バランス光検出器で検出することにより、レーザ強度のノイズに影響されない分光吸収測定が可能となります。
検出器の出力は、Koheron PI200-T LDサーボコントローラの入力に供給されます。
LDサーボコントローラのセットポイントを調整することで、吸収プロファイルのオフセットを減算することができます。
これにより、吸収線側でロックできる誤差信号が得られます。
LDサーボコントローラの高速出力はLDの電流を制御し、低速出力はその温度を制御します。
LDサーボコントローラの設定値変調入力に接続された波形発生器により、任意のレーザ周波数変調が行われます。
エラー信号
ループを閉じる前に、レーザコントローラのDC入力（青）に変調ランプを送り、光検出器の出力（黄）とエラー信号（緑）を観察します。
誤差信号は、サーボコントローラの設定値ポテンショメータで調整可能なオフセットによって変位した吸収線です。
感度を上げるために、吸収線の外側で光検出器を飽和させ、吸収線の関心領域で信号を最大にすることを考慮してもよいでしょう。
LD制御
LDの電流や温度を調整し、周波数を補正します。ここでは、LDコントローラーのDC入力を使って、電流を制御しています。
DC入力は、高、中、低の3つの変調範囲を提供します。一方，中程度の変調範囲では，より高い補正深度が得られます。
しかし、LD電流に注入される広帯域ノイズは、低変調域の場合よりも大きくなります。
一方、低変調域では、ノイズは最小限に抑えられますが、ダイナミックレンジが狭くなります。
両者の良いところを組み合わせるために、サーボコントローラーの高速出力をLDコントローラーのDC変調に接続します（低域に設定）。
低速出力は、温度変調に接続されています。高速出力と低速出力の間の低速積分器により、サーボコントローラーは、DC電流変調入力の中心をゼロに維持するようにレーザー温度を調整します。
このようにして、電流変調の大きな帯域幅と低ノイズの恩恵を受けながら、温度変調のおかげで大きな調整幅を持つことができるのです。
ロックのチューニング
ロックゲインを調整するには，設定値変調入力に矩形波を送り、ステップ応答を最適化します。
ここでは100 kHzの矩形波を使用し、いくつかの高速積分器ゲインの結果を観察します。
青い信号が設定値変調入力、緑の信号がエラー信号、黄色の信号が光検出器出力です。
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ポジション1（最小ゲイン）でのゲイン。立ち上がり時間が遅すぎて定常状態にならず、誤差信号がゼロに戻らない。
帯域幅は100 kHz以下です。
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5の位置でゲイン。ある程度のオーバーシュートの後、定常状態になり、誤差信号はゼロに戻ります。
立ち上がり時間は220 nsで、これは1.6 MHzの帯域幅に相当します。
- ゲインを6の位置に設定する。ゲイン高すぎ：信号が発振する。
任意周波数変調
レーザーがフリンジ側で周波数ロックされると、サーボコントローラーの設定値変調入力を使って、任意の周波数変調を行うことができます。
例えば、1.6 MHzという高い帯域幅を活かして、10kHzの高品質なランプを発生させることができます。
