JP3941887B2 - 波長移動レーザ及びその作動方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザ及びその作動方法に係り、特に中心波長が時間に対して連続的に変化する短いパルス出力を生成する波長移動パルスレーザ及びかかる波長移動レーザパルスを生成する方法に関する。
尚、本発明は連続発振が得られる波長移動レーザ及びかかる波長移動連続レーザ光を生成する方法に関する。
波長移動レーザはその出力波長が時間に対して連続的に変化する光源をいう。このような波長移動レーザを作動させるためには広帯域利得媒質とともに波長可変手段が必要である。その波長可変手段として最も効率的なものは、レーザ共振器内に波長可変フィルタを設け、その中心波長を時間に対して連続的に変化させる。
例えば、Wysockiなどは約１５ｎｍの波長領域を数百Hzでスキャンしうるレーザを開発した。このような波長移動レーザにおいて、エルビウム添加光ファイバを利得媒質として、音響光学フィルタを波長可変手段としてそれぞれ利用した。（参考文献：１９９０年Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ第１５巻第８７９頁）このような波長移動レーザは波長可変レーザと共に多くの応用分野で用いられる。
波長移動レーザは低干渉性分布計測センサ、周波数領域分布計測センサ及び光ファイバ格子アレイセンサに用いられてきた。また、光素子の波長特性を速い時間内に分析する用途でも活用することができる。この他にも分光学、光通信などで既存の波長可変レーザを代替する応用が期待されるが、この分野では未だ具体的な応用事例が報告されたことがない。
一方、既存の波長移動レーザは全て連続発振出力で作動されてきたが、未だにモードロッキングされた出力で作動されたものはない。パルス形態の出力を得るためには公知の能動型または受動型モードロッキング技術が一般的に必要である。波長移動レーザの場合、共振器内のフィルタの中心波長が連続的に変化するという点で新しいモードロッキング原理が開発されることができる。しかし、このような新しいモードロッキング原理を採用した波長移動レーザが報告されたことはない。
一般に、レーザの共振器モードはレーザ光の共振器の一周による位相遅延が２Πの整数倍となる条件を満足しなければならない。従って、ｍ番目の共振器モードの周波数はｆｍ＝ｍｃ／Ｌの値をもつ。ここで、ｃは光の速度、Ｌは共振器一周光路長である。もしレーザが単一共振器モードで発振する場合、最も狭い線幅の単一周波数レーザ光が得られる。また、その出力強度は時間に対して一定の値をもつ。もし多数個の共振器モードが同時に発振する場合、各モードの振幅と位相関係によってレーザ出力特性が相互異なる２つの状態に分けられる。第１、モード間の振幅と位相が任意の関係をもつか或いは時間によって変わる場合は、出力強度が時間に対して任意に変わるいわゆるモード分割雑音（mode partition noise）を有する連続発振出力が得られる。第２、振幅が一定でモード間に位相差が一定の定数値をもつ場合には各モードの振幅が干渉（coherent inteference）して短い光パルスの出力形態を有する。このような状態をモードロッキングという。
このようなモードロッキングを具現する２種の技術がある。能動モードロッキングの場合は、振幅変調器または位相変調器または周波数変換器などを用いて変調周波数を共振器縦モード間隔またはその整数倍に合わせる。受動モードロッキングの場合は、飽和吸収体を使用するか或いはこのような役割を果たす素子または共振器構成を利用する。
しかし、従来のかかるモードロッキング技術は高価な変調器または別途の飽和吸収体が必要であるという問題点がある。
従って、本発明の目的は、高価な変調器または別途の飽和吸収体を使用しなくても短いレーザ光パルスが得られる波長移動レーザ及びかかるレーザパルスを生成する方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、波長移動レーザにおいてモードロッキングを抑え且つ連続発振を得ることのできる波長移動レーザ及びかかるレーザ出力を生成する方法を提供することにある。
前記目的を達成するために、本発明のレーザは、広い波長帯域で光を増幅しうる光利得媒質と、最小損失中心波長領域を有する波長可変フィルタと、光の強さに依存して屈折率が変わる特性をもつ非線形媒質を含む光路を有する共振器と、前記光利得媒質の密度反転のための光ポンピング手段と、前記波長可変フィルタの最小損失中心波長領域を時間に対して連続的に変化させるためのフィルタ変調信号発生手段とを備えることにより、レーザ出力がモードロッキングされた短いパルス形態であるとともにその中心波長が時間に対して連続的に移動する波長移動パルスレーザであることを特徴とする。
本発明において、前記光利得媒質は、希土類イオン添加の単一モード光ファイバ、希土類イオン添加の単一モード平面導波路、チタニウム添加サファイア結晶及びＮｄ−ＹＶＯ₄結晶からなる群より選択されたいずれか一つである。
また、半導体増幅器が前記光利得媒質として用いられてもよい。この場合、電流発生器からの電流が半導体増幅器をポンピングする。好ましくは前記電流の強度が前記共振器の縦モード間隔またはその間隔の整数倍である周波数に変調され、前記半導体増幅器の利得率を変調することにより、モードロッキングされた光パルスの発生を助けるだけでなく、パルス発生タイミングを調節する。
本発明において、前記波長可変フィルタは、音響光学波長可変フィルタ、ファブリーペロー干渉計型波長可変フィルタ、回転によってその反射中心波長が可変される反射型回折格子からなる群より選択されたいずれか一つである。
前記波長可変フィルタは、ビーム方向調節手段と、調節されたビーム方向に依って透過または反射される光が共振器に結合される時に特定の波長領域でのみ光損失を少なく加えることのできる光素子とを含んでもよい。この場合、前記ビーム方向調節手段は、音波の周波数によってビーム方向を調節する音響光学変調器でもよく、光をいろいろの経路に分けた後再び集めた時にそれぞれの光位相差によって方向を調節する多重位相アレイでもよい。
一方、前記非線形媒質は一定長さの単一モード光ファイバを含むか或いは半導体物質を含んで自己位相変調効果を向上させ、飽和吸収体の役をしてモードロッキングされた光パルスの発生を助けることが好ましい。
しかし、前記利得媒質が非線形係数の大きい希土類イオン添加光ファイバまたはチタニウム添加サファイア結晶の時には、非線形媒質の役までも行うことができるが、このような場合は別途の非線形媒質が不要である。
好ましくは前記共振器は、モードロッキングの発生を助け且つ光パルス発生のタイミング調節を行うための光振幅変調器と、前記光振幅変調器に共振器の縦モード間隔またはその整数倍の周波数を有する交流電気信号を供給する変調信号発生器を更に含む。
このような光振幅変調器は光位相変調器で代置されてもよい。
前記目的を達成するために、本発明のモードロッキングされたレーザパルス生成方法は、光の強さによって屈折率が変わる特性をもつ非線形媒質及び波長可変フィルタを共振器内に設ける段階と、前記非線形媒質に光パルスを通過させて自己位相変調を誘発することにより、前記光パルスのスペクトルが広くなるようにする段階と、最小損失波長領域が時間に従って連続的に移動されるように前記波長可変フィルタを調節する段階と、広くなった前記光パルスのスペクトル中の前記最小損失波長領域付近の成分を増幅する段階とを備えることを特徴とする。
前記方法において、前記波長フィルタの最小損失中心波長が時間に従って連続的に移動されるように前記波長可変フィルタを調節する段階は、最小損失中心波長が単位時間当たり変わる量Ｖが、波長が移動されている大部分の時間に一定の臨界速度Ｖｃより大きくて、多数個の共振器モードが同時に発振できるようにする段階であることが好ましい。即ち、Ｖ＞Ｖｃ、Ｖｃ＝１ｎ（ｒ）Δ⁴／ｂ²の関係を満足する。ここで、Δは共振器モード間の波長間隔、ｂは前記波長フィルタの半値波長幅、１ｎ（ｒ）は各モードのもつ最大光強度と最小光強度との比率の自然ログであり、一般に１５〜２５の間で定められた値をもつ。
この場合、前記波長可変フィルタを調節する段階では、前記波長可変フィルタに周波数及び／または電圧が一定の領域の間を連続で周期的に変わる電気信号を印加することが好ましい。さらに好ましくは、前記電気信号の反復される毎周期の前部に短い電気パルスをさらにのせて光りパルスの発生を助け、パルスタイミングを前記電気パルスに同調させるようにすることもできる。
一方、前記他の目的を達成するために、本発明の波長移動レーザは、特定波長帯域で光を増幅しうる光利得媒質と、最小損失中心周波数領域を有する波長可変フィルタと、光の周波数を変換させる周波数変換器を含む光路を有する共振器と、前記光利得媒質の密度反転のための光ポンピング手段と、前記波長可変フィルタの最小損失中心周波数領域を時間に対して連続的に変化させるためのフィルタ変調信号発生手段と、前記周波数変換器の周波数変換の大きさが、前記共振器の一周時間に前記波長可変フィルタの中心周波数変換量の大きさとほぼ同様となるように調節して光パルスの発生を抑える手段とを備え、光出力が連続発振形態をもち、その中心周波数が時間に従って連続的に移動するようにしたことを特徴とする。
この場合、前記周波数変換器は、一定周波数の交流電気信号で駆動され、その電気信号からの音波によって光の屈折現象とドップラー移動現象を与える音響光学周波数変換器であることが好ましい。
さもなければ、前記周波数変換器及び波長可変フィルタの役割を一つの音響光学波長可変フィルタが担当してもよい。この場合、前記波長可変フィルタの中心周波数を移動させるために前記波長可変フィルタに印加される電気信号の周波数が時間に対して少量だけ変化し、周波数変換の方向はフィルタ周波数移動方向と同一であり、共振器一周当たり周波数変換の大きさとフィルタ中心周波数の移動大きさとがほぼ同一となるように調節してもよい。
前記レーザ光を得るための本発明の方法は、最小損失中心周波数領域を有する波長可変フィルタと、周波数変換器を含む光路を有する共振器を設ける段階と、前記周波数変換器によって前記光路を通過する光の周波数を一定大きさｆ_FSだけ変換させる段階と、前記波長可変フィルタの中心周波数が前記共振器の一周時間にｆ_FIだけ連続的に変化するようにする段階と、前記共振器内のレーザスペクトルが常時前記波長可変フィルタの中心周波数付近で発振するようにｆ_FSとｆ_FIとがほぼ同様の値を有するように前記波長可変フィルタを調節する段階とを備えることにより、光パルス発生を抑え且つ連続発振成分を維持することを特徴とする。
要するに、本発明の波長移動レーザは、共振器内に設けた非線形媒質が充分な大きさの非線形位相を与えることができれば、自発的にモードロッキングが誘発できるという新しい原理に基づいている。
パルスは自己位相変調効果によってスペクトル広がりを経験し、連続発振成分より波長移動フィルタによる光損失を少なく経験するためにモードロッキングが発生する。この方法によれば、モードロッキングのために高価な変調器又は別途の飽和吸収体を使用しなくても、数十ピコ秒の短い光パルスを安定に得ることができる。
図１ａ及び図１ｂは、本発明による波長移動レーザの概略的構成図である
図２ａ及び図２ｂは、図１ａ及び図１ｂに説明された波長移動レーザの作動を説明するための図である。
図３は、本発明の実施例による光ファイバ波長移動レーザの概略的構成図である。
図４は、図３に示したレーザに対して、ポンプ光の強さを変化させながら測定したレーザ出力強度を示すグラフである。
図５は、図３に示したレーザに対して、オシロスコープを用いて測定した出力強度の写真である。
図６は、光スペクトル分析器を用いて最大値固定モードでレーザ出力スペクトルを測定したグラフである。
図７ａは、図３の波長移動レーザに対するレーザスペクトルの瞬間線幅を測定するために用いられた装置の概略的構成図、
図７ｂは、図７ａの装置を用いて光路差が２ｍｍの時に光感知器５２０で検出された信号の写真、
図７ｃは、波長移動反復率が６００Ｈｚの時の干渉度対光路差Ｌのグラフである。
図８ａ乃至図８ｄは、コンピュータシミュレーションによって得られた図３の光ファイバ波長移動レーザの出力スペクトルと光パルスのグラフである。
図９ａ及び図９ｂは、図３の光ファイバ波長移動レーザのパルス幅と線幅に対する測定結果とコンピュータシミュレーション結果とを比較したグラフである。
図１０は、本発明の他の実施例による波長移動レーザの出力を観察したオシロスコープ写真である。
図１１ａ及び図１１ｂは、本発明の別の実施例による波長移動レーザの応用に対する概念図である。
以下、添付図を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。
図１ａ及び図１ｂは本発明による波長移動レーザの概略的構成図であり、図１ａは線形共振器を、図１ｂはリング共振器をそれぞれ採用したものを示す。
図１ａを参照すると、対向する反射鏡１１０、１１２間の光路１５０に沿って光が往復する。往復する間に光の強度は利得媒質１２０によって増幅される。光ポンピング手段１２２は利得媒質１２０によるレーザ発振ができるようにエネルギー準位間における密度反転を起こす。１３０は一定の波長領域の光のみを通過させるか或いは反射させる波長可変フィルタを示す。波長可変フィルタ１３０の中心波長を変調するために波長可変フィルタ１３０に印加される信号は電気信号発生器１３２によって供給される。電気信号発生器１３２は多様な波形の電気信号を波長可変フィルタ１３０に供給することができる。電気信号発生器１３２によって波長可変フィルタ１３０の中心周波数を時間に対して、例えばのこぎり波形または三角波形に変化させることができる。一方、非線形媒質１４０は入射光の強さによって屈折率が異なる特性をもったものであり、例えば屈折率が次の数式１を満足する形で定められることができる。
［数１］
ｎ＝ｎ₀−ｎ₂Ｉ
ここで、ｎ₀は定数であり、Ｉは光強度、ｎ₂は非線形係数をそれぞれ示す。一般的な物質において非線形係数は陽数であるが、陰数の係数をもつ物質も本実施例で用いられることができる。非線形媒質に短い光パルスが通過すると、媒質内の固定点で光強度が時間によって変わるので、いわゆる自己位相変調効果が発生してパルスの前側と後側で光周波数が互いに異なる符号に変化する。この効果によってパルスのスペクトルが全体的に広がる現象が生ずる。このスペクトル広がり現象は本発明に関連したモードロッキングに影響を与える必須要素中の一つである。
場合によって、利得媒質１２０の一側面が反射鏡１１０を代替することができる。例えば、利得媒質１２０として半導体増幅器を使用する場合、非線形媒質１４０及び波長可変フィルタ１３０に向ける面は無反射コーティングを行い、その反対面は高反射コーティングを行うか、垂直に切って反射鏡の役割を果たすことができる。もし高反射ブラッグ格子が波長可変フィルタ１３０として用いられる場合、これも同様に反射鏡１１２を代替することができる。共振器内の光素子は光路１５０内に位置している。この光路は自由空間でもよく、単一モード光ファイバのような光導波路でもよい。非線形係数をもつ光繊維が光路を構成する場台、その自体が非線形係数をもつので、別途の非線形媒質１４０が必要でない。図１ａに示した共振器の構成において、利得媒質１２０、非線形媒質１４０及び波長可変フィルタ１３０のような光素子の置かれた順序は互いに替わっても共振器の作動に影響を与えない。
共振器の構造が環状の場合、自由空間である多数の光路と多数の反射鏡を使用して構成することができ、図１ｂに示したように反射鏡を別途に設置せず光路１５０を光ファイバで構成することもできる。いずれの場合にも、図１ａに示したように利得媒質１２０、非線形媒質１４０及び波長フィルタ１３０が用いられ、さらに一側方向にのみ光を通過させる光孤立器１６０が用いられることもできる。リング共振器の場合には反射型利得媒質または反射形フィルタは使用することができない。単一モード光ファイバが充分なサイズの非線形屈折率変化を与える場合には別途の非線形媒質１４０が必ず必要なのではない。
上述したような波長移動レーザの作動原理は、図２ａ及び図２ｂを参照すると最も明確に理解される。
中心周波数が固定されているフィルタを使用する既存のレーザにおいてもし利得媒質が均一な広がり（homogenous broadening）をもった場合、フィルタの中心周波数と一番近い共振器モード一つのみが発振する。
しかし、中心周波数が連続的に変わる波長移動レーザではそうでない。
まず、レーザに非線形媒質がない場合を考察してみよう。この場合、レーザの出力は連続発振であり、そのスペクトルは図２ａのように表すことができる。図２ａの横軸は光周波数を、縦軸は光の強さまたは有効利得率をそれぞれ示す。図２ａを参照すると、利得曲線２１０は周波数による共振器内の有効利得率であるが、波長フィルタによってフィルタ中心周波数２２０で最大値を有し、中心から離れるほどフィルタ幅によって決定される幅をもって急激に減少する。この場合、フィルタの中心周波数は時間に対して一定の速度で増加移動していると仮定する。矢印２２２は中心周波数移動の速度ベクトルを示す。もしフィルタの移動速度が大きくて一つの共振器モードが自発放出光から増幅されて利得媒質を単独で飽和させるほどのエネルギーをもつほどの共振器循環を許さなければ、共振器モード一つのみが発振することができなく、多数個の縦モードがいっぺんに存在するようになる。即ち、フィルタの中心波長が単位時間当たり変わる量Ｖが数式２に定義された臨界速度Ｖｃより大きければ、レーザが多数個の縦モードで発振する。
［数２］
Ｖｃ＝１ｎ（ｒ）Δ⁴／ｂ²
ここで、Δ（＝λ²／Ｌ）は共振器モード間の波長間隔、ｂは波長フィルタの半値波長幅、１ｎ（ｒ）は各モードのもつ最大光強度と最小光強度との比率の自然ログであり、大部分の場合に１５〜２５の値を有する。
スペクトル曲線２３０はいずれか一瞬間におけるレーザスペクトルの模様を示す。スペクトル曲線２３０は縦モード間隔より一層広い線得幅２３２を有する。
スペクトル中心２３４がフィルタ中心周波数２２０から速度ベクトル２２２と反対方向に一定のオフセット２３６だけ離れる。線幅２３２とオフセット２３６は大略的にフィルタ半値幅の２／３自乗とフィルタの移動速力の１／３自乗に比例する値を有することが知られている。
点線２４０は利得率が１となる線を示す。利得率が１より大きい周波数領域では光の強さが増加し、利得率が１より小さい他の周波数領域では光の強さが減少する。即ち、スペクトルにおいてフィルタ中心周波数２２０に近い方２５０は利得を得て光の強さが大きくなり、フィルタ中心周波数２２０から遠い方２５２は光損失を経て光の強さが減少する。結果的に、一定の時間が流れた後は全体スペクトル曲線２３０がその中心から移動する。このような過程が反復されながらレーザスペクトルがフィルタの中心周波数の移動に従って一緒に移動する。スペクトル中心２３４が移動し中心周波数２２０側に移動しながら、前側の周波数成分（図２ａで近い方２５０の付近とその右側にある成分）はフィルタの中心周波数が移動してきながら利得媒質で自発放出された光から成長する。自発放出光は周波数成分ごとに位相関係のない雑音のような特性をもっているので、この場合、波長移動レーザの出力は連続発振であり且つ増幅された自発放出（Amplified Spontaneous Emission）光のような統計的特性をもつ。
一方、フィルタの中心周波数が時間に対して三角波形で移動すると、レーザの出力波長は図２ｂに示したように変わる。図２ｂを参照すると、出力波長が一定周期をもって線形的に波長の増加２６０と減少２６２を繰り返す。波長移動の反復周期２７０はフィルタのチューニング速度とレーザ利得媒質の緩和速度によって一定値を超えることができない。特に、波長移動反復率がレーザ共振器の緩和振動周波数と同様になると、緩和振動が大きく起こる。従って、反復率を増加させるためには動的特性の速い利得媒質とチューニング速度の速い波長フィルタが必須的である。一方、波長移動領域２８０の最大値はフィルタのチューニング範囲と利得媒質の帯域幅によって決定される。希土類添加光ファイバの場合は最大数十ｎｍまで波長を移動することができ、幾つかの半導体または固定結晶では１００ｎｍ以上も波長移動を行うことができる。
非線形媒質を含む共振器をもった波長移動レーザの他の例では、共振器内に生成された弱い光パルスのスペクトルが前述した通りに非線形媒質の自己位相変調現象によって広がる。自発放出光とは異なり、このように広がったスペクトル成分の各周波数成分ごとは一定の位相関係をもっている。もしその広がった成分がフィルタの中心周波数付近領域で自発放出光の強さより大きければ、この領域で発達するレーザスペクトルは周波数成分ごとに特定の位相関係をもつようになる。このようにモード間に位相関係が成り立つのがモードロッキングであり、この場合、レーザ光がパルスの形を取る。
モードロッキングされたパルスはスペクトル広がり現象によってフィルタが移動する周波数領域にエネルギーを伝達するために、この周波数領域で光がさらに速く成長することができる。従って、図２ａに示したオフセット２３６が減少する。オフセット２３６が減少すると、フィルタに起因した光損失が減少するので、さらに大きいエネルギーの光を得ることができる。即ち、パルス成分は光損失が連続発振成分よりさらに小さいなので、レーザ発振に有利である。モードロッキングを達成するためには、フィルタ中心周波数付近で非線形媒質によって生成されたスペクトル成分が利得媒質から自発放出された光成分とほぼ同様か、これよりさらに大きい強さの密度を持たなければならない。従って、モードロッキング・スレッショルドを低めるためには非線形係数が増加するか、自発放出光が小さい、即ち雑音数値が低い利得媒質を使用しなければならない。
利得媒質としては希土類添加光ファイバ、希土類添加単一モード平面導波路、チタニウム添加サファイア結晶、Ｎｄ−ＹＶＯ₄結晶などがある。
波長フィルタとしてはファブリーペローフィルタ、音響光学フィルタ、反射型ブラッグ格子、光ファイバブラッグ格子、音響光学ビーム方向調整器（beam deflector）と反射型ブラッグ格子からなるフィルタ、ビーム方向調整器と反射鏡からなるフィルタ、光導波路ビーム方向調整器と反射型ブラッグ格子、光導波路ビーム方向調整器と反射鏡からなるフィルタなどが用いられる。
非線形媒質としては半導体飽和吸収体、単一モード光ファイバなどが用いられてもよい。もし希土類添加光ファイバまたはチタニウム添加サファイア結晶などのように非線形係数の大きい利得媒質を使用する場合、別途の非線形媒質が必要ではない。
図３は本発明の実施例による光ファイバ波長移動レーザの概略的構成図である。
本実施例では一般通信用単一モード光ファイバからなる光路をもつたリング共振器内に、エルビウムイオン添加光ファイバ３１０を利得媒質として使用した。エルビウムイオン添加光ファイバの吸収率は１５５０ｎｍで約１２ｄＢ／ｍであった。図３を参照すると、光ファイバ波長分割多重結合器３１２を介してレーザダイオード３１４から１４７０ｎｍのポンプ光が入射される。波長フィルタとしては、圧電素子でチューニングされるファブリーペローエタロンフィルタ３２０が用いられた。フィルタ３２０の半値幅は０．２３ｎｍであり、自由波長変換領域（free spectral range）は３３ｎｍであった。このフィルタ３２０はＩＶの印加電圧の変化によって１４ｎｍだけ中心波長が変化する特性をもっていた。本レーザの駆動において、周波数発生器３２２で２Ｖ振幅の三角波を発生させて波長フィルタの中心波長が約２８ｎｍ領域を線形往復するようにした。レーザ出力は５０％結合率を有する光ファイバ分割器３３０を通して得られる。共振器内には２つの偏光調節器３４０、３４２を設けてレーザ偏光を調節した。モードロッキング発生可否は偏光状態とは関係なかったが、最も安定なパルスを得るためには偏光調節が必要であった。利得媒質の両端に２つの光孤立器３５０、３５２を設けて一方にのみレーザが発振するようにした。光孤立器がない時には両方向にモードロッキングが発生する。共振器の総長さは１７．２ｍ、光損失はフィルタで約４ｄＢ、出力光分割器で３ｄＢ、光孤立器で０．５ｄＢなど総１０ｄＢ程度であった。共振器内の光ファイバが全てシリカ材料を基本として制作されたため、ほぼ同様の大きさの非線形形係数をもっていた。しかし、大部分の自己位相変調は光の強さが一番大きく、モード直径が小さい領域であるエルビウム添加光ファイバ３１０の端付近で発生する。普通、単一モード光ファイバではモード直径が９ミクロンン（micron）であり、これに対してエルビウム添加光ファイバは約３．６ミクロンにしかならない。
図４は図３に示したレーザに対して、ポンプ光の強さを変化させながら測定したレーザ出力強度のグラフである。
点線４１０は波長フィルタに一定の電圧を印加して１５５０μｍでレーザ出力を得た時の出力を示す。線４１２と線４１４はフィルタに２Ｖ振幅でそれぞれ２００Ｈｚ、６００Ｈｚ周波数の三角波を印加した場合に測定された結果を示す。全ての場合、ポンプ光が約４ｍＷの時にレーザがスレッショルドを超えて連続発振を始める。フィルタが変調されない時にはポンプ光に線形的に比例するようにレーザ出力光が得られた。フィルタが変調される場合、発振初期では連続発振が得られるが、円形表示部４２０に示したようにポンプ光が２５ｍＷより強い時には、モードロッキングされたパルス出力が得られた。円形表示部４２０で直線の傾きが変化することから分かるように、モードロッキングが始まる時は急にレーザの出力強度が増加するが、これはパルスが形成されて共振器内の有効光損失が減少したことを意味する。
図５ａは、図３に示したレーザに対して、レーザの出力強度を５０ＭＨｚ帯域幅を有する光感知器とオシロスコープで測定した写真である。ポンプ光の強さは約３５ｍＷであった。
上部信号４３０はフィルタに印加された２Ｖ、２５０Ｈｚの三角波である。下部信号４４０、４４２はモードロッキングされたパルス列を示す。この写真においてそれぞれのパルスを区別するには困難であるが、三角波で電圧が増加する時は出力波長が増加した信号４４０を得、三角波で電圧が減少する時には出力波長が減少した信号４４２を得ることが分かる。パルス列の高さが波長によって一定でないことは主に波長変化によるエルビウム添加光ファイバの利得率差異のためである。信号４４０、４４２間の模様が異なるのは主にフィルタの非対称的特性に起因したと思われる。共振器一周周期が８３ｎｓであり波長移動の半周期が２ｎｓなので、波長が２７ｎｍ領域で増加した信号４４０または減少した信号４４２から発生するパルスの数はそれぞれ約２４１００個である。
図５ｂは図３に示したレーザの出力強度をさらに短い時間間隔に対して測定した写真である。図５ｂを参照すると、共振器の一周時間に間隔に該当する間隔４５０でパルスが一個ずつ区別されて示されているが、パルスの発生タイミングはフィルタに印加される電気信号４３０と同調されていなかったことが分かる。タイミングの時間揺動は１００ｎｓ以上であり、オシロスコープの電気信号をトリガ（trigger）として使用する場合、波長移動が反復される時に全て他の任意の位置でパルスが発生することが見られた。その理由はモードロッキングがノイズパルスから始まるためであると思われる。フィルタがチューニングされながら発生する混沌特性の振動ももう一つの原因として思われる。従って、パルスのタイミングを意図的に調節することが好ましい。もしフィルタに印加される電気信号の各周期の前部にインパルスをのせると、瞬間的にノイズ光パルスを発生させることにより、パルスのタイミングを同調させることができる。他の方法としては振幅変調器または位相変調器を共振器に設置し、共振器の縦モード周期に合わせて変調を行ってパルスが振幅最大時間または位相が変わらない時間に発生するようにする方法がある。
半導体増幅器を利得媒質として使用する場台は、増幅器に印加する電流の強さを共振器の縦モード周期またはその倍数に変調してパルスに対する利得が最も高い時間にパルスが発生するようにする方法もある。
図６は光スペクトル分析器を用いて最大値固定モードでレーザ出力スペクトルを測定したグラフである。レーザ出力は図５ａと同一の条件で生成された。図６を参照すると、レーザスペクトルが瞬間的には狭い線幅を有するが、長時間にわたって最大値のみを測定すると、最小波長４６０の１５３８ｎｍから最大波長４６２の１５６５ｎｍ間の２７ｎｍ領域を覆っていることを示す。この波長移動幅はフィルタに印加される信号の振幅を調節することにより変化させることができる。
図７ａは図３の波長移動レーザに対するレーザスペクトルの瞬間線幅を測定するために用いられた装置の概略的構成図である。図７ａを参照すると、波長移動レーザ５１０の出力をマイケルスン干渉計に入射させ、その出力を光感知器５２０とオシロスコープで測定したことが分かる。レーザ出力は５０％光ファイバ結合器５３０を介してマイケルスン干渉計の２つの腕５３２、５３４に分けられる。両腕の光路差は反射鏡５３６を線形に動いて基準点を中心として約４ｃｍ程度まで調節することができる。偏光調節器５３８を調節して２つの腕を通る光の偏光が反射された後光結合器５３０で会う時に同じ状態となるようにした。光路差がＬの時、この干渉計は波長に対する透過率がλ²／Ｌ周期のコサインの自乗形態を有するフィルタの役割を果たす。レーザの出力波長が時間に対して変わるので、干渉計を通過した後の光強度は時間に対して周期的に変わる。その変調信号の干渉度を測定してレーザ線幅を測定することができる。
図７ｂは図７ａの装置を用いて光路差が２ｍｍの時に光感知器５２０で検出された信号の写真である。光の強さが変調された波長間隔は１．２ｎｍ、波長移動反復率は２５０Ｈｚであった。波長が増加するか減少する時間の間、約２２．５個のサイクルが入っているので、全体波長移動幅は２７ｎｍであることが分かる。各波長移動の前部５４０における強さ変調サイクルの時間間隔が他のところにおけるものに比べてややさらに大きいことはフィルタの圧電素子の反応が充分速くなくて非線形で動いているためである。
図７ｃは波長移動反復率が６００Ｈｚの時、干渉度対光度差Ｌのグラフである。２つの曲線５５０、５５２は波長が減少している時と波長が増加している時に測定された結果をそれぞれ示す。２つの曲線は大きさ比が３：１、線幅比が１：３の２つのガウス関数でよく近似された。これからレーザスペクトル模様が単純ガウス関数の形から外れた形態であることが分かる。スペクトルがガウス形態でない理由は非線形媒質の効果が大きすぎて自己位相変調が非常に大きく生ずるためである。非線形性がさらに小さいか、或いは波長移動速度がさらに大きいか、或いはフィルタ幅がさらに小さい場合には単一ガウススペクトルが得られ、パルス模様もガウス形態をもつ。ポンプ光の強さを増加させて自己位相変調をさらに大きくすると、レーザの出力強度が不安になるが、これもやはり非線形性が大きすぎてレーザパルスが多数個に分けられる傾向のためである。図７ｃを参照すると、波長増加時の干渉度５５２が波長減少時の干渉度５５０より光路差に対して一層急激に減少することから、波長増加時にレーザ線幅がさらに広いことが分かる。この現象はファブリーペローフィルタのもつ、周波数に対する３次色分散効果でよく説明される。前述したように波長が増加、減少する時、レーザスペクトルの位置はフィルタ中心に対してそれぞれ異なる方向にオフセットを有する。ところが、フィルタによる色分散を求めると、フィルタ中心周波数より大きい周波数領域はいわゆる異常色分散領域であり、中心周波数より小さい領域は正常色分散領域である。レーザ波長が増加する時はスペクトルがフィルタ中心周波数よりさらに大きい領域にあるが、異常色分散と非線形媒質による自己位相変調がパルスが短くなるソリトン効果を与えてパルス幅が減少し、スペクトルはさらに広くなる。その逆に、レーザ波長が減少する時はフィルタによる分散がパルスを広める役割を果たしてパルス幅が増加し、スペクトルは相対的にさらに狭くなる。フィルタ幅が１ｍ以下の場合、フィルタによる分散効果が数十ｍの光ファイバが与える分散より一層大きいために光ファイバの色分散効果は無視することができる。しかし、音響光学フィルタを使用する場合は、フィルタの特性上このような非対称性はない。一方、自己位相変調が大きすぎる場合にはオフセットの符号が反対になることもあるが、この場合、パルスの模様はガウス形態からさらに外れ、前述した非対称性も複雑な様相を帯びる。
光パルスの幅は２次高調波発生による自己相関器を用いて測定した。実験では全ての場合に対してパルスの模様がガウスに相当近接して測定された。波長移動反復率が１ｋＨｚの時、波長増加と波長減少の時を分けてパルス幅を測定したが、差異が１０％程度に波長減少する時がさらに大きく測定された。この結果は波長減少の時、線幅がやや１０％さらに短かったことと致する。
図８ａ乃至図８ｄはコンピュータシミュレーションを通して得られた図３の光ファイバ波長移動レーザの出力スペクトルと光パルスのグラフである。コンピュータシミュレーションに用いられた共振器光損失、エルビウム添加光ファイバの利得率、共振器長さ、光ファイバ色分散、波長フィルタの線幅、非線形係数などのパラメータは全て実際実験で用いれた値を基準とし、有効非線形媒質の長さを自由パラメータにして実験結果と最も近い結果を出す値を取った。その値は共振器内の光の強さが最も大きい時の値を基準とした時、エルビウム添加光ファイバの２ｍ長さに該当した。図８ａ乃至図８ｄの結果は、波長移動領域が２８ｎｍ、反復率が２５０Ｈｚ、レーザの出力光強度が２．１ｍＷの場合のコンピュータシミュレーション結果である。図８ａ及び図８ｂはそれぞれフィルタ周波数が共振器の一周時間に１５０ＭＨｚだけ増加する時、即ちレーザ出力波長が１．２ｐｍだけ減少する場合のスペクトルとパルス模様であり、図８ｃと図８ｄはフィルタ周波数が同じ速度で減少する時のスペクトルとパルス模様である。スペクトルの最大値がフィルタ中心、即ち有効利得率曲線の中心から外れたことと単純ガウス形態でないことがはっきり見える。従って、光パルス模様も単純ガウス形態からやや外れたことが明確に現れている。パルス幅と線幅をかけた値は波長減少の場合が０．４３、波長増加の場合が０．４７であった。
コンピュータシミュレーションで非線形媒質の有効長さを２ｍより数倍程度さらに小さい量を取ると、スペクトルのオフセットが増加し、スペクトル模様とパルス模様が全てガウス形態をもつ。反面、有効長さを２ｍから段々さらに増加させると、スペクトルが不安な段階を経ていくつかの切れに分けられ、多数の光パルスが生成される状態が得られる。これは前述したように単一パルスでは共振器内に自己位相変調が大きすぎるため、多数個のパルスに分けられて自己位相変調効果を減少させることがより安定な状態になるからである。
図９ａ及び図９ｂは図３の光ファイバ波長移動レーザのパルス幅と線幅に対する測定結果とコンピュータシミュレーション結果とを比較したグラフである。測定値は波長が増加する時と減少する時を区別せずに得られたものである。図９ａの黒い正方形は波長移動反復率がそれぞれ１００Ｈｚ６１０、２００Ｈｚ６１２、６００Ｈｚ６１４の時の測定結果である。横軸はフィルタ中心周波数が共振器の一周時間に移動した量に換算して示した。曲線６２０と曲線６２２はそれぞれ波長が減少、増加する場合のコンピュータシミュレーションの結果である。
線幅は波長増加と減少の場合を分けて測定した。図９ｂにおいて点６５０と点６５２は波長増加の場合、波長移動反復率がそれぞれ２００Ｈｚ、６００Ｈｚの時に測定された値であり、点６５４と点６５６はそのそれぞれの反復率で波長減少の場合に測定した値である。曲線６６０と曲線６６２はそれぞれ波長増加と減少の場合のコンピュータシミュレーション結果である。測定値とコンピュータシミュレーション結果が絶対値では若干の差異を示すが、波長移動速度による変化傾向性と方向による非対称性においては互いに良く一致する。
つまり、本実施例では波長移動光ファイバレーザで特別に異なる光素子、例えば高価な変調器または別途の飽和吸収体の助け無しでも１００ピコ秒程度の幅を有する光パルスを安定に得ることができた。
前述したこのモードロッキングの基本条件の一つは、フィルタの周波数が連続的に移動してレーザスペクトルに非対称的な光損失を与えることである。従って、もし光スペクトルをフィルタ周波数の変化と同じ速度で移動させると、モードロッキングは発生しない。従って、この原理に基づいた本発明の別の実施例による、連続発振が得られる波長移動レーザを構成することができる。
このような波長移動レーザは図３に示したレーザ共振器内の出力光分割器３３０と光孤立器３６２との間に音響光学周波数変換器を設けることにより構成することができる。本実施例によれば、この周波数変換器は５４ＭＨｚ周波数の交流信号で駆動され、１５５０ｎｍ付近の１００ｎｍに至る広い領域で透過率がほとんど一定であり、５４ＭＨｚだけ光の周波数を増加させる。この素子によって共振器長さが１９．２ｍに増加した。従って、周波数変換量と同じ速度である５８０ＧＨｚ／ｍｓでフィルタ中心を移動させるためには、波長移動幅２８ｎｍの場合、理論的にフィルタに印加された三角波の周波数が約８３Ｈｚとならなければならない。
図１０は本発明の別の実施例による波長移動レーザの出力を観察したオシロスコープ写真である。出力は音響光学周波数変換器に周波数７７Ｈｚ、振幅２Ｖの三角波電気信号を印加して得た。
三角波の電圧が増加する時７１０は、レーザ出力周波数が減少する時７１２に該当する。この時はフィルタ中心の移動方向が周波数変換方向と反対なので、モードロッキングが発生してパルスが発生する。
反面、電圧が減少して７２０レーザ出力周波数が増加する時７２２は、レーザ光がフィルタ移動速度に合わせて周波数変換を行うため、常時フィルタの中心で発振を行うことができるので、モードロッキングが抑えられ、その代わり連続発振をしている。図１０に示したように、周波数変換と波長フィルタ移動の速度が最も良く合うところは７２４付近であると思われる。
フィルタ内の圧電素子の非線形性によって実際フィルタ中心が完璧に線形に動いていないので、７２６のようなところは波長移動と周波数変換に数Ｈｚだけ隔たりができている。このところではモードロッキングされていない状態であるが、レーザの出力光強度が緩和振動を伴って相当不安であることが分かる。
即ち、周波数変換器の周波数変換の大きさが、共振器の一周時間に波長可変フィルタの中心周波数変換量の大きさとほぼ同様となるように調節して光パルスの発生を抑える手段を備えることにより、連続発振を得ることができる。
このような波長移動レーザの連続発振は次のような方法によって行われる。
まず、最小損失中心周波数領域を有する波長可変フィルタと、周波数変換器がレーザ共振器内に設置される。その後、周波数変換器によって光周波数を一定サイズｆ_FSだけ変換させ、波長可変フィルタの中心周波数が前記共振器の一周時間にｆ_F1だけ連続的に変化するようにする。そして、共振器内のレーザスペクトルが常時前記波長可変フィルタの中心周波数付近で発振するようにｆ_FSとｆ_F1がほぼ同様の値をもつように前記波長可変フィルタを調節すると、光パルス発生が抑えられ、連続発振成分が維持される。
結論的に、この２番目の実施例では周波数変換器を用いてフィルタの移動速度と周波数変換の速度を合わせてモードロッキングを抑制し、連続発振を得ることができることを示した。
図Ｉ１ａと図１１ｂはこのような連続発振が可能な波長移動レーザの応用に対する概念図を示す。
図１１ａを参照すると、波長移動レーザ８１０の出力が自由空間や光ファイバなどの光路８２０を経て波長フィルタまたは非線形効果を用いた光スイッチなどの光素子、或いは格子センサや干渉計型光センサ、或いは光ファイバ通信システムなどの光システム８３０を透過させて光検出器８４０で測定する場合、この光システムの波長特性を時間領域で分析することができる。波長移動反復率が速い場合、既存の遅いスペクトル分析器では不可能であった速い動的特性を把握することもできる。
図１１ｂは光分割器８５０を用いて光システム８３０で反射された光の波長特性を測定する場合である。
上述した本発明の波長移動レーザ光源及び波長移動レーザ光生成方法によれば、いろいろの光学素子及びシステムの診断が可能であり、光センサ及び波長分割多重方式の光通信に様々に応用することができる。

Claims (22)

1. モードロッキングされた短いパルス出力を生成するような構造であり、波長領域にわたって光を増幅することができる光利得媒質、中心波長を有する波長可変フィルタ、および光強度によって屈折率が変わる特性を持つ非線型媒質、を含む光路を有する共振器と、前記光利得媒質中に密度反転を生成させる光ポンプと、そして
   波長可変フィルタに結合されたフィルタ変調信号発生器と、を備える波長移動パルスレーザであって、波長可変フィルタの中心波長を連続的に変化させることにより、および前記非線型媒質中の光の自己位相変調により、前記短いパルス出力をモードロッキングさせる構造の波長移動レーザ。
2. 前記光利得媒質は、希土類イオンが添加された単一モード光ファイバ、希土類イオンが添加された単一モード平面導波路、チタニウム添加サファイア結晶及びＮｄ−ＹＶ₄結晶からなる群より選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項１記載の波長移動パルスレーザ。
3. 前記光利得媒質が半導体増幅器であることを特徴とする請求項１記載の波長移動パルスレーザ。
4. 前記光ポンピング手段が電流を生成するが、その電流の強さが前記共振器の縦モード間隔またはその間隔の整数倍である周波数に変調されて前記半導体増幅器の利得率を変調することにより、モードロッキングされた光パルスの発生を助け、パルス発生タイミングを調節することができることを特徴とする請求項３記載の波長移動パルスレーザ。
5. 前記波長可変フィルタが、音響光学波長可変フィルタ、ファブリーペロー干渉計型波長可変フィルタ、回転によってその反射中心波長が可変される反射型回折格子から構成された群より選択されたいずれか一つであることを特徴とする請求項１記載の波長移動パルスレーザ。
6. 前記波長可変フィルタが、
   進行する光の方向を調節し得るビーム方向調節器と、
   ビーム方向に依存して透過または反射される光が共振器に結合される時、特定波長領域でのみ光損失を少なく与えることのできる光素子とを含むことを特徴とする請求項１記載の波長移動パルスレーザ。
7. 前記ビーム方向調節器が、音波の周波数によってビームの方向を調節する音響光学変調器であることを特徴とする請求項６記載の波長移動パルスレーザ。
8. 前記ビーム方向調節器が、光をいろいろの経路に分けた後再び集めた時、それぞれの光位相差によって方向を調節する多重位相アレイであることを特徴とする請求項６記載の波長移動パルスレーザ。
9. 前記非線形媒質が一定長さの単一モード光ファイバを含むことを特徴とする請求項１記載の波長移動パルスレーザ。
10. 前記非線形媒質が半導体を含んで自己位相変調効果を向上させ、光の強さによって吸収率が減少する飽和吸収体の役をしてモードロッキングされた光パルスの発生を助けることを特徴とする請求項１記載の波長移動パルスレーザ。
11. 前記利得媒質が一つの光素子として前記非線形媒質の役割までも果たすことを特徴とする請求項１記載の波長移動パルスレーザ。
12. 前記利得媒質が、非線形屈折率変化の大きい希土類イオン添加光ファイバまたはチタニウム添加サファイア結晶であることを特徴とする請求項１１記載の波長移動パルスレーザ。
13. 前記共振器内に、モードロッキングの発生を助けて光パルス発生のタイミング調節を行うための光振幅変調器と、前記光振幅変調器に、共振器の縦モード間隔またはその整数倍の周波数をもつ交流電気信号を供給する変調信号発生器をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の波長移動パルスレーザ。
14. 前記共振器内に、モードロッキングの発生を助けて光パルス発生のタイミング調節を行うための光位相変調器と、前記光位相変調器に、共振器の縦モード間隔またはその整数倍の周波数をもつ交流電気信号を供給する変調信号発生器をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の波長移動パルスレーザ。
15. 波長領域で光を増幅する光利得媒質、中心周波数の周りで損失が最小となる波長可変フィルタ、及び光強度によって屈折率が変わる非線形媒質が含まれた光経路を有する共振器を提供する段階；
    レーザパルスをモードロッキングするため、前記波長可変フィルタの中心周波数を連続的に変更すると共に、自己位相変調により光パルスのスペクトラムが拡張されるよう前記非線形媒質に光パルスを伝送する段階；及び
    前記中心周波数周りの光パルス要素を増幅する段階；
    を備えることを特徴とするモードロッキングレーザパルスの発生方法。
16. 前記波長フィルタの最小損失中心波長が時間に従って連続的に移動されるように前記波長可変フィルタを調節する段階は、最小損失中心波長が単位時間当たり変わる量Ｖが波長が移動されている大部分の時間に一定の臨界速度Ｖｃより大きくて、多数個の共振器モードが同時に発振できるようにする段階であることを特徴とする請求項１５記載のモードロッキングされたレーザ光パルス生成方法。（但し、Ｖｃ＝１ｎ（ｒ）Δ⁴／ｂ²、Δは共振器モード間の波長間隔、ｂは前記波長フィルタの半値波長幅、Ｉｎ（ｒ）は各モードがもつ最大光強度と最小光強度との比率の自然ログ）
17. 前記波長可変フィルタを調節する段階は、
    前記波長可変フィルタに周波数及び／または電圧が一定の領域間を連続して周期的に変わる電気信号を印加することを特徴とする請求項１５記載のモードロッキングされたレーザ光パルス生成方法。
18. 前記電気信号の反復される毎周期の前部に短い電気パルスをさらにのせて光パルスの発生を助けてパルスタイミングを前記電気パルスに同調させることを特徴とする請求項１７記載のモードロッキングされたレーザ光パルス生成方法。
19. 特定波長帯域で光を増幅し得る光利得媒質と、最小損失中心周波数領域を有する波長可変フィルタと、光の周波数を変換させる周波数変換器を光路に含む共振器と、前記光利得媒質の密度反転のための光ポンピング手段と、
    前記波長可変フィルタの最小損失中心周波数領域を時間に対して連続的に変化させるためのフィルタ変調信号発生手段と、
    前記周波数変換器の周波数変換の大きさが、前記共振器の一周時間に前記波長可変フィルタの中心周波数変換量の大きさとほぼ同様となるように調節して光パルスの発生を抑える手段とを備えて、光出力が連続発振形態をもってその中心周波数が時間に従って連続的に移動する特徴を有するようにするレーザ。
20. 前記周波数変換器が、一定周波数の交流電気信号で駆動され、その電気信号からの音波によって光の屈折現象とドップラー移動現象を与える音響光学周波数変換器であることを特徴とする請求項１９記載のレーザ。
21. 前記周波数変換器及び波長可変フィルタの役割を一つの音響光学波長可変フィルタが担当し、前記波長可変フィルタの中心周波数を移動させるために前記波長可変フィルタに印加される電気信号の周波数が時間に対して少量だけ変化し、周波数変換の方向はフィルタ中心周波数移動方向と同じく、共振器一周当たり周波数変換の大きさとフィルタ中心周波数の移動大きさとがほぼ同一であることを特徴とする請求項１９記載のレーザ。
22. 最小損失中心周波数領域を有する波長可変フィルタと、光の周波数を変換させる周波数変換器を光路に含む共振器を設ける段階と、前記周波数変換器によって前記光路を通る光の周波数を一定大きさｆ_FSだけ変化させる段階と、
    前記波長可変フィルタの中心周波数が前記共振器の一周時間にｆ_F1だけ連続的に変化するようにする段階と、
    前記共振器内のレーザ出力スペクトルが前記波長可変フィルタの中心周波数付近で発振するようにｆ_FSとｆ_F1とがほぼ同一の値をもつように前記波長可変フィルタを調節する段階とを備えることにより、光パルス発生が抑えられ連続発振成分が維持されるようにするレーザ光生成方法。

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