JP2604479B2 - モード同期レーザ装置 - Google Patents

モード同期レーザ装置

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    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
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    • H01S3/1106Mode locking
    • H01S3/1121Harmonically mode locking lasers, e.g. modulation frequency equals multiple integers or a fraction of the resonator roundtrip time

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、超高速光伝送あるいは超高速光信号処理に
おいて必要とされる高繰り返しの超短光パルスを発生す
るモード同期レーザ装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、光パルスの発生法として、(1)Qスイッチ
法,(2)半導体レーザ(LD)のゲインスイッチ法、
(3)モード同期法等が用いられてきた。
Qスイッチ法では、レーザ共振器内に音響光学変調素
子,電気光学変調素子等の光変調素子を挿入し、この光
損失が大きい状態から小さい状態に急速にスイッチする
ことにより、ピークパワーの大きい光パルスを得る方法
である。発生された光パルスのパルス幅はレーザ共振器
の光周回時間の逆数程度に制限され、繰り返し周波数は
レーザ媒質の利益回復時間で制限される。したがって、
Nd:YAGレーザ等の固体レーザではパルス幅数十ns、繰り
返し周波数,数十kHzに制限される。また、LDのQスイ
ッチ法においても、パルス幅10ps、繰り返し周波数,数
GHzに制限される。したがって、従来の超高速光伝送,
光信号処理において必要とされる、パルス幅数ps、繰り
返し周波数,数十GHzの光パルスは発生できない。
ゲインスイッチ法では、半導体レーザにステップ電流
を注入したときに生ずる緩和振動の第1ピークのみを取
り出すために、幅100ps程度の短電流パルス、あるいは
数GHz以上の周波数の正弦波電流をLDに注入し、光パル
スを得る方法である。この方法においても、発生される
パルス幅は10ps以上であり、繰り返し周波数の上限も、
LDの緩和振動周波数により決定され15GHz程度であるた
め上記の分野へは適用できない。
モード同期法では、レーザ共振器の縦モード間隔と等
しい周波数間隔で、かつ位相も等しい多数の発振モード
を発生させることによりそのフーリエ変換である光パル
スを得る方法である。周波数間隔が等しく同位相の縦モ
ードを発生させるために、能動モード同期法ではレーザ
共振器の縦モード間隔にほぼ等しい周波数にて共振器内
に挿入された光変調器を駆動し、受動モード同期法で
は、レーザ共振器内に挿入された可飽和吸収体の光非線
形効果を用いる。モード同期法により発生される光パル
スのパルス幅は、レーザ媒質の利得帯域幅と光変調素子
または可飽和吸収体の光応答速度等により決定され、光
変調素子または可飽和吸収体の応答速度が十分早けれ
ば、レーザ媒質の利得帯域幅のほぼ逆数となる。したが
って、Nd:YAG等の希土類を添加した結晶を増幅媒質とす
るレーザ等でパルス幅数十ps、Nd:ガラス、Er添加ファ
イバ等の希土類アモルファスのレーザでパルス幅数ps,
色素レーザで数十fs,半導体レーザで0.1ps程度の光パル
スを発生させることができる。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、モード同期法による光パルスの繰り返
し周波数はレーザ共振器の光周回時間のほぼ逆数に決ま
るため、色素レーザ,固体レーザ等では高々数100MHzに
留まる。半導体レーザのモード同期では活性媒質長が短
いためレーザ共振器長を短くできるが、高周波変調に必
要な光変調器をレーザ共振器中に挿入すると、共振器長
はおよそ5cm以上となり、繰り返し周波数は高々数GHzに
留まる。この点を解決するため、従来、高調波モード同
期法が考えられている。これは、基本縦モード間隔(レ
ーザ共振器内光周回時間の逆数)の自然数倍の周波数
(高周波)でレーザ共振器内の光変調を行う方法であ
る。この方法には、光変調さえ行うことができれば、原
理的には繰り返し周波数の上限はパルス幅の逆数程度で
ある。ところが、この方法では、レーザ共振器内に複数
の光パルスが存在するため、光増幅媒質内での光パルス
の衝突が起こり、パルス間の相互作用によるモード競合
が生じる。これにより、出力光パルスのピークパワー変
動等の不安定性が強まるといった問題点がある。しかも
また、各パルス間の位相の相関がないため、コヒーレン
ス長が短くなるという問題もある。
本発明は、上述の問題点を鑑みてなされたものであ
り、その目的とするところは、前述のような光パルス発
生法における光パルスのピーク値変動を回避して、幅数
ps以下で、かつ繰り返し周波数十GHz以上の光パルスを
安定に発生させるモード同期レーザ装置を提供すること
にある。
〔課題を解決するための手段〕
このような目的を達成するために、本発明は、光増幅
媒質と光変調手段とを含むレーザ共振器を有し、該レー
ザ共振器における光周回時間の逆数の自然数倍にほぼ等
しい繰り返し周波数で前記光変調手段を駆動するモード
同期レーザ装置において、前記レーザ共振器内の光周回
通路に、前記光変調手段の駆動周波数と等しい周期の透
過特性を有する周期透過形光フィルタを配置したことを
特徴とする。
〔実施例〕
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第1図および第2図は、それぞれ、レーザ共振器が線
形の場合、およびリング型の場合の本発明実施例の構成
を示す。第1図において、1は光増幅媒質、2は光変調
手段、3は光変調手段2の駆動源、4および5はミラ
ー、6は光増幅媒質1と光変調手段2との間のレーザ共
振器光路内に配置した周期透過形光フィルタである。こ
こで、光増幅媒質1からの出射レーザ光をフィルタ6を
介して光変調手段2により変調し、その変調出力光をミ
ラー5で反射させ、再び逆の経路を経て光増幅媒質1に
入射して光増幅し、さらに他方のミラー4で反射させ、
以て光をミラー4と5との間で周回させ、以て光をミラ
ー4と5との間で周回させ、最終的に出力パルス光をミ
ラー5より取り出すようにして、線形のレーザ共振器を
構成する。
駆動源3は、レーザ共振器における光周回時間tの逆
数(1/t)の自然数(N)倍にほぼ等しい繰り返し周波
数f=N/t[Hz]で光変調手段2を駆動する。フィルタ
6は、第3図(B)に示すように、上記繰り返し周波数
fに等しい周期の透過特性をもつ。
第2図において、第1図に対応する部分には第1図と
同一符号を付す。ここでは、リング型レーザ共振器を構
成しており、光増幅媒質1と光変調手段2と周期透過形
フィルタ6との間で光を周回させるために、ミラー7,8
および9をこれら各部1と2,2と6および6と1の各間
に配置し、出力パルス光をミラー7より取り出す。
第1図および第2図に示した本発明モード同期レーザ
装置の動作を第3図(A),(B)および(C)を参照
して説明する。
第3図(A)は、従来の高調波モード同期による光パ
ルスのパワースペクトルを示したものである。レーザ共
振器の光周回時間をt,光変調手段の駆動周波数fを3/t,
すなわち、基本周波数の3倍高調波の周波数にて駆動し
ているとした。このとき、3個おきの各縦モードのグル
ープA,B,Cは、変調器による相互注入効果により、位相
の同期がとれている。したがって、図示しているよう
に、各縦モードは互いに位相相関の無い3つのグループ
A,B,Cに分類される。このとき、光増幅媒質のレーザ共
振器内での位置や空間的占有率、利得飽和のパラメータ
等により、各グループが同時に位相の相関なく発振した
り、あるいは競合したりする。したがって、そのフーリ
エ変換である出射パルスに、ランダムなピーク値変動が
生じる。
これに対して、本発明では、第3図(B)に示すよう
な透過特性を有し、駆動周波数と等しい周期fの周期透
過形光フィルタ6をレーザ共振器内に挿入するので、た
だ1つの位相同期した縦モードのグループのみがこのフ
ィルタ6による損失を生じることなく出力され、他の2
つのグループは強い損失を被り、ほとんど出力されな
い。したがって、本発明では、周期fの間隔で、位相が
同期したモードのみが選択的に発振するため、安定な光
パルスを得ることができる。
第4図は、本発明のさらに詳細な実施例の構成を示
す。ここで、光増幅媒質1としてはエルビウム(Er3+
を濃度300ppmにて添加した長さ9mの偏波面保存シングル
モード光ファイバ(EDF)、光変調手段2としては、Ti
拡散LiNbO3結晶マッハツェンダ形電気光学光強度変調器
(EOM)、周期透過形光フィルタ6としてはファブリペ
ロー干渉計を利用し、偏波面保存シングルモードファイ
バを用いたリングレーザ共振器を構成した。さらに、11
は光ファイバ1を励起するための半導体レーザであり、
この半導体レーザ11からの出力光をダイクロイックミラ
ー12がさらに光アイソレータ13を介して光ファイバ1に
導く。光ファイバ1からの出射光を光アイソレータ14を
経てファブリペロ干渉計6から光強度変調器にて導く。
変調器2からの出力光を分岐比1対5の出力用ファイバ
カップラ15を経てダイクロイクミラー12に戻すと共に、
このカップラ15から出力パルス光を取り出す。16,17,1
8,19は、各部14と6,6と2,2と15,15と12との間にそれぞ
れ配置した光ファイバである。
ここで、右回り発振光と左回り発振光のレーザ媒質中
での相互作用による不安定性を取り除くために、レーザ
共振器中に光アイソレータ13および14を挿入し、単方向
発振を得ている。発振波長は、1.553μmである。リン
グ長は、EDF1の長さにEOM2、フィルタ6、アイソレータ
13,14等の光構成部品の長さが加わるため10mとなる。し
たがって、光周回時間は50ns、基本縦モード間隔は20MH
zである。励起光は半導体レーザ11からの発振波長0.980
μm,出力パワー50mWの半導体レーザ光であり、波長分割
多重形光ファイバカップラを用いて、EDF1に結合してい
る。このとき、EDF1の、波長1.552μmの信号光に対す
る単一通過利得は25dB、3dB飽和出力パワーは10mWであ
る。EOM2の変調帯域幅は、現状でも進行波形電極構成で
DCから20GHz、共振電極を利用した狭帯域形変調器では
光応答周波数60GHz程度のものが可能である。ここで
は、中心周波数20GHz,長さ20mmのストリップ線路形共振
電極を装荷した半波長電圧10VのEOMを用いた。駆動正弦
波電圧の振幅値(peak to peak)を20Vとすることによ
り、40GHzの光応答周波数を得ることができる。基本周
波数が20MHzであるため、2000倍高調波にてモード同期
を行う。したがって、互いに位相同期した縦モードのグ
ループが2000個独立に発振する。このうち1つのグルー
プのみを選択的に発振させるためには、フィネス2000、
キャビティ長3.75mm、フリースペクトル幅50GHzのファ
ブリペロー干渉計を用いればよい。その結果、繰り返し
周波数40GHz、パルス幅5ps、平均出力2mW程度の光パル
スが得られる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、レーザ共振器
内に光変調手段の駆動周波数と等しい同期の透過特性を
もつ周期透過形光フィルタ配置することによって、繰り
返し周波数数十GHz以上の超短光パルスをレーザ共振器
長の制限なく発生させることができる。したがって、本
発明は、超高速光伝送、光信号処理等へ応用してきわめ
て有効である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す図、 第2図は本発明の他の実施例を示す図、 第3図(A),(B)および(C)は本発明の動作を説
明するためのパワースペクトル図、 第4図は本発明のさらに他の実施例を示す図である。 1……光増幅手段、 2……光変調手段、 3……駆動源、 4,5……ミラー、 6……周期透過形光フィルタ、 7,8,9……ミラー、 11……励起用半導体レーザ、 12……ダイクロイックミラー、 13,14……光アイソレータ、 15……出力用ファイバカップラ。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光増幅媒質と光変調手段とを含むレーザ共
    振器を有し、該レーザ共振器における光周回時間の逆数
    の自然数倍にほぼ等しい繰り返し周波数で前記光変調手
    段を駆動するモード同期レーザ装置において、前記レー
    ザ共振器内の光周回通路に、前記光変調手段の駆動周波
    数と等しい周期の透過特性を有する周期透過形光フィル
    タを配置したことを特徴とするモード同期レーザ装置。
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