JPH0287587A - モードロック光ファイバレーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分計〉 本発明は、安定な極短光パルス列を効率良く取り出すこ
とができろモードロック光フアイバレーザ装置に関する
。

〈従来の技術〉 近年、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｐｒ
（プラセオジミウム）、ｙｂ（イッテリビウム）等の希
土類元素を添加した光ファイバをレーザ活性物質とした
、単一モード光ファイバレーザ或いは光増幅器が、光セ
ンサや光通信の分計で多（の利用の可能性を有すること
が報告され、その応用が期待されている。

この希土類元素添加光ファイバを用いた光フアイバレー
ザとしては、Ｎｄを添加した石英系光ファイバをレーザ
活性物質として用い、半導体レーザ或いはＡｒレーザ励
起ＣＷ（連続波）色素レーザを励起光源として、波長１
．０８８７ｎでＣＷ発振、Ｑスイッチ発振、モードロッ
ク発振等を確認した例、また、Ｐｒ添加又はＥｒ添加し
た光ファイバをレーザ活性物質とし、Ａｒレーザを励起
光源として、各各波長１．０６．ｍ、１．５４／ＡのＣ
Ｗ発振を確認した例が、アール、ジェー、メアーズ等（
Ｊ、　Ｍｅａｒｅｓ他、ＯＦＣ’８Ｂ、　ＴＵＬ１５等
）によって報告されている。

第３図は、かかる希土類添加光ファイバを用いた光フア
イバレーザを発振するための概略装置を示す。すなわち
、レーザ活性物質である所定の希土類を添加した光ファ
イバ１の両端には一対の反射膜２ａ、２ｂを配置してレ
ーザ発振を行なわしめる共振器系があり、そして、この
共振器系に励起光を注入するための励起光源３が備丸ら
れる。ここでは、励起光は光フアイバｌ内の希土類を励
起することによりレーザ発振が行なわれる。なお、４ａ
。

４ｂ、４ｃは光学系を構成するための集光レンズ、５は
空間的に配置されたＡ、Ｏ光変調器、６ａ、６ｂはλ／
４波長板、７は光パルス検出器である。

ところが、この第３図に示す光フアイバレーザ装置は、
反射膜２ａ、２ｂと光ファイバ１との接触部、レンズ４
ｂ、λ／４波長板６ａ。

６ｂ、および光変調器５において相当の光損失が生じて
おり効率的にレーザ出力を取出せないという問題がある
。したがって、励起光源３を色素レーザやＡｒイオンレ
ーザなど大型の光源としなければならず、小型化は不可
能となっていた。また、共振器系内に挿入された光部品
点数が多いことから、各部品間にて複雑な反射を生じて
しまい位相がそろわない不要モードが生じて安定したモ
ードロック動作（位相をそろうこと）が行な丸ないとい
う問題がある。

これらの問題のうち反射膜２ａ、２ｂと光ファイバ１と
の接触部での損失については、本願出願人による特願昭
６２−１４９７４号にて開示されろ第４図に示す如き高
効率光フアイバレーザ装置にて大幅に低減されている。

即ち第４図において、１はコア部に希土類が添加された
単一モード光ファイバコード、２ａ。

２ｂは光フアイバコード５の端面に直接形成された誘電
体反射膜、９ａ、９ｂは光コネクタ、４ａは集光用ロッ
ドレンズ、８はこのロッドレンズ４ａと光コネクタ９ａ
と励起光源である半導体レーザ３を結合させるためのホ
ルダである。

この第４図では光学的共振器ミラーを構成する反射膜２
ａ、２ｂを光ファイバ１の端面上に直接形成することに
より、共振器の損失を大幅に低減して発振効率の飛躍的
な向上を実現している。

更に、光損失が生ずる共振器系内の光学部品点数の低減
については、本願出願人による特願昭６２−１２３７６
６号にて開示される第５図に示すような断面を有して複
屈折性を付与した希土類添加単一モード光ファイバをレ
ーザ発振媒体としてレンズ４ｂやλ／４波長板６ａ、６
ｂを削減し、損失を少なくしている。すなわち、第５図
に示すコア部１０、クランド部１１、及び応力付与部１
２ａ、１２ｂからなる断面構造（パンダ型）の希土類添
加光ファイバを用いることにより光ファイバに偏光子特
性を付与もて単一側波動作の光フアイバレーザを実現し
、共振器系内への上記光学部品の挿入を不要とした構成
となっている。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところが、上述のように第４図、第５図に示す如く反射
膜と光ファイバとの接続部での損失、レンズやλ／４波
長板での損失は低減できても、なお光ファイバと変調器
との光学的接続部の反射を完全には除去できない構造と
なっており、モードロック動作時の不要モードの発生を
除去できない。

このことを第６図にて説明するに、励起用Ｇ　ａ　Ａ　
Ｉ　Ａ　ｓ半導体レーザ３、集光用ロッドレンズ４ａ１
反射膜（誘電体表Ｈ膜ξラー）２ａ１ＦＣ光コネクタ９
ａ、光ファイバ（偏光子動作のパンダ形のＮｄ添加単一
モードファイバ）ｌａ、導波路を形成するＬ　ｉ　Ｎ　
ｂ　Ｏ３光変調器５、光ファイバｌｂ、ＦＣ光コネクタ
９ｂ、反射膜２ｂ、光パルス検出器７、サンプリングオ
シロスコープ１３、光変調器駆動用電源１４からなり、
１５ａ、１５ｂは光変調器５と光ファイバｌａ、ｌｂと
の接続部となっているモードロック光フアイバレーザ装
置において、モードロック動作を行なうには、まず半導
体レーザ３を点灯し、希土類添加光ファイバｌａ。

１ｂを励起しファイバレーザをＣＷ発振の状態とする。

ついで、駆動電源１４により光変調８１！５を動作させ
モードロック動作状態と、し、光検出器７及びサンプリ
ングオシロスコープ１３により、モードロック光パルス
列を観測する。この場合、駆動電源１４の駆動周波数ｆ
は次式ｆｔｌで与えられろ。

上式中、Ｃは光速、Ｌｌは光ファイバ１ａの長さ、Ｌ２
は光ファイバ１ｂの長さ、ｎｌは光ファイバｌａ、ｌｂ
の群居折率、Ｌ３は光変調器の導波路長、ｎは光変調器
の導波路の群居折率である。なお、駆動電源５のモード
ロック駆動周波数はｆの１／Ｋ（Ｋは正の整数）であっ
てもよく、例えばｆ□＝　５０　ＭＨｚの場合２５ＭＨ
ｚでもモードロック動作は可能である。

さて、第６図の光フアイバレーザ共振器において、本質
的に除去不可能な光の反射点として、光ファイバｌａ、
ｌｂとＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３光変調器５との接続点１５
　ａ、　　１５　ｂがあるため、第６図の光フアイバ共
振器は以下の区間で複数の副共振器を有することとなる
。すなわち、以下の４種類である。

主共振器■；２ａ−２ｂ区間 副共振器■；２ａ−１５ａ区間 副共振器■；２ａ−１５ｂ区間 副共振器■；１５ａ−２ｂ区間 副共振器■；１５ｂ−２ｂ区間 かかる状態で上記（１）式にて与丸られるモードロック
周波数により光変調器５を駆動した場合、副共振器■〜
■にて生じる位相が不ぞろいの不要モードのため、モー
ドロックの動作は不安定となり、出力パルス幅を充分狭
くすることか極めて困難となる。これは発生した不要モ
ード間において、モードの競合が生じろためであり、モ
ードロックの条件となる位相のそろった光を安定に発生
させることが困難となるからである。

本発明は、上述の課題に鑑み、光フアイバレーザ共振器
内のファイバと光変調器との結合部にて生ずる原理的に
不可避な反射に対し、その反射を利用して安定なモード
ロック光フアイバレーザを実現すると共にモードロック
周波数の選択の幅を飛躍的に拡大した光フアイバレーザ
装置を提供する。

く課題を解決するための手段〉 上述の目的を達成する本発明は、希土類元素を添加した
偏波保持型単一モードの光ファイバと反射膜からなるレ
ーザ共振を発生させる共振ミラーとを備えた共振器系と
、この共振器系に内蔵され少なくとも片端に上記光ファ
イバが接続された光変調器と、上記共振器系に光を入射
して上記光ファイバに添加した希土類元素を励起する励
起光源とを備え、励起光源側の光ファイバ長をし　その
群居折率１（ｍｌ をｎ１１　レーザ出力側の光ファイバ長をＬ２＋ｍｌそ
の群居折率をｎ２、上記光変調器の光導波路長をＬ３□
その群居折率をｎ３とするとき、式　　　Ｌ、ｎ、＝（
Ｌ２ｎ２＋Ｌ３ｎ３）Ｍ−（Ｌ、≠ＯＬ、≠０）または
Ｌ２　ｎ２＝（Ｌ、ｎ、＋Ｌ、ｎ３）Ｍ＝（Ｌ２≠ＯＬ
、≠０）を２岡なしかつＭは正の整数であることを特徴
とする。

く作 用〉 本発明では、種々の実験結果を基に光フアイバレーザ共
振器内の反射点で生じろ不要モード（副共振器により発
生するモード）の挙動を制御できろようにレーザ共振器
を構成したもので、各副共振器の固有モードロック周波
数が、相互に整数倍の関係となる様に、各副共振器間の
光路長を設定し、各モードの発振の結合を強くし、副共
振器の各モードの周波数差のビートが互いに同期する様
にしたものである。

く実　施　例〉 ここで、第１図、第２図を参照して本発明の詳細な説明
する。なお、第３図〜第６図と同一部分には同符号を付
す。

（実施例１） 第１図は本発明の第１実施例を示すモードロック光フア
イバレーザの基本構成図である。

第１図において、３　は例えば出力８０ｍｗ１波長０．
８２−のＧａＡｌＡｓ半導体レーザである励起光［，４
ａはロッドレンズ、２ａ、２ｂは反射膜である誘電体多
層膜ミラー　９ａ。

９ｂはＦＣ光コネクタ、ｌａ、ｌｂはＮｄを例えば約５
０　ｐｐｍ含有するパンダ形複屈折性単一モード光ファ
イバ（Ｌ、長さ４０ｍ１Ｌ２長さ２ｍ１、５は導波路形
ＬｉＮｂ０．光位相変調益（導波路長Ｌ３２．５ｃｍ）
　　７は高速Ｇｅ光検出器（Ｇｏ−ＡＰＤ）　　　１３
はサンプリングオシロスコープ、１４は光変調器駆動用
電源である。

ここにおいて、反射膜２ａ、２ｂの特性は次のとおりで
ある。

（反射膜２ａの特性） 波長０．８２％で光透過率９９．６％ 波長１．０９−で光透過率９９．６％ （反射膜２ｂの特性） 波長０．８２７ｊ１１で光透過率８０％波長１．０９１
Ａで光透過率９９．５％かかる光フアイバレーザの動作
に当っては、まず、半導体レーザ３を点灯し、ロッドレ
ンズ４ａにより光ファイバ１ａに光を入射させる。この
とき、光ファイバ１ａに結合したレーザ光は約２０　ｍ
ｗであった。この入射状態テ光ファイバレーザはＣＷ発
振状態となる。

ついで、Ｓ源１４を駆動し、出力数Ｖ（ピーク値）のサ
イン波を光変調器５に印加する。

このときの駆動周波数ｆは、次式（２）で示される共振
器の区間１５　ａ　−２ｂのモードロック周波数ｆ近傍
の値とする。

＝　５０．８吐　　　　　　　　　　　・　（２）ここ
に、Ｃ＝　２．９８８　Ｘ　１０８ｍ／ｓ　、　Ｌ、　
＝　２ｍ、ｎ、（光ファイバ１ａの群居折率）＝ｎ２（
光ファイバ１ｂの群居折率）　＝　１．４４６、！３−
０．０２５　ｍ、、　ｎ、　（光変調器導波路の群居折
率）−２，２０である。

この状態で、Ｇｅ−ＡＰＤ７とサンプリングオシロスコ
ープ１３とにより光パルス列の観測を行ない、光変調器
５の駆動周波数ｆ□を微調したところ、ｆ　　＝５０．
８４３２４吐で極めて安定なモードロック光パルス列の
発生が観測された。そして、このときの光パルス幅は０
、８　ｎ５ｅｃ、光パルスのタイムジッタは、３０ｐ　
Ｓｅｅ以下であった。

ちなみに、モードロック駆動周波数を主共振器２　ａ　
−２ｂを基準に設定する従来技術にて光変調器５を駆動
したところ、駆動周波数ｆは次式（３）にて与えられろ
ことになる。

＝２．４２ＭＨｚ　　　　　　　　　　　　　　　　・
（３）しかし、第１図に示す光フアイバレーザ装置では
、ｆ＝２．４２Ｍ１セ近傍では安定なモードロック動作
は得られなかった。副共振器による不要モードに基づ（
ためであると考えられろ。

こうして、本実施例のモードロック光フアイバレーザで
は、モードロックのｍ　動形［カ従来のものと本質的に
異なることとなる。

本発明では安定したモードロック動作を得るため種々の
実験を行なった結果、安定した光パルス列になる程Ｍ値
が整数に近い値となるのでそのようにＬ３．Ｌ２を設定
したことを基本とする。

ここで、ｎ、　＝　ｎ２、Ｌ３ｎ３＜＜　Ｌ、　ｎ、な
る関係に満たされている。すなわち、副共振Ｆ＃１５　
ａ２ｂと２　ａ　−１５ａとの間にはその共振周波数に
整数倍の関係がある。したがって、副共振器１５　ａ　
−２ｂにてレーザ光はくり返し位相変調を受け、互いに
πの位相差を持つモードの光のみが残ることとなる。こ
の基本共振波は上記（４）式の関係から副共振器２　ａ
　−１５ａにおいても高調波の共振波として安定に存在
し得るので、副共振器１５　ａ　−２ｂの固有の共振周
波数での光変調器１５の駆動によって安定なモードロッ
ク動作が得られる。

上記（４）式の関係は厳密に整数倍になる程安定したモ
ードロック動作が得られるが、この整数倍に数％のずれ
があっても副共振器間の基本共振周波数の引き込み効果
により、モードフック動作に支障はきたさない。例丸ば
本実施例では、このずれは計算上約１．９％であったが
、安定したモードロック動作が確認された。

（実施例２） 第２実施例は、第１図と基本的に同一の構成で実施した
。ただしファイバ長と導波路長は、それぞれ、Ｌ２＝　
０．２５　ｍ、　Ｌ、＝　０．０２５ｍとした。また、
ファイバ長しは、Ｍ値としてＭ＝４を選択し とじた。

また、ファイバｌａ、ｌｂのＮｄ添加量は、約１５００
　ｐｐｍとした。

モードロック動作の実験は、第１実施例とほぼ同様に、
先ずモードロック周波数（副共振器１５　ａ　−２ｂ間
）ｆ ＝３５９．９■セ 近傍の周波数で位相変調器５を駆動した。この状態で光
パルス波形１ｅ　Ｇ　ｅ　−Ａ　Ｐ　Ｄ　７により観測
しながら、光変調器５の駆動周波数ｆを微調したところ
、ｆ　　＝　３６０．０１２７３　ＭＨｚで極めて安定
な、極短光パルス列（パルス幅０．８８ｎｓｅｃ）を得
た。

一方、主共振器（区間２　ａ　−２ｂ　）に対応したモ
ードロック周波数ｆ＝７２．１ＭＨｚ近傍で光変調器を
駆動したところ、パルス幅は最良値で３．５　ｎ５ｅｅ
であり、上記の様に十分にパルス幅を狭くすることはで
きなかった。

（実施例３） 第３実施例も、第１図と基本的に同一の構成で実施した
。

ただし、本実施例のモードロック光フアイバレーザの各
部のパラメータばり、−１ｍ　、　Ｌ２＝　１０．３　
ｍＸＬ、＝　０．０２　ｍ、　Ｎ　＝　１０とした。

また、光変調器５は、方向性結合型ＬｉＮｂＰの光強度
変調器を用いた。

本実施例では、Ｌｌ＜Ｌ２であるから、第１図の副共振
器２ａ−１５ｂに対応したモードロック周波数ｆ ＝１００．６■社 近傍で光変調器を駆動した。駆動電圧は、１５．５■で
あった。その結果ｆ　＝　１００．５９６３７　ＭＨｚ
で、半値幅０．７８ｎｓｅｅの極めて安定な光パルス列
を得た。

なお、主共振！（区間２　ａ　−２ｂ　）に対応したモ
ードロック周波数ｆｆｆｉｉ；ｍ７２．１ＭＨｚ近傍で
は、安定なモードロック動作は得られなかった。

本実施例では光が変調されて隣のパスに移る光結合器を
光変調器５としており、第１第２実施例の如（位相変調
でなく振幅変調している。

（実施例４） 第２図は第４実施例の構成図であり、第１図と同一部分
の説明は省略する。本実施例では光変調器５の片側にの
み光ファイバ１ａを備えたもので、共振器を形成する反
射膜２ｂは光変調器５の出力側端面に形成しである。

すなわち、誘電体多層膜ミラーを変調器５の片端面に直
接蒸着形成している。このミラーの反射率は波長１．０
９μＵで９８％以上、波長０．８２Ｉａで３０％であっ
た。本実施例ではＬ＝　９．７４　ｍ、　Ｌ２＝　Ｏｍ
、　Ｌ３＝　０．０４　ｍとし、またＭ＝１６０とした
。第２図では、区間１５　ａ　−２ｂを副共振器とみな
す。

＝１．７０Ｇル近房で光位相変調器５を駆動した、その
結果、ｆ　＝＝　１．７００１２５３１　Ｇｌセで極め
て安定な光パルス列を得ろことができた。得られた光パ
ルス列の半値幅は０．６４ｎｓｅｃであった。

一方、本ファイバレーザの主共振器２　ａ−２ｂのモー
ドロック周波数がｆ　＝Ｃ／２　（Ｌ　ｎ＋Ｌ３ｎ、）
　−２１，１ＭＨｚ近傍の駆動においては、パルス幅は
１．５　ｎ５ｅｃと広く、またパルス列の安定性も上記
実施例に比べ良くないことがＴａ　Ｒｙ＆された。

（実施例５） 本実施例は、第２図にわいて光ファイバ１ａと光変調器
５との配置が全く逆で、光変調器５を励起光入射端側に
配置したものである。

本実施例では、Ｌ、　＝　Ｏｍ５Ｌ２＝　９．７４　ｍ
、　Ｌ３＝０．０４ｍとした。この実施例では、Ｌ＝Ｏ
ｍとしているため光変調器５の励起光源側端面に３主体
蒸着ミラーを形成した。このミラーの波長１．０９／Ａ
での反射率は９８％以上、波長０８２−での透過率は９
８％以上であった。

その結果、第４実施例とほぼ同様の測定結果が得られた
。ただし、本実施例では、励起光入射端側に光変調器が
配置されているため、第４実施例に比べ、半導体レーザ
３による励起効率は約４％低下した。

上述の第１〜第５実施例では、Ｎｄ添加光フアイバレー
ザについて述べているが、他の希土類添加光ファイバに
も応用できる。

〈発明の効果〉 以上説明した様に、本発明のモードロック光フアイバレ
ーザ装置によれば、光ファイバレーザ共振筒内に挿入さ
れた光変調器と光ファイバとの間に生じる光学的反射点
をレーザ共振器内に形成された副共振器の反射ミラーの
１つとして取り扱うと共に、この副共振器の光路長と他
の副共振器の光路長の関係が互いに整数倍の関係となる
様に設計されているため、光変調器を含む副共振器の基
本発振モードは、他の副共振器の高調波モードとして安
定に存在し得るため、上記光変調器と光ファイバの結合
部の反射点が、不要モードの発生点として作用せず、安
定なモードロック光ファイバが得られるばかりでなり、
極短光パルス列を高効率に得られるという浸れた利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１〜第３実施例説明の構成図、第２
図は第４．第５実施例説明の構成図、第３図は従来の光
フアイバレーザ装置の構成概略図、第４図は従来の改良
形の光フアイバレーザ装置の概略構成図、第５図は従来
の光ファイバの改良形の概略構成図、第６図はモードロ
ック光フアイバレーザの動作を説明するための構成図で
ある。 ｌａ、ｌｂば希土類添加光ファイバ、 ２ａ、２ｂは誘電体反射膜、 ３は励起光源、 ５は光変調器、 ７は光検出器、 ９ａ、９ｂは光コネクタ、 １３ｉ、ｆサンプリングオシロスコープ＼１４は駆動電
源、 １５　ａ、　　１５　ｂはファイバと光変調器との結合
部である。 特　　許　　出　　願　人 日本電信電話株式会社 代　　　　　理　　　　　人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 希土類元素を添加した偏波保持型単一モードの光ファイ
   バと反射膜からなるレーザ共振を発生させる共振ミラー
   とを備えた共振器系と、この共振器系に内蔵され少なく
   とも片端に上記光ファイバが接続された光変調器と、 上記共振器系に光を入射して上記光ファイバに添加した
   希土類元素を励起する励起光源とを備え、励起光源側の
   光ファイバ長をＬ＿１＿（＿ｍ＿）その群屈折率をｎ＿
   １、レーザ出力側の光ファイバ長をＬ＿２＿（＿ｍ＿）
   その群屈折率をｎ＿２、上記光変調器の光導波路長をＬ
   ＿３＿（＿ｍ＿）その群屈折率をｎ＿３とするとき、式
   Ｌ＿１ｎ＿１＝（Ｌ＿２ｎ＿２＋Ｌ＿３ｎ＿３）Ｍ・・
   ・（Ｌ＿１≠０Ｌ＿３≠０）またはＬ＿２ｎ＿２＝（Ｌ
   ＿１ｎ＿１＋Ｌ＿３ｎ＿３）Ｍ・・・（Ｌ＿２≠０Ｌ＿
   ３≠０）を満たしかつＭは正の整数であることを特徴と
   するモードロック光ファイバレーザ装置。