DE69632652T2

DE69632652T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung eines modengekoppelten Lasers

Info

Publication number: DE69632652T2
Application number: DE69632652T
Authority: DE
Inventors: Hidehiko Yokosuka-shi Takara; Satoki Zushi-shi Kawanishi; Masatoshi Yokusuka-shi Saruwatari
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1995-01-17
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2016-01-17
Also published as: DE69632652D1; US5646774A; JPH08195519A; JP3234429B2; EP0723320A3; EP0723320B1; EP0723320A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verfahren und Geräte zum Stabilisieren der Ausgabe eines modengekoppelten Lasers, der für optische Kommunikation, optische Messungen etc. verwendet wird.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Modengekoppelte Laser haben viele attraktive Merkmale wie zum Beispiel die Erzeugung von optischen Pulsen mit hoher Wiederholungsfrequenz und kurzer Pulsdauer. Daher wurden diese Laser aktiv untersucht, um sie auf Gebieten wie zum Beispiel der Ultrahochgeschwindigkeits- und langreichweitigen optischen Kommunikation, optischen Messungen etc. einzusetzen.
17A zeigt ein Beispiel des Aufbaus eines modengekoppelten Lasers vom herkömmlichen Ringhohlraumtyp. Der in dieser Figur gezeigte herkömmliche modengekoppelte Laser vom Ringhohlraumtyp besteht aus einem optischen Modulator 102 zum Modulieren des optischen Verlusts oder der Phase mit der spezifizierten Frequenz, einer Stromversorgung 101 für den optischen Modulator 102, einem optischen Verstärker 103, der das modulierte optische Signal verstärkt, einem optischen Isolator 104, der eine Ausbreitungsrichtung des optischen Signals vorschreibt und reflektiertes Licht von optischen Komponenten abblockt, einem Optokoppler 105, der das verstärkte optische Signal aus dem Laserhohlraum ausgibt, einem wellenlängenabstimmbaren Filter 106, sowie optischen Wellenleitern 107, die jede der obigen Komponenten optisch koppeln (Referenz: H. Takara et al., "20GHz transform-limited optical pulse generation and bit-error-rate operation using a tunable, actively mode-locked Er-doped fiber ring laser", Electron. Lett., Bd. 29, Nr. 13, S. 1149–1150, 1993).
Konkret wird als der optische Modulator 102 hauptsächlich ein Modulator verwendet, der den elektrooptischen Effekt von LiNbO₃ etc. verwendet. Als das wellenlängenabstimmbare Filter 106 wird hauptsächlich ein dielektrisches Vielfachfilmfilter verwendet. Als optischer Wellenleiter 107 wird hauptsächlich eine optische Faser verwendet. Als optischer Verstärker 103 wird hauptsächlich ein Selten-Erd-dotierter Faserverstärker, der mit Selten-Erd-Metallen wie Er und Nd dotiert ist, ein Halbleiterlaserverstärker etc. verwendet.
Nun werden mit Bezug zu den 17B und 17C Operationsprinzipien des herkömmlichen modengekoppelten Lasers beschrieben werden. 17B zeigt eine typische spektrale Charakteristik aufgrund der Modenkopplung, und 17C zeigt ihre Zeitcharakteristika.
Wie in 17A gezeigt, sind der optische Modulator 102, der optische Verstärker 103, der optische Isolator 104 und der Optokoppler 105 mit den optischen Wellenleitern 107 in eine Ringform zusammengekoppelt, um einen Ringhohlraum zu bilden. Wenn die physikalische Länge und der Brechungsindex von Komponenten des Ringhohlraums "h" und "n" sind, so ist die optische Weglänge "L" des Ringhohlraums definiert als die Summe von Produkten jedes Brechungsindex n_i und jeder physikalischen Länge h_i gemäß der nachfolgenden Formel (wobei "i" eine natürliche Zahl ist): L = Σ hini (1)
Für einen Ringhohlraum existieren vielfache Longitudinalmoden mit Frequenzintervallen, die durch die Hohlraumfundamentalfrequenz f_c=c/L gegeben sind (c ist die Lichtgeschwindigkeit). Wendet man eine optische Modulation mit der nachfolgen den Wiederholungsfrequenz f_m mit dem optischen Modulator 102 im Ringhohlraum an, fm = N · fc (N ist eine ganze Zahl größer oder gleich eins) (2),so wird eine modengekoppelte Oszillation bewirkt, in der die Phasen aller Longitudinalmoden mit Frequenzintervallen von N · f_c wie in 17B gezeigt zu einander ausgerichtet sind, und der in 17C gezeigte optische Pulszug mit der Wiederholungsperiode von 1/(N · f_c) erhalten wird. Diese Formel (2) drückt einen Modenkopplungszustand aus.
Die Pulsbreite entspricht dem Inversen der spektralen Oszillationsbreite dν, die bestimmt wird mit der Einhüllenden von mehrfachen Longitudinalmodenspektren, und das Zentrum dieser spektralen Einhüllenden ist eine zentrale Wellenlänge (optische Frequenz ν₀).
Wenn sich außerdem die optische Weglänge des Hohlraums L aufgrund einer Temperaturveränderung etc. ändert, so ändert sich auch das oben beschriebene Longitudinalmodenfrequenzintervall f_c. Daher muss zur Erfüllung der Modenkopplungsbedingung gemäß der obigen Formel (2) die Modulationsfrequenz f_m in Antwort auf die Veränderung von f_c geändert werden. Das heißt, um einen Modenkopplungszustand zu erzielen, ohne durch die Änderung der Hohlraumlänge beeinflusst zu werden, muss die Modulationsfrequenz f_m in Antwort auf die Änderung der optischen Weglänge des Hohlraums geändert werden. Da jedoch allgemein die Modulationsfrequenz f_m fest war, war es schwierig, auf die Änderung der optischen Weglänge des Hohlraums aufgrund einer Temperaturveränderung etc. zu antworten, und frühere modengekoppelte Laser wie der oben beschriebene waren unpraktisch.
Zur Lösung dieses Problems wurden einige Verfahren zum Stabilisieren der Ausgabe eines modengekoppelten Lasers vorgeschlagen, beispielsweise von EP-A1-0 713 274, DE-A-43 17 667 oder X. Shan (Referenz: X. Shan, et al., "Stabilising Er fiber soliton laser with pulse phase locking", Electron. Lett., Bd. 28, Nr. 2, S. 182-184, 1992).
Die EP-A1-0 713 274, die eine europäische Patentanmeldung gemäß Artikel 54(3) EPC ist, offenbart einen modengekoppelten Faserlaser zum Erzeugen gepulsten Signallichts einer vorbestimmten Pulswiederholungsfrequenz. Der modengekoppelte Faserlaser hat einen Faserresonator, eine Einrichtung zum Ändern der optischen Weglänge des Faserresonators und eine Steuervorrichtung. In der Steuervorrichtung wird ein dem Signallicht überlagertes Interferenzsignal durch seine Frequenz erfasst, die niedriger als die Pulswiederholungsfrequenz ist, und ein Steuersignal für die Einrichtung zum Ändern der optischen Weglänge ist aus dem Interferenzsignal ableitbar.
Die DE-A-43 17 667 offenbart einen modengekoppelten Faserlaser zum Erzeugen von gepulstem Signallicht einer vorbestimmten Pulswiederholungsfrequenz. Der modengekoppelte Faserlaser hat einen Faserresonator, eine Einrichtung zum Ändern der optischen Weglänge des Faserresonators sowie eine Steuervorrichtung, umfassend einen phasenempfindlichen Verstärker, der durch ein Wobbelsignal getrieben wird.
18 ist eine schematische Darstellung des herkömmlichen Verfahrens nach X. Shan. Bei diesem herkömmlichen Verfahren wird die Phasendifferenz zwischen einer modengekoppelten Frequenzkomponente S_m1 von der Stromversorgung 201 und einer modengekoppelten Frequenzkomponente S_m2 des elektrischen Signals, das von einer Laserausgabe durch photoelektrische Umwandlung erhalten wurde, sowie die optische Weglänge durch eine optische Verzögerungsleitung 208 im Hohlraum gesteuert/geregelt, um die Änderung der Phasendifferenz zu unterdrücken. Da jedoch bei diesem herkömmlichen Verfahren die Stabilität der Laserausgabe hauptsächlich von der Initialisierung der optischen Weglänge des Hohlraums abhing, waren zu Beginn des Laserbetriebs sehr präzise Einstellungen der optischen Weglänge des Hohlraums erforderlich. Da außerdem die Hohlraumlänge geändert werden musste, wenn eine modengekoppelte Frequenz geändert wurde, konnte die modengekoppelte Frequenz nicht einfach verändert werden. Zudem hat dieses Verfahren das Problem einer geringen Zuverlässigkeit, da es die Stabilität der Laserausgabe nicht direkt überwacht.
Wenn beispielsweise die Temperatur etc. die Ausbreitungslänge der modengekoppelten Frequenzkomponente S_m1 von der Stromversorgung 201 zum Phasenkomparator 241 ändert, so wird auch die optische Weglänge des Hohlraums verändert, um die Phasendifferenz der modengekoppelten Frequenzkomponente konstant zu halten, und der Laserbetrieb verschiebt sich aus dem Modenkopplungszustand heraus, und die Laserausgabe wird instabil. Da außerdem die Ausgangsfrequenz der Stromversorgung im Allgemeinen größer als 2 GHz ist, wird ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb für den photoelektrischen Wandler 210, die Phasenkomparatoreinheit 241 und ihre Peripherieschaltungen benötigt.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Stabilisierungsverfahren und -gerät für einen modengekoppelten Laser vorzuschlagen, mit hoher Stabilität und hoher Zuverlässigkeit, und zwar durch Verwendung der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente, die als Index für die Stabilität der Laserausgabe verwendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung bietet zwei Verfahren zum Stabilisieren der Ausgabe eines modengekoppelten Lasers gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 2. Der Laser umfasst eine optische Modulationsvorrichtung, eine optische Weglängenveränderungsvorrichtung zum elektrischen Ändern der optischen Weglänge des Hohlraums, sowie eine optische Verstärkervorrichtung zum Verstärken des von der optischen Modulationsvorrichtung ausgegebenen modulierten optischen Signals. Beide Verfahren umfassen einen Schritt des Extrahierens wenigstens einer Komponente aus der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und ihren harmonischen Komponenten der Laserausgabe als ein Fehlersignal einer Rückkopplungssteuerung, sowie einen Schritt des Einstellens der optischen Weglänge durch die optische Weglängenveränderungsvorrichtung zur Einstellung der optischen Weglänge, um das Fehlersignal unter einen vorbestimmten Wert zu unterdrücken. Das Verfahren nach Anspruch 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass es ferner Schritte umfasst zum Initialisieren der optischen Weglänge bei einem Wert, wo die elektrische Leistung des Fehlersignals minimal ist. Das Verfahren nach Anspruch 2 bezieht sich auf einen Laser, ferner umfassend eine Temperaturerfassungseinrichtung, und ist dadurch gekennzeichnet, dass es ferner einen Schritt des Initialisierens der optischen Weglänge entsprechend der erfassten Temperatur umfasst.
Die Erfindung schlägt außerdem ein Gerät zum Stabilisieren der Ausgabe eines modengekoppelten Lasers nach Anspruch 4 vor. Das Gerät umfasst eine optische Modulationsvorrichtung zum Modulieren eines optischen Eingangssignals mit einer bestimmten Frequenz, und eine optische Verstärkungsvorrichtung zum Verstärken des von der optischen Modulationsvorrichtung ausgegebenen modulierten optischen Signals, eine optische Verzögerungsvorrichtung zum elektrischen Ändern einer optischen Weglänge des Hohlraums, eine optische Auskopplungsvorrichtung zum Abspalten eines Teils der Laserausgabe, eine Extraktionsvorrichtung zum Umwandeln des abgespaltenen optischen Signals in ein elektrisches Signal und zum Extrahieren wenigstens einer Komponente aus der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und ihren harmonischen Komponenten des elektrischen Signals als ein Fehlersignal einer Rückkopplungssteuerung, und eine elektrische Signalverarbeitungsvorrichtung zum Eingeben des Fehlersignals und zur Ausgabe eines Signals zum Treiben der optischen Verzögerungsvorrichtung, um die elektrische Leistung des Fehlersignals unter einen vorbestimmten Wert zu unterdrücken, und ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen einer Temperatur umfasst, die wenigstens einer der Komponenten des modengekoppelten Lasers zugeordnet ist, wobei die elektrische Signalverarbeitungseinrichtung das Signal, welches die optischen Weglängenveränderungsmittel treibt, entsprechend der erfassten Temperatur ausgibt.
Entsprechend den obigen Konfigurationen steuert man eine optische Weglängenveränderungsvorrichtung oder eine optische Verzögerungsvorrichtung im Hohlraum zum Unterdrücken der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente des elektri schen Signals, das von dem aus dem modengekoppelten Laser ausgegebenen optischen Signal umgewandelt wird, durch Verwendung einer Rückkopplungssteuerung unter einen festen Wert.
Diese Konfiguration kann eine Veränderung der optischen Weglänge des Laserhohlraums verhindern und ein stabiler modengekoppelter Betrieb kann hierdurch erreicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
Die 2A, 2B, 2C und 2D sind Darstellungen einer Fundamental-Hohlraumfrequenzkomponente, einer Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und ihrer harmonischen Komponenten in dem in 1 gezeigten modengekoppelten Laser zeigen. Der mit "A" bezeichnete Ausschnitt von 2A ist in 2B durch den entsprechend als "A" bezeichneten Ausschnitt vergrößert gezeigt. Der mit "B" bezeichnete Ausschnitt von 2B ist in 2C durch den entsprechend bezeichneten Ausschnitt "B" vergrößert gezeigt.
3 ist eine Darstellung, die ein Messergebnis der Abhängigkeit der optischen Weglänge des Hohlraums von elektrischen Leistungsverhältnissen zwischen der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und der Modenkopplungsfrequenzkomponente P_r/P_m sowie zwischen der Supermodenkomponente und der Modenkopplungsfrequenzkomponente P_S/P_m und eine Fehlerrate zeigt.
Die 4A und 4B sind schematische Darstellungen, die konkrete Beispiele für die in 1 gezeigte optische Verzögerungsleitung zeigen, und die 4C und 4D sind Darstellungen, die ein Beispiel des Treibsignals S_D bzw. der Zeitabhängigkeit des Bewegungsbetrags jeder optischen Verzögerungsleitung in Antwort auf das Treibsignal S_D zeigen.
Die 5A und 5B sind schematische Darstellungen, die andere konkrete Beispiele für die in 1 gezeigte optische Verzögerungsleitung zeigen; 5C ist eine Schnittansicht, die den Schnitt des Teils A–A in 5B zeigt; und 5D ist eine Darstellung, die die Zeitabhängigkeit des Bewegungsbetrags jeder optischen Verzögerungsleitung in Antwort auf das Treibsignal S_D zeigt.
6 ist eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der optischen Weglänge eines Hohlraums L und der elektrischen Leistung der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente P_r zeigt.
7 ist eine schematische Darstellung, die ein Aufbaubeispiel der in 1 gezeigten elektrischen Signalverarbeitungsschaltung 13 zeigt.
8 ist eine schematische Darstellung, die eine zweite bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt.
9 ist eine Darstellung, die ein Beispiel eines grundlegenden Betriebsalgorithmus der in 1 gezeigten elektrischen Signalverarbeitungsschaltung 13 zeigt.
10 ist eine schematische Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
11 ist eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Hohlraums T und seiner optischen Weglänge L zeigt.
12 ist eine schematische Darstellung, die ein weiteres Beispiel der dritten bevorzugten Ausführungsform zeigt, die in 10 gezeigt ist.
13 ist eine schematische Darstellung einer vierten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung.
Die 14A und 14B sind schematische Darstellungen, die konkrete Beispiele des in 13 gezeigten wellenlängenabstimmbaren Filters zeigen.
15 ist eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Oszillationszentralwellenlänge λ und der optischen Weglänge L des Hohlraums zeigt.
16 ist die Aufbaufigur einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
17A ist ein Blockdiagramm, das ein Aufbaubeispiel eines herkömmlichen modengekoppelten Lasers zeigt, und die 17B und 17C sind Graphen, die Betriebscharakteristika des in 17A gezeigten Lasers zeigen.
18 ist ein Blockdiagramm, das das Aufbaubeispiel des anderen herkömmlichen modengekoppelten Lasers zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden mit Bezug zu den Zeichnungen die bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung beschrieben werden.
Erste bevorzugte Ausführungsform
1 ist eine Darstellung, die eine erste bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform des Stabilisierungsgeräts für einen modengekoppelten Laser vom Ringhohlraumtyp zeigt. Der in dieser Figur gezeigte modengekoppelte Laser vom Ringhohlraumtyp hat eine Stromversorgung 1 für einen optischen Modulator 2, einen optischen Modulator 2, einen optischen Verstärker 3, einen optischen Isolator 4, einen Optokoppler 5 und ein wellenlängenabstimmbares Filter 6, entsprechend der Stromversorgung 101, dem optischen Modulator 102, dem optischen Verstärker 103, dem optischen Isolator 104, dem Optokoppler 105 bzw. dem wellenlängenab stimmbaren Filter 106 des Stands der Technik, der in 17A gezeigt ist, und die Hauptkomponenten eines modengekoppelten Lasers vom Ringhohlraumtyp sind.
Der optische Wellenleiter 7 umfasst eine optische Faser wie das oben beschriebene herkömmliche Beispiel (optischer Wellenleiter 107 in 17A) und/oder einen Kanaltyp-Wellenleiter, der auf einem ebenen Substrat gebildet ist, beispielsweise eine planare Lichtwellenschaltung (Referenz: M. Kawachi et al., "Silica waveguide on silicon and their application to integrated-optical components", Opt. & Quantum Electron., Bd. 2090, Nr. 23, S. 391–417). Der optische Verstärker 3 umfasst einen Selten-Erd-dotierten Faserverstärker oder einen Halbleiterlaserverstärker wie beim herkömmlichen Beispiel (optischer Verstärker 103), und/oder einen Selten-Erddotierten Verstärker vom planaren Typ, der hergestellt wird durch Dotieren von Selten-Erd-Metall in der obigen planaren Lichtwellenschaltung etc. (Referenz: K. Hattori et al. "Erbium-doped silica-based planar-waveguide amplifier integrated with a 980/1530-nm WDM coupler", in Optical Fiber Communication 1993 Technical Digest Series, Band 4, Beitrag FB2).
Ein Optokoppler 9 spaltet das vom Optokoppler 5 ausgegebene Licht in zwei Teile und gibt einen als die Laserausgabe aus, und gibt den anderen an einen photoelektrischen Wandler 10 aus. Der photoelektrische Wandler 10 wandelt ein eingegebenes optisches Signal vom Optokoppler 9 in ein elektrisches Signal um und gibt es als ein elektrisches Signal S an einen Verstärker 12 aus. Der Verstärker 12 extrahiert ein Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentensignal S_r aus dem elektrischen Signal S und gibt es an eine elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13 aus. Die elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13 gibt das Treibsignal S_D zum Steuern/Regeln der optischen Verzögerungsleitung 8 aus, um die elektrische Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente S_r unter einen vorbestimmten Wert zu unterdrücken. Dann ändert die optische Verzögerungsleitung 8 die optische Weglänge des Hohlraums entsprechend dem Treibsignal S_D.
Als Nächstes werden Details über die optische Verzögerungsleitung 8, den photoelektrischen Wandler 10, den Verstärker 12, und die elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13 erläutert werden.
Der photoelektrische Wandler 10 verändert das optische Signal, das durch den Ringhohlraum-Modenkopplungslaser erzeugt und durch den Optokoppler 9 aufgeteilt wird, in das elektrische Signal S. Wenn die Treibbedingung des modengekoppelten Lasers vollständig die Modenkopplungsbedingung erfüllt (Formel (2); f_m = N f_c), können als das elektrische Leistungsspektrum des elektrischen Signals S die Helllinienspektra der direkten Stromkomponente, die fm-Komponente der Modenkopplungsfrequenz (= die Modulationsfrequenz) und harmonische (2f_m, 3f_m,...) Komponenten der Modenkopplungsfrequenz erhalten werden, wie in 2A gezeigt ist.
Da jedoch die Relaxationsoszillation des Lasers angeregt wird, wenn sich die Hohlraumlänge ändert, ist die Modenkopplungsbedingung nicht erfüllt, und die Laserausgabe wird hierdurch instabil, eine Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente f_r und ihre harmonischen Frequenzkomponenten (2f_r, 3f_r,...) tauchen im elektrischen Leistungsspektrum auf. Im Fall des Vier-Niveau-Lasers beispielsweise wird die Relaxationsoszillationsfrequenz f_r ausgedrückt durch die nachfolgende Formel (Referenz: "Lasers", SIEGMAN, A.E., (University Science Books, Mill Valley, CA, 1986), Kapitel 25, S. 964).
Hierbei ist "r" das Verhältnis zwischen einer Pumprate auf ein höheres Niveau und einer Schwellenpumprate, "τ" ist die Lebensdauer des höheren Niveaus, und "t_c" ist die Hohlraumzerfallszeit. Im Fall eines Faserlasers, der eine Selten-Erd-dotierte Faser als Verstärkungsmedium benutzt, wird f_r 10–500 kHz, da r 1–10 ist, t_c 1 μs – 10 μs ist, und τ 1 μs – 10 ms ist.
Zudem existieren im Fall eines harmonisch modengekoppelten Lasers andere Rauschkomponenten als die Relaxationsoszillation. In einem harmonischen modengekoppelten Laser der "K"-ten Ordnung ("K" ist eine ganze Zahl größer oder gleich 2; "K"-te Ordnung: zweite Ordnung, dritte Ordnung, vierte Ordnung ..., K-te Ordnung), ist eine Longitudinalmode an jeder Seite getrennt an die K-Longitudinalmoden gekoppelt. Daher gibt es K Gruppen von modengekoppelten Longitudinalmoden, und jede von ihnen wird Supermode genannt (Referenz: "Lasers", SIEGMAN, A.E., (University Science Books, Mill Valley, CA, 1986), Kapitel 27, S. 1073). Wenn der Laser in einem stabilen Zustand arbeitet, gibt es, weil nur eine Supermode im elektrischen Leistungsspektrum existiert, nur die direkte Stromkomponente, die f_m-Komponente der Modenkopplungsfrequenz (= eine Modulationsfrequenz), und die harmonischen (2f_m, 3f_m,...) Komponenten der Modenkopplungsfrequenz wie oben. Da jedoch die anderen Supermoden angeregt werden, wenn die Modenkopplungsbedingung nicht erfüllt ist, treten die Supermodenkomponenten bei Intervallen einer Fundamentalhohlraumfrequenz f_c im elektrischen Leistungsspektrum auf. Da Faserlaser im Allgemeinen eine Hohlraumlänge von mehreren zehn Metern haben, beträgt die Fundamentalhohlraumfrequenz f_c von mehreren MHz bis mehreren zehn MHz.
Im Fall eines instabilen Betriebs von harmonisch modengekoppelten Faserlasern werden daher die Relaxationsoszillationsfrequenzkomponenten f_r und ihre harmonischen Frequenzkomponenten (2f_r, 3f_r,...) sowie unnötige Supermodenkomponenten f_S erzeugt (= n · f_c ≠ m · f_m(n, m: natürliche Zahlen)). Ferner werden auch Schwebungsfrequenzen derselben erzeugt. Schließlich tritt im Fall eines instabilen Betriebs die Rauschkomponente der Frequenz f_n auf: fn= i · fm ± j · fr ± k · fc (i=0, 1, 2,...; j und k sind natürliche Zahlen) (4)Hierbei ist f_n größer als 0. Das elektrische Leistungsspektrum wird wie in den 2B und 2C gezeigt.
2B ist eine Vergrößerung eines Teils von 2A (der Teil ist der mit "A" bezeichnete Ausschnitt), der in der Frequenzachse vergrößert ist; und 2C ist eine Darstellung, die gezeichnet ist durch Vergrößern eines Teils von 2B (dem mit "B" bezeichneten Ausschnitt) in der gleichen Weise. Der Wert der elektrischen Leistung P_r dieser Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente ändert sich empfindlich in Antwort auf ein Verstimmen aus dem Modenkopplungszustand (die Änderung der optischen Weglänge L des Hohlraums).
3 zeigt ein Messergebnis des Zusammenhangs zwischen der optischen Weglängenveränderung des Hohlraums und der elektrischen Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente bei einem modengekoppelten Er-dotierten Faserringlaser. In 3 wird das Verhältnis zwischen P_r und der elektrischen Leistung P_m der Modenkopplungsfregenzkomponente verwendet. Zu diesem Zeitpunkt wird zur Berechnung der Stabilität der Laserausgabe zur gleichen Zeit nach dem Modulieren und Kodieren der Laserausgabe durch einen externen optischen Intensitätsmodulator auch eine Bit-Fehlerraten-(BER)-Charakteristik gemessen (Referenz: H. Takara, et al., "20 GHz transform-limited optical pulse generation and biterror-rate operation using a tunable, actively mode-locked Er-doped fiber ring Iaser", Electron. Lett., Bd. 29, Nr. 13, S. 1149–1150, 1993).
Diese Fehlerrate hängt vom Signal/Rauschverhältnis des optischen Signallichts ab. Im Fall eines instabilen Betriebs verschlechtert sich das Signal/Rauschverhältnis der Laserausgabe, da ein Mangel an optischen Pulsen und eine extreme Fluktuation der optischen Intensität auftreten, und die Fehlerrate steigt. Um einen modengekoppelten Laser als Lichtquelle bei optischer Übertragung zu verwenden, wird eine Fehlerrate von 10^–10 oder weniger benötigt.
Wie in 3 gezeigt, ist der zulässige Bereich der optischen Weglängenänderung, um eine Bit-Fehlerrate unterhalb vom 10^–10 zu halten, ungefähr ± 50 μm, und die Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente P_r ändert sich um mehr als ungefähr 10 dB in Antwort auf die optische Weglängenänderung von 10 μm. Daher kann eine empfindliche Steuerung/Regelung der optischen Weglänge des Hohlraums erfol gen, was eine Veränderung der optischen Weglänge verhindert und einen stabilen modengekoppelten Betrieb ermöglicht, und zwar durch Extrahieren einer Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und Verwenden derselben als ein Fehlersignal (siehe 2D). Obwohl in der obigen Erläuterung der Verstärker 12 vorgesehen ist, kann außerdem, wenn die Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente ausreichend groß ist, um zur Steuerung/Regelung der nachfolgenden Stufen ohne Verstärkung verwendet zu werden, ein Bandpassfilter an Stelle des Verstärkers 12 verwendet werden.
Es wird unterstellt, dass der Verstärker 12 nur die Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente S_r als das Fehlersignal in der obigen Erläuterung auswählt und verstärkt, aber auch harmonische Frequenzkomponenten der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente können zusätzlich als das Fehlersignal enthalten sein.
Als Nächstes wird die Bandbreite des Verstärkers 12 (oder des Bandpassfilters) erklärt werden.
Wie beim elektrischen Leistungsspektrum des elektrischen Signals S, das mit dem photoelektrischen Wandler 10 aus dem Laserausgangslicht umgewandelt wird, sind die elektrische Leistung der direkten Stromkomponente und der modengekoppelten Frequenzkomponenten (einschließlich harmonischer Frequenzkomponenten) unabhängig von einer Änderung der Hohlraumlänge nahezu konstant, und ihre Pegel sind in einem stabilen Zustand um mehr als 70 dB höher als die Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente. Andererseits ändert sich die Supermodenkomponente ebenso wie die Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente in Antwort auf eine Änderung der Hohlraumlänge, jedoch ist diese Veränderung klein (siehe gepunktete Linie (P_s/P_m) in 3). Daher ist es zur Erzielung einer empfindlichen Steuerung/Regelung bevorzugt, dass das Band des Verstärkers 12 (oder des Bandpassfilters) so eingestellt ist, dass nur die Relaxationsoszillationsfrequenz und ihre harmonischen Frequenzen hindurchgelangen, und die direkte Stromkomponente, die modengekoppelten Frequenzkomponenten (einschließlich harmonischer Frequenzkomponenten) sowie Supermodenkomponenten nicht hindurchgelangen. Das heißt, wenn die Relaxationsoszillationsfrequenz f_r kleiner als die Fundamentalhohlraumfrequenz f_c ist, und vorausgesetzt, dass f_L und f_H die untere bzw. obere Grenzfrequenz des Bands des Verstärkers 12 (oder des Bandpassfilters) sind, so können diese Frequenzen in der nachfolgenden Reihenfolge angeordnet sein: 0 < fL < fr < fH < fc (5a)
Wenn die Relaxationsoszillationsfrequenz f_r größer als k f_c und kleiner als (k+1)f_c ist, wobei "k" eine natürliche Zahl ist, so können diese Frequenzen in der nachfolgenden Reihenfolge eingestellt sein: kfc < fL < fr < fH < (k+1)fr (5b)Im Fall des oben beschriebenen Faserlasers beispielsweise, wenn der Verstärker 12 (oder das Bandpassfilter) verwendet wird, dessen Band definiert ist bei 0 < f_L < 10 kHz und 500 kHz < f_H < 1 MHz, kann eine Steuerung/Regelung der Hohlraumlänge mit guter Empfindlichkeit erzielt werden, da nur die Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und ihre harmonischen Frequenzkomponenten als Fehlersignal verwendet werden können. Im Falle von Halbleiterlasern kann die gleiche Anordnung gemäß Formel (5a) oder Formel (5b) verwendet werden. In diesem Fall jedoch ist ein Verstärker mit einem GHz-Band wünschenswert, da sowohl die Relaxationsoszillationsfrequenz als auch die Fundamentalhohlraumfrequenz wegen einer kürzeren Hohlraumlänge größer als 1 GHz sind.
Da außerdem erfindungsgemäß keine Longitudinalmoden-Frequenzkomponenten eines Lasers als Fehlersignal verwendet werden, kann die Erfindung mit der gleichen Konfiguration auf Modenkopplungsoszillationen bei beliebigen Longitudinalmodenfrequenzen (= N · f_c (N: natürliche Zahlen)) angewandt werden. Die 4A und 4B zeigen optische Verzögerungsleitungen, die konkrete Beispiele für die in 1 gezeigte optische Verzögerungsleitung 8 sind. Jede der optischen Verzögerungsleitungen in den 4A und 4B verwendet zwei optische Wellenleiter, die optional mit Linsen gekoppelt sind. Diese optischen Verzögerungsleitungen umfassen eine elektrische Stufe 21, die elektrisch in die Richtungen des Pfeils "A" bewegt wird, optische Linsen 20, eine Stromversorgung 35, Rechtwinkelspiegel 22, wie z.B. ein Dreieckprisma, etc.. Die optische Verzögerungsleitung in 4A verändert die optische Weglänge zwischen zwei optischen Wellenleitern 7 durch Fixieren einer von zwei optischen Linsen 20 und eines entsprechenden optischen Wellenleiters 7 hierzu an der gleichen elektrischen Stufe 21 und durch Bewegen dieser Komponenten entlang der Strahlrichtung. Die optische Verzögerungsleitung in 4B kann die optische Weglänge steuern/regeln, indem der Rechtwinkelspiegel 22 in gleicher Weise entlang der Strahlrichtung bewegt wird. Beispielsweise kann die elektrische Antriebsstufe 21 dieser optischen Verzögerungsleitungen durch Pulstreibsignale getrieben werden. Im Fall einer Verwendung der optischen Verzögerungsleitungen in den 4A und 4B, die durch Pulstreibsignale getrieben werden, ändert sich die Bewegungsrichtung entsprechend der Polarität eingegebener elektrischer Pulse, wie in 4C gezeigt, und das Ausmaß der Bewegung ist durch die Zahl der eingegebenen elektrischen Pulse bestimmt, die als das Treibsignal S_D eingegeben werden.
5A zeigt ein weiteres Beispiel der optischen Verzögerungsleitung 8, die die optische Weglänge verändert, indem ein optischer Wellenleiter mit Zugkraft verlängert wird. Diese optische Verzögerungsleitung verändert die optische Weglänge durch Ändern einer Zugkraft auf den optischen Wellenleiter 7, wie z.B. eine relativ längere optische Faser, die auf eine Trommel 23 gewickelt ist, welche aus einer piezoelektrischen Vorrichtung hergestellt ist, und der Durchmesser der Trommel 23 wird durch Verändern der Ausgangsspannung der Stromversorgung 35 variiert.
5B ist eine Darstellung, die ein weiteres Beispiel der optischen Verzögerungsleitung 8 zeigt, das die optische Weglänge eines optischen Wellenleiters durch elektrisches Verändern des Brechungsindex des optischen Wellenleiters verändert. Diese optische Verzögerungsleitung umfasst ein Substrat 24, einen optischen Wellenleiter 25, dessen Brechungsindex elektrisch geändert werden kann, und Elektroden 26. Beim Anlegen einer Spannung zwischen zwei Elektroden 26 tritt ein elektrisches Feld E im optischen Wellenleiter 25 auf, und der Brechungsindex des optischen Wellenleiters 25 ändert sich, und dann ändert sich die optische Weglänge (siehe 5C). Ferroelektrische Substanzen wie zum Beispiel LiNbO₃, die einen elektrooptischen Effekt aufweisen, können als der optische Wellenleiter 26 verwendet werden. Im Fall von optischen Verzögerungsleitungen in den 5A und 5B ist der Betrag der Bewegung bestimmt durch Absolutwerte von eingegebenen elektrischen Signalen (Treibsignal S_D), wie in den 5D und 5E gezeigt ist.
Daher kann eine Rückkopplungssteuerung der Hohlraumlänge eines modengekoppelten Lasers erreicht werden, indem mindestens eine der optischen Verzögerungsleitungen verwendet wird, die in den 4A, 4B, 5A und 5B gezeigt sind.
Ein Beispiel für den Algorithmus des Signalverarbeitungsprozesses in der elektrischen Signalverarbeitungsschaltung 13 wird nachfolgend erläutert werden.
Ein grundlegender Algorithmus ist in 9 gezeigt. Das in die optische Verzögerungsleitung 8 einzugebende Treibsignal S_D variiert abhängig vom Typ der zu verwendenden optischen Verzögerungsleitung 8.
Der Fall einer Verwendung einer optischen Verzögerungsleitung in den 4A oder 4B als die optische Verzögerungsleitung 8 in 1 wird nachfolgend beschrieben. In diesem Fall wird zunächst die elektrische Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente während der Zeit gemessen, wenn die optische Weglänge des Hohlraums durch Ändern des Treibsignals S_D in einem bestimmten Bereich durchgestimmt wird, d.h. durch Ändern der Zahl der Treibpulssignale. Dieser Durchstimmbereich der optischen Weglänge kann so vorbestimmt sein, dass er ausreichend breiter ist als die geschätzte maximale Verstimmung von der optischen Weglänge beim Modenkopplungszustand; die Verstimmung tritt auf bei einer Temperaturveränderung etc.. 6 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für den typischen Zusammenhang zwischen der elektrischen Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und der optischen Weglänge L zeigt, das durch ein solches Durchstimmen erhalten wird.
Nach Erfassen einer optischen Weglänge L₀, bei der die elektrische Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente minimal ist, sowie des Treibsignals S_D hierbei, wird der Anfangswert der optischen Weglänge wieder auf den Wert L₀ gesetzt, indem man dieses Treibsignal S_D in die optische Verzögerungsleitung 8 eingibt (Schritt 300). Der Anfangswert der optischen Weglänge des Hohlraums wird durch diesen Prozess in diesem Stabilisierungsalgorithmus bestimmt. Da die optischen Verzögerungsleitungen in den 4A und 4B Strukturen aufweisen, die den Betrag der optischen Verzögerung so halten können wie er ist, selbst wenn die Treibsignale unterbrochen werden, kann der Treibsignalwert S_D danach kontinuierlich "0" betragen, bis die elektrische Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente begonnen hat, sich zu ändern. Wenn eine Temperaturveränderung etc. die optische Weglänge ändert, und die elektrische Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente einen vorbestimmten Grenzwert P_limit überschreitet (P_limit: ein Wert, der kleiner ist als die Obergrenze der elektrischen Leistung P_r, unter der die Arbeitsbedingung zum Einsatz als stabil angesehen werden kann, siehe 6) (Schritt 301), wird das Treibsignal + ΔS_D für die optische Verzögerungsleitung in die optische Verzögerungsleitung 8 eingegeben, um zunächst die optische Weglänge (+ΔL) zu erhöhen (Schritt 302). Hier drücken ΔS_D und ΔL eine differentielle Veränderung des Treibsignals S_Da bzw. eine differentielle Veränderung der optischen Weglänge L aus.
Wenn danach die elektrische Leistung P_r abnimmt (Schritt 304), wird die Treibsignalveränderung von +ΔS_D wieder eingegeben, um die optische Weglänge L weiter zu erhöhen (Schritt 302). Dieser Prozess wird wiederholt, bis die elektrische Leistung P_r unter dem Grenzwert der elektrischen Leistung P_limit liegt (Schritte 302 bis 304). Wenn P_r kleiner als P_limit ist, wird das Treibsignal S_D der optischen Verzögerungsleitung auf 0 zurückgesetzt, und die Erfassung der elektrischen Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente wird fortgesetzt (Schritt 303 → Schritt 301). Wenn hingegen die elektrische Leistung P_r zu dem Zeitpunkt zunimmt (Schritt 304), an dem das Treibsignal der optischen Verzögerungsleitung +ΔS_D in die optische Verzögerungsleitung 8 eingegeben wird (Schritt 302), so wird die Polarität des Treibsignals der optischen Verzögerungsleitung auf –ΔS_D geändert, um die optische Weglänge L um ΔL zu senken (–ΔL) (Schritt 305). Dieser Prozess wird in der oben beschriebenen Weise wiederholt (Schritte 305 bis 307), bis P_r kleiner als P_limit ist, und dann wird das Treibsignal S_D der optischen Verzögerungsleitung zu diesem Zeitpunkt auf 0 zurückgesetzt (Schritt 306 → Schritt 301). Mit diesem Prozess kann die Änderung der optischen Weglänge des Hohlraums unterdrückt werden, und ein stabiler Betrieb kann aufrechterhalten werden.
Als nächstes wird ein weiterer Algorithmus der elektrischen Signalverarbeitungsschaltung 13 erklärt werden, bei dem die optischen Verzögerungsleitungen, die in den 5A und 5B gezeigt sind, als die optische Verzögerungsleitung 8 in 1 verwendet werden. Wie beim oben beschriebenen Prozess für die optischen Verzögerungsleitungen in den 4A und 4B wird in diesem Fall zunächst die optische Weglänge des Hohlraums durchgestimmt; als nächstes wird der Treibsignalwert S_Da erfasst, bei dem die elektrische Leistung P_r einer Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente einen Minimalwert annimmt; und als Drittes wird der Anfangswert L₀ der optischen Weglänge eingestellt. Allerdings sind die optischen Verzögerungsleitungen in den 5A und 5B von den optischen Verzögerungsleitungen in den 4A und 4B in folgendem Punkt verschieden: Da nämlich der Betrag der optischen Verzögerung entsprechend den Absolutwerten der Treibsignale bestimmt ist, ist es erforderlich, den Treibsignalwert S_D kontinuierlich bei S_Da festzuhalten, um den optischen Verzögerungsbetrag so zu halten, wie er ist.
Wenn eine Temperaturveränderung etc. die optische Weglänge verändert, und die elektrische Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente eine vorbestimmte maximale zulässige elektrische Leistung P_limit überschreitet, wird das Treibsignal S_D der optischen Verzögerungsleitung von S_D auf S_D+ΔS_D geändert (d.h. L → L+ΔL), und die Änderung der elektrischen Leistung P_r wird überwacht. Wenn die elektrische Leistung P_r danach abnimmt, wird der oben beschriebene Prozess zur Erhöhung von S_D weiter wiederholt, bis die elektrische Leistung P_r unter der maximal zulässigen elektrischen Leistung P_limit liegt. Wenn P_r kleiner als P_limit ist, wird die Inkrementierung des Treibsignals So der optischen Verzögerungsleitung gestoppt. Wenn hingegen die elektrische Leistung P_r zunimmt, wird das Treib signal S_D der optischen Verzögerungsleitung auf S_D – ΔS_D geändert (L → L – ΔL), und dieser Prozess wird wiederholt, bis P_r kleiner als P_limit ist, wie oben. Mit diesem Prozess kann die Veränderung der optischen Weglänge des Hohlraums unterdrückt werden, und ein stabiler Betrieb kann erzielt werden.
7 zeigt ein konkretes Beispiel der internen Konfiguration der elektrischen Signalverarbeitungsschaltung 13, die in 1 gezeigt ist. Die in dieser Figur gezeigte elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13 umfasst einen Rechner 16, wie zum Beispiel einen Mikrocomputer, einen Analog/Digital-Wandler 15, und einen Digital/Analog-Wandler 17. Der Analog/Digital-Wandler 15 verändert das Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentensignal S_r, welches ein Analogsignal ist, in ein Digitalsignal. Dann wird das Treibsignal der optischen Verzögerungsleitung so bestimmt, dass es eine vorbestimmte Polarität und eine vorbestimmte Zahl von Pulsen oder einen vorbestimmten Pegel hat, entsprechend dem oben beschriebenen Algorithmus, und zwar durch den Rechner 16. Im Fall der Verwendung der optischen Verzögerungsleitung in den 4A oder 4B, die durch ein Digitalsignal getrieben wird, als die optische Verzögerungsleitung 8, wird ohne Durchlaufen des Digital/Analog-Wandlers 17 das Treibsignal S_D der optischen Verzögerungsleitung vom Rechner 16 direkt in die optische Verzögerungsleitung 8 eingegeben. Andererseits wird im Fall der Verwendung der optischen Verzögerungsleitung in den 5A oder 5B, die durch ein Analogtreibsignal getrieben wird, das analoge Treibsignal S_D der optischen Verzögerungsleitung unter Verwendung des Digital/Analog-Wandlers 17 erzeugt.
Wie oben beschrieben, extrahiert diese bevorzugte Ausführungsform das Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentensignal S_r aus dem elektrischen Signal S, das vom photoelektrischen Wandler 10 ausgegeben wird, und zwar unter Verwendung des Verstärkers 12 (eines Bandpassfilters), und sie koppelt das Treibsignal S_D von der elektrischen Signalverarbeitungsschaltung 13 in die optische Verzögerungsleitung 8 zurück, die im Hohlraum installiert ist, um die elektrische Leistung P_r der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente zu unterdrücken, und diese Ausfüh rungsform kann die optische Weglänge des Hohlraums konstant halten und einen stabilen modengekoppelten Laserbetrieb verwirklichen.
Zweite bevorzugte Ausführungsform
8 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Stabilisierungsgeräts eines modengekoppelten Lasers mit Fabry-Perot-Hohlraumtyp gemäß der Erfindung. Identische Bezugszeichen sind in dieser Figur an den jeweiligen Elementen vorgesehen, die denen in 1 entsprechend. Der in dieser Figur gezeigte modengekoppelte Laser vom Fabry-Perot-Hohlraumtyp umfasst ferner einen optischen Reflektor 27, der den Großteil des einfallenden Lichts reflektiert. Diese bevorzugte Ausführungsform hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die erste bevorzugte Ausführungsform, außer, dass der Hohlraumtyp ein Fabry-Perot-Typ ist, und ein stabiler Betrieb kann im Prinzip durch einen Prozess ähnlich jenem in der ersten bevorzugten Ausführungsform erzielt werden.
Erfindungsgemäß wird, wie oben mit Bezug auf die erste und die zweite bevorzugte Ausführungsform erläütert, das Treibsignal der optischen Verzögerungsleitung in die optische Verzögerungsleitung im Hohlraum rückgekoppelt, um die elektrische Leistung der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente des elektrischen Signals zu unterdrücken, das aus dem vom modengekoppelten Laser ausgegebenen optischen Signal umgewandelt ist, und die Änderung der Hohlraumlänge, die durch eine Temperaturveränderung etc. verursacht wird, kann mit guter Empfindlichkeit erfasst werden. Daher kann die optische Verzögerungsleitung mit außergewöhnlicher Präzision gesteuert/geregelt werden, und eine gute Stabilisierung der Ausgabe des modengekoppelten Lasers kann erreicht werden.
Da außerdem erfindungsgemäße Verfahren die Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente überwachen, die der Index für die Stabilität der Laserausgabe ist, kann diese Erfindung eine Stabilisierung mit höherer Verlässlichkeit als herkömmliche Verfahren realisieren.
Da außerdem ein identischer Aufbau auf Modenkopplungsoszillationen bei allen Longitudinalmodenfrequenzen angewandt werden kann, kann die Erfindung breite Anwendung finden.
Dritte bevorzugte Ausführungsform
10 ist ein Diagramm, das eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Stabilisierungsgeräts und Verfahrens gemäß der Erfindung für einen modengekoppelten Laser vom Ringhohlraumtyp zeigt. Diese dritte bevorzugte Ausführungsform umfasst ferner zusätzlich zu den Elementen der ersten bevorzugten Ausführungsform einen Temperatursensor 50 und ein Thermometer 51, das die Ausgabe des Temperatursensors 50 in eine Spannung oder einen elektrischen Strom umwandelt, und die weiteren Komponenten sind die gleichen wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform. Als der Temperatursensor 50 kann ein Platinwiderstand und ein Thermistor verwendet werden, dessen Widerstandswert sich abhängig von der Temperatur T ändert, etc..
Diese dritte bevorzugte Ausführungsform verwendet ein Verfahren, um den Anfangswert L₁ der optischen Weglänge des Hohlraums des modengekoppelten Lasers automatisch durch zusätzliche Temperaturerfassung festzuhalten und dann die Ausgabe des modengekoppelten Lasers durch Steuerung/Regelung der optischen Weglänge des Hohlraums präziser zu stabilisieren, um die Relaxationsoszillationsfrequenzkomponenten zu unterdrücken, was in der ersten bevorzugten Ausführungsform erläutert wurde. Wie in 11 gezeigt, besteht ein Zusammenhang zwischen der Temperatur T des Hohlraums und der optischen Weglänge L des Hohlraums. Die optische Weglänge L des Hohlraums wird durch thermische Expansion verlängert (oder verkürzt), wenn die Temperatur T des Hohlraums steigt (oder sinkt). Allgemein kann der Zusammenhang zwischen T und L ungefähr durch die nachfolgende Formel ausgedrückt werden, bei der angenommen wird, dass α ein thermischer Expansionskoeffizient der Hohlraumlänge ist, T_S eine bestimmte Standardtemperatur ist, und L_S die optische Hohlraumweglänge ist, bei der die Modenkopplungsbedingung bei der Standardtemperatur T_S erfüllt ist: L = LS {1+ α (T–TS)} (6)
Durch Differenzieren dieser Formel kann gezeigt werden, dass der Betrag der Änderung δL der optischen Hohlraumweglänge ungefähr gemäß der folgenden Formel von der Temperaturveränderung δT abhängt: δL – LS · α δT (7)
Bei diesem Arbeitsablauf dieser bevorzugten Ausführungsform wird zunächst die optische Weglänge L des Hohlraums auf den Wert L_S eingestellt, bei dem die Modenkopplungsbedingung bei der Standardtemperatur T_S erfüllt ist. Dann wird beim Start des Betriebs des modengekoppelten Lasers die Temperatur T des Hohlraums durch den Temperatursensor 50 erfasst. Danach ändert die elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13 die optische Verzögerung D der optischen Verzögerungsleitung 8, um die optische Weglängenänderung δL des Hohlraums zu kompensieren, die durch Formel (7) gegeben ist und auf der Temperaturänderung δT beruht, wobei δT gleich T – T_S ist: δD = –δL = –LS · α (T–TS) (8)
Die aus dem oben beschriebenen Prozess resultierende optische Weglänge des Hohlraums wird als ein Anfangswert verwendet. Dann beginnt die elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13 die Steuerung/Regelung der optischen Verzögerungsleitung 8, um eine Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente zu unterdrücken und die optische Hohlraumweglänge konstant zu halten, wie die erste und die zweite bevorzugte Ausführungsform.
Wenn beispielsweise die meisten Komponenten des Hohlraums optische Fasern umfassen, wie ein modengekoppelter Faserlaser, so ist der thermische Ausdehnungskoeffizient α ungefähr 10^–5 (1/°C). Wenn eine Temperaturänderung T minus T_S 1 (°C) ist, und die optische Weglänge L_S des Standardhohlraums 100 m ist, so wächst die optische Hohlraumweglänge um ungefähr 1 mm. Daher kann in diesem Fall durch Verringern der optischen Hohlraumweglänge um die gleiche Länge mit der optischen Verzögerungsleitung 8 die Änderung der optischen Hohlraumweglänge kompensiert werden.
Die Genauigkeit der Steuerung/Regelung der optischen Hohlraumweglänge durch diese Temperaturerfassung kann mit Formel (7) berechnet werden. Allgemein ist die Genauigkeit δT eines Thermometers ungefähr 10^–2 (°C). Im Fall des obigen modengekoppelten Faserlasers ist die Steuergenauigkeit δL der optischen Hohlraumweglänge daher ungefähr 10 μm. Diese Genauigkeit δL ist innerhalb des Ziehbereichs (ungefähr ± 50 μm) des erfindungsgemäßen Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentenunterdrückungsverfahrens, d.h. der Ziehbereich ist ein Bereich, bei dem der Modenkopplungszustand durch die erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann (s. 3). Daher kann selbst dann, wenn der Anfangswert der optischen Hohlraumweglänge, der durch den obigen Temperaturerfassungsprozess eingestellt wird, außerhalb des in 6 gezeigten stabilen Operationsbereichs ist, die optische Hohlraumweglänge automatisch in den stabilen Operationsbereich gezogen werden, und zwar entsprechend dem Algorithmus (siehe 9) des Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentenunterdrückungsverfahrens.
Wenn, wie in 12 gezeigt, die Temperaturverteilung des Hohlraums nicht gleichmäßig ist, können Temperaturen an mehr als einer der Positionen im Hohlraum erfasst werden (größer oder gleich zwei Positionen, bei diesem Beispiel in dieser Figur der optische Verstärker 3, der optische Modulator 2 sowie der Optokoppler 5), und zwar durch Verwendung einer Mehrzahl von Temperatursensoren, wobei in diesem Beispiel Sensoren 50-1, 50-2 und 50-3 und Thermometer 51-1, 51-2 und 51-3 eingesetzt werden. In diesem Fall kann die Signalverarbeitung in der elektrischen Signalverarbeitungsschaltung 13a-1 basierend auf einer Durchschnittstemperatur T_ave erfolgen, die durch die folgende Formel definiert sein kann: Tave = k1 · T1 + k2 · T2 + ... + ki · Ti (i: eine natürliche Zahl) (9)
Jeder Temperaturkoeffizient k_i von Formel (9) kann erhalten werden durch vorhergehendes Messen des Zusammenhangs zwischen den Temperaturen (T₁, T₂,..., T_i) jeder Position und der optischen Hohlraumweglänge L, und durch Einstellen der Temperaturkoeffizienten (k₁, k₂,..., k_i) derart, dass der Zusammenhang zwischen der Durchschnittstemperatur T_ave und der optischen Hohlraumweglänge L linear wird. Durch Ersetzen von T durch T_ave in Formel (8) danach kann wie bei der in 10 gezeigten oben beschriebenen Temperaturerfassung an einer Position der Anfangswert der optischen Hohlraumweglänge schnell aus der Durchschnittstemperatur T_ave bestimmt werden.
Zudem wurde bei dieser bevorzugten Ausführungsform eine Erläuterung hinsichtlich eines modengekoppelten Lasers vom Ringhohlraumtyp gemacht, aber die Erfindung kann auch auf einen modengekoppelten Laser vom Fabry-Perot-Hohlraumtyp angewandt werden.
Vierte bevorzugte Ausführungsform
13 ist ein Diagramm, das eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Laserstabilisierungsverfahrens und -geräts für einen modengekoppelten Laser vom Ringhohlraumtyp zeigt. Diese bevorzugte Ausführungsform umfasst ein wellenlängenabstimmbares Filter 6B, das eine Filterwellenlänge in Antwort auf ein elektrisches Signal S_λ von der elektrischen Signalverarbeitungsschaltung 13b steuern/regeln kann, und die Ausführungsform kann die Oszillationswellenlänge des modengekoppelten Lasers elektrisch steuern/regeln. Die anderen Komponenten sind die gleichen wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform.
Die 14A und 14B zeigen konkrete Beispiele des wellenlängenabstimmbaren Filters 6B. Das in 14A gezeigte wellenlängenabstimmbare Filter 6b-1 umfasst zwei optische Linsen 20, eine optische Filterplatte 30, die aus einem dielektrischen Vielfachfilm etc. besteht, eine elektrische Antriebsstufe 31, die die optische Filterplatte 30 dreht, sowie eine Stromversorgung 32 zum Antreiben der Stufe. Das wel lenlängenabstimmbare Filter 6b-1 kann die Filterlänge elektrisch steuern/regeln, indem die optische Filterplatte 30 über die elektrische Stufe 31 gedreht wird, um den Winkel θ zwischen der Plattenfläche und der Strahlachse zu verändern. Das in 14B gezeigte wellenlängenabstimmbare Filter 6b-2 umfasst zwei optische Linsen 20, einen Flüssigkristall 33, Spiegel 34, Substrate 35 sowie eine Stromversorgung 36 zum Treiben des Flüssigkristalls 33. Auch das wellenlängenabstimmbare Filter 6b-2 kann die Filterwellenlänge elektrisch steuern/regeln, und zwar durch Ändern von elektrischen Feldern, die an den Flüssigkristall 33 angelegt werden, um den Brechungsindex n des Flüssigkristalls 33 zu verändern.
Das Verfahren dieser bevorzugten Ausführungsform kann verwendet werden, wenn die Oszillationswellenlänge des modengekoppelten Lasers verändert wird. Bei diesem Verfahren wird ein Anfangswert L₁ der optischen Hohlraumweglänge automatisch entsprechend einer beliebig eingestellten Wellenlänge bestimmt. Danach wird die optische Hohlraumweglänge durch das oben beschriebene Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentenunterdrückungsvertahren genau gesteuert/geregelt, und die Ausgabe des modengekoppelten Lasers kann hierdurch stabilisiert werden.
Es existiert der in 15 gezeigte allgemeine Zusammenhang zwischen der Oszillationswellenlänge λ eines modengekoppelten Lasers und der optischen Hohlraumweglänge L. Die optische Hohlraumweglänge L nimmt aufgrund der Wellenlängendispersion des Brechungsindex des Hohlraums ab (oder zu), wenn die Oszillationswellenlänge λ zunimmt (oder abnimmt). Diese Änderung δL der optischen Hohlraumweglänge kann durch die nachfolgende Formel (10) basierend auf Formel (1) ausgedrückt werden:
Andererseits kann der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und dem Brechungsindex aus der nachfolgenden Formel entsprechend der Sellmeier-Gleichung erhalten werden (Referenz: G. P. Agrawal, "Nonlinear fiber optics", Academic Press, Kapitel 1, S. 7).
Hierbei sind A_j und λ_i Konstanten, die durch das Hohlraumkomponentenmedium bestimmt sind.
Bei diesem Arbeitsablauf dieser bevorzugten Ausführungsform wird zunächst die optische Hohlraumweglänge L auf einen Wert L_S eingestellt, bei dem die Modenkopplungsbedingung in einer Standardwellenlänge λ_S erfüllt ist. Außerdem wird ebenfalls zuvor jede physikalische Länge h_i und jede Wellenlängendispersion ∂n_i(λ)/∂λ des Brechungsindex jeder Komponente gemessen. Wenn dann der Betrieb des modengekoppelten Lasers beginnt, wird das wellenlängenabstimmbare Filter 6B durch die elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13b derart getrieben, dass die Oszillationswellenlänge λ auf einen gewünschten Wert eingestellt wird. Als nächstes wird die optische Verzögerungsleitung 8 durch die elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13b so getrieben, dass die optische Verzögerung D geändert wird, um die Änderung der optischen Hohlraumweglänge δL zu kompensieren (siehe Formel (12)), die bestimmt ist durch die Oszillationswellenlängenänderung δλ(=λ–λ_S) und die Formeln (10) und (11):
Dann wird die aus dem oben beschriebenen Verfahren resultierende optische Hohlraumweglänge als ein Anfangswert verwendet. Dann wird die optische Hohlraumweglänge genau gesteuert/geregelt, um durch das Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentenunterdrückungsverfahren die optische Hohlraumweglänge wie in der ersten und der zweiten bevorzugten Ausführungsform konstant zu halten. Nimmt man beispielsweise an, dass die meisten Komponenten eines Hohlraums optische Fasern wie einen modengekoppelten Faserlaser umfassen, und dass die Wellenlängendispersion des Brechungsindex des Hohlraums als nahezu konstant angesehen werden kann, so kann Formel (12) in die folgende Formel umgewandelt werden:
Die Genauigkeit der Steuerung/Regelung der optischen Weglänge durch diese Wellenlängenänderung kann aus den Formeln (10) und (11) berechnet werden. Wenn beispielsweise die meisten Komponenten eines Hohlraums optische Fasern wie einen modengekoppelten Faserlaser umfassen, so ist die Wellenlängendispersion des Brechungsindex ∂n(λ)/∂λ ungefähr –10^–5 (1/nm), und allgemein ist die Wellenlängengenauigkeit δλ eines optischen Filters ungefähr 10^–1 (nm). In dem Fall, in dem die optische Hohlraumweglänge L_S 50 m beträgt, und der Brechungsindex n(λ) 1,5 ist, kann daher aus Formel (13) eine Steuergenauigkeit δL der optischen Weglänge von ungefähr 30 μm erhalten werden. Diese Genauigkeit ist innerhalb des in 3 gezeigten Ziehbereichs (ungefähr ± 50 μm) des erfindungsgemäßen Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentenunterdrückungsverfahrens. Daher kann selbst dann, wenn der Anfangswert der optischen Hohlraumweglänge außerhalb des in 6 gezeigten stabilen Betriebsbereichs liegt, die optische Hohlraumweglänge automatisch entsprechend dem Algorithmus (siehe 9) des Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentenunterdrückungsverfahrens in den stabilen Betriebsbereich gezogen werden.
Wie oben beschrieben, bietet diese bevorzugte Ausführungsform ein Verfahren zum Stabilisieren der Laserausgabe durch Verwenden des Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentenunterdrückungsverfahrens nach einer Steuerung/Regelung der optischen Weglänge des Hohlraums in Antwort auf den Einstellwert der Oszillationswellenlänge. Durch dieses Verfahren kann eine Stabilisierung der modengekoppelten Laserausgabe rasch und automatisch bei einer beliebig ausgewählten Wellenlänge erreicht werden.
Obwohl bei dieser bevorzugten Ausführungsform ein modengekoppelter Laser vom Ringhohlraumtyp verwendet wird, kann bei dieser Ausführungsform auch ein modengekoppelter Laser vom Fabry-Perot-Hohlraumtyp eingesetzt werden.
Fünfte bevorzugte Ausführungsform
16 ist ein Diagramm, welches eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Stabilisierungsgeräts und -verfahrens gemäß der Erfindung für einen modengekoppelten Laser vom Ringhohlraumtyp zeigt. Diese bevorzugte Ausführungsform umfasst eine Kombination des Verfahrens, das in einer automatischen Einstellung des Anfangswerts der optischen Hohlraumweglänge durch die Temperaturerfassung in der dritten bevorzugten Ausführungsform besteht, und des Verfahrens, das in einer automatischen Einstellung des Anfangswerts der optischen Hohlraumweglänge in Antwort auf einen Einstellwert der Oszillationswellenlänge in der vierten bevorzugten Ausführungsform besteht.
Im Arbeitsablauf dieser bevorzugten Ausführungsform wird zunächst als erstes die optische Hohlraumweglänge L auf einen Wert L_S eingestellt, der die Modenkopplungsbedingung bei einer bestimmten Standardoszillationswellenlänge λ_S und einer Standardtemperatur T_S erfüllt. Ferner werden vorher physikalische Längen h_i und Wellenlängendispersionen ∂n(λ)/∂λ der Brechungsindices der Komponenten gemessen. Dann wird zu Beginn des Betriebs des modengekoppelten Lasers das wellenlängenabstimmbare Filter 6b durch die elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13c so getrieben, dass die Wellenlänge auf einen gewünschten Wert λ eingestellt wird, wohingegen die mit dem Temperatursensor 50 erfasste Temperatur T des Hohlraums in die elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13 eingegeben wird. Die Gesamtänderung der optischen Hohlraumweglänge δL_total wird ausgedrückt durch δL_T plus 6L_λ (δL_total = δL_T + δL_λ), wobei δL_T die Änderung aufgrund der Temperaturänderung ist, und δL_λ die Änderung aufgrund der Oszillationswellenlängenänderung ist. Dann gibt die elektrische Signalverarbeitungsschaltung 13c ein Treibsignal an die optische Verzögerungsleitung 8 aus, um die gesamte optische Hohlraumweglängenänderung δL_total zu kompensieren. Die optische Verzögerungsänderung δD in diesem Fall ist durch die nachfolgende Formel basierend auf den Formeln (8) und (13) gegeben:
Die resultierende optische Hohlraumweglänge wird als Anfangswert verwendet. Dann wird die optische Hohlraumweglänge wie in der ersten und der zweiten bevorzugten Ausführungsform durch das Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentenunterdrückungsverfahren konstant gehalten.
Wie oben beschrieben, bietet diese bevorzugte Ausführungsform ein Verfahren zum Stabilisieren der modengekoppelten Laserausgabe durch das Relaxationsoszillationsfrequenzkomponentenunterdrückungsverfahren nach einer Steuerung/Regelung der optischen Weglänge des Hohlraums entsprechend einem Einstellwert der Oszillationswellenlänge und der Temperatur des Hohlraums. Durch dieses Verfahren kann ein stabiler Betrieb eines modengekoppelten Lasers rasch und automatisch bei einer beliebigen ausgewählten Wellenlänge und jeder Temperatur erreicht werden.

Claims

Verfahren zum Stabilisieren der Ausgabe eines modengekoppelten Lasers, wobei der modengekoppelte Laser optische Modulationsmittel (2) zum Modulieren eines optischen Eingangssignals basierend auf einer bestimmten Frequenz umfaßt, optische Weglängenveränderungsmittel (8) zum elektrischen Ändern der optischen Weglänge des Laserhohlraums, sowie optische Verstärkungsmittel (3) zum Verstärken des von den optischen Modulationsmitteln (2) ausgegebenen modulierten optischen Signals, umfassend: einen Schritt des Extrahierens wenigstens einer Komponente aus der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und ihren harmonischen Komponenten der Laserausgabe als ein Fehlersignal einer Rückkopplungssteuerung; einen Schritt des Einstellens der optischen Weglänge durch die optischen Weglängenveränderungsmittel (8), um die elektrische Leistung des Fehlersignals unter einen vorbestimmten Wert zu unterdrücken; dadurch gekennzeichnet, dass es umfaßt: einen Schritt des Durchstimmens der optischen Weglänge des Hohlraums über den Bereich, der einer erwarteten Veränderung aufgrund einer Temperaturfluktuation entspricht, mit Hilfe der optischen Weglängenveränderungsmittel; einen Schritt des Messens der Veränderung des Fehlersignals, welche durch das Durchstimmen der optischen Weglänge verursacht wird; und einen Schritt des Initialisierens der optischen Weglänge bei einem Wert, wo die elektrische Leistung des Fehlersignals minimal ist.
Verfahren zum Stabilisieren der Ausgabe eines modengekoppelten Lasers, wobei der modengekoppelte Laser optische Modulationsmittel (2) zum Modulieren eines optischen Eingangssignals basierend auf einer bestimmten Frequenz umfaßt, optische Weglängenveränderungsmittel (8) zum elektrischen Ändern der optischen Weglänge des Laserhohlraums, sowie optische Verstärkungsmittel (3) zum Verstärken des von den optischen Modulationsmitteln (2) ausgegebenen modulierten optischen Signals, und wobei der modengekoppelte Laser ferner eine Temperaturerfassungseinrichtung (50, 51) umfaßt zum Erfassen einer Temperatur, welche wenigstens einer der Komponenten des modengekoppelten Lasers zugeordnet ist, umfassend: einen Schritt des Extrahierens wenigstens einer Komponente aus der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und ihren harmonischen Komponenten der Laserausgabe als ein Fehlersignal einer Rückkopplungssteuerung; einen Schritt des Einstellens der optischen Weglänge durch die optische Weglängenveränderungsmittel, um die elektrische Leistung des Fehlersignals unter einen vorbestimmten Wert zu unterdrücken; dadurch gekennzeichnet, dass es umfaßt: einen Schritt des Initialisierens der optischen Weglänge entsprechend der erfaßten Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der modengekoppelte Laser ein wellenlängenabstimmbares Filter (6) zum Auswählen einer Oszillationswellenlänge enthält, umfassend den zusätzlichen Schritt des Initialisierens der optischen Weglänge entsprechend der erfaßten Wellenlänge.
Gerät zum Stabilisieren eines modengekoppelten Lasers, umfassend: einen modengekoppelten Laser, der enthält: – optische Modulationsmittel (2) zum Modulieren eines optischen Eingangssignals basierend auf einer bestimmten Frequenz (fm), – optische Verstärkungsmittel (3) zum Verstärken des von den optischen Modulationsmitteln (2) ausgegebenen modulierten optischen Signals, und – optische Auskopplungsmittel (5) zum Ausgeben eines optischen Signals aus dem Hohlraum; optische Weglängenveränderungsmittel (8) zum elektrischen Verändern der optischen Weglänge des Hohlraums; optische Auskopplungsmittel (9) zum Abspalten eines Teils der Laserausgabe; Extraktionsmittel (10) zum Umwandeln des abgespaltenen optischen Signals in ein elektrisches Signal und zum Extrahieren wenigstens einer Komponente aus der Relaxationsoszillationsfrequenzkomponente und ihren harmonischen Komponenten des elektrischen Signals als ein Fehlersignal einer Rückkopplungssteuerung; und elektrische Signalverarbeitungsmittel (13a) zum Eingeben des Fehlersignals und zur Rückkopplungssteuerung und zur Ausgabe eines Signals zum Treiben der optischen Weglängenveränderungsmittel, um die elektrische Leistung des Fehlersignals unter einen vorbestimmten Wert zu unterdrücken, dadurch gekennzeichnet, dass es umfaßt: eine Temperaturerfassungseinrichtung (50, 51) zum Erfassen einer Temperatur, die wenigstens einer der Komponenten des modengekoppelten Lasers zugeordnet ist, wobei die elektrischen Signalverarbeitungsmittel (13a) das Signal, welches die optischen Weglängenveränderungsmittel (8) treibt, entsprechend der erfaßten Temperatur ausgeben.
Gerät zum Stabiliseren eines modengekoppelten Lasers nach Anspruch 4, ferner umfassend: ein wellenlängenabstimmbares Filter (6), das in den Hohlraum gekoppelt ist, zur elektrischen Auswahl einer Oszillationswellenlänge, wobei die elektrischen Signalverarbeitungsmittel (13a) das Signal, das die optischen Weglängenveränderungsmittel treibt, entsprechend der ausgewählten Wellenlänge ausgeben.