JP2000200931A - モ―ドロック多モ―ドファイバレ―ザパルス光源 - Google Patents

モ―ドロック多モ―ドファイバレ―ザパルス光源

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】超短光パルスを発生するために使用されたモー
ドロックレーザパルス光源でのピークパルスパワーを増
大させる。 【解決手段】レーザはモードロック多モードファイバレ
ーザからの高いピークパワーのパルスの安定な発生を許
す共振器デザインを利用し、通常のモードロック単一モ
ードファイバレーザのピークパワー限界を大きく拡大す
る。モードロッキングは共振器内への可飽和吸収体の挿
入によってと、多モードファイバ内で基本モードの発振
を確実にするために一つあるいはそれ以上のモードフィ
ルタを挿入することと、によって誘起される。吸収体の
損傷確率は共振器内への付加適な半導体光パワー制限器
の挿入によって最小化される。

Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】本発明は、多モードファイバ増幅
器での単一モード光パルスの増幅に関し、特に、超短光
パルスを発生するために使用されたモードロックレーザ
パルス光源でのピークパルスパワーを増大させるため
の、多モード増幅ファイバの使用に関する。
【従来の技術】光増幅器に関する従来技術単一モード希
土類元素添加光ファイバ増幅器は、光パルスの回折限界
光増幅を提供するために、１０年以上もの間広く使用さ
れてきた。何故なら、単一モードファイバ増幅器は、非
常に低いノイズレベルを発生し、モード分散を引き起こ
さず、かつ、電話通信応用にほとんど排他的に使われて
きた単一モードファイバ光伝送ラインに合致するからで
ある。単一モード光ファイバ増幅器中の回折限界光ビー
ムでの高ピークパワーパルスの増幅は、ファイバの単一
モード動作を確実にするために使用される必要のある小
さいファイバコアサイズで一般に制限される。一般に、
自己−位相変調のような非線形性の始まりは、伝搬長を
もつファイバ内に存在する積分パワーレベルがひとたび
ある限界値を越えると、厳しいパルス歪をもたらす。フ
ァイバ内で一定ピークパワーＰの場合、許容できる自己
−位相変調量Φnlは Φnl＝（２πｎ2ＰＬ／λＡ）≦５ で与えられ、ここで、Ａはファイバ中の基本モードの面
積、λは動作波長、Ｌはファイバ長、ｎ2＝３．２×１
０-20ｍ2／Ｗはシリカ光ファイバ中の非線形屈折率であ
る。単一モード増幅器の代わりとして、多モード光ファ
イバ中での増幅が考えられてきた。しかしながら、一般
に、多モード光ファイバ中での増幅実験は、非回折限界
出力も、モード分散による許容できないパルス拡張もも
たらしてしまった、何故なら、多モード光ファイバへの
送出条件と多モードファイバ中でのモード結合が制御さ
れなかったからである。多モードファイバ中での増幅さ
れた自然放出は、ファイバコアの中心近くの活性イオン
を選択的に励起するか、あるいはファイバコアの中心に
活性イオンを閉じ込めることによって減少された。Ｕ．
Ｓ．パテントＮｏ．５，１８７，７５９がここに参考文
献で組み入れられた。多モード光ファイバ中での低次モ
ードの重なりがファイバコアの中心に近い活性イオンで
最も高いので、任意の増幅された自然放出も、多モード
ファイバの低次モードで主として発生される。結果とし
て、増幅された自然放出が高次モードでは全然発生され
ないので、増幅された自然放出の総量は多モードファイ
バ中で減少される。高パワーパルスを得るための他の取
り得る方法として、チャープファイバブラッググレーテ
ィングをもつチャープパルス増幅器が使われてきた。こ
の技術の限界の一つは、セットアップの相対的な複雑さ
である。つい最近、１０ＫＷより高いピークパワーまで
のパルス増幅が多モードファイバ増幅器で達成された。
本発明の譲受人によって譲渡され、ここに参考文献で組
み入れられたSingle-Mode Amplifiers and Compressors
Based on Multi-Mode Fibersと題するＵ．Ｓ．パテン
トＮｏ．５，８１８，６３０を参照のこと。そこに記述
されているように、単一モード光ファイバ増幅器に内在
するピークパワーの制限は、多モードファイバ内で基本
モードで満たされた増加領域を用いることで避けられ
る。この増加領域は光ファイバ増幅器のエネルギ貯蔵能
の増大を許し、不必要な非線形性と利得飽和の始まる前
に、より高いパルスエネルギを可能にする。これを達成
するために、あの申請書は基本モードが優先的に増幅さ
れるように多モードファイバの中心に利得媒質を集中さ
せることの利点を記述している。この利得制限は、大き
な断面積をもつファイバ中の基本モードを利得ガイドで
安定させるために用いられる。さらにその文献は、高パ
ワー光パルスの線形パルス圧縮用のパワー限界値を増加
させるために、減少したモード結合をもつ多モードファ
イバ上へのチャープブラッググレーティングの書き込み
を記述している。そのシステムでは、二重クラッド多モ
ードファイバ増幅器が、相対的に大きな面積の高パワー
半導体レーザでポンプされる。さらに、多モードファイ
バ中の基本モードは、効率のよいモードフィルタを用い
ることで励起される。さらに、低いモード結合をもつ多
モードファイバを使用することで、多モード増幅器中で
の基本モードの数メータの長さ以上の伝搬が確実になさ
れ、数１０ミクロンのコア径をもつ添加された多モード
ファイバ増幅器中での高パワー光パルスの増幅を可能に
するが、まだ、回折限界出力を提供するだけである。そ
のシステムは、多モードファイバ増幅器を都合よく励起
するため、広い面積のダイオードアレイによるクラッド
ポンピングを用いた。 モードロックレーザに関する従来技術 能動モードロックレーザと受動モードロックレーザの両
方がレーザ技術ではよく知られている。たとえば、小型
モードロックレーザが単一モード希土類元素添加ファイ
バを使った超短パルス光源として作られた。一つの特に
有効なファイバパルス光源は、カータイプ受動モードロ
ッキングに基づいている。そのようなパルス光源は、ギ
ガヘルツの繰り返し周期をもつ希土類ファイバレーザの
バンド幅限界でパルスを供給するために、広く利用でき
る標準的なファイバ部品を使って組み立てられた。半導
体可飽和吸収体は最近、受動モードロック超短パルスレ
ーザの分野への応用を見つけた。これらのデバイスは、
小型で高価でなく、かつ広範囲のレーザ波長とパルス幅
に適合されるので、魅力的である。量子井戸とバルク半
導体可飽和吸収体もモードロックカラーセンターレーザ
に使用された。可飽和吸収体は強度依存損失をもつ。厚
さｄの可飽和吸収体を通しての強度Ｉの信号のシングル
パス損失は ｌ＝１−ｅｘｐ（−αｄ） と表され、ここでαは α（Ｉ）＝α0／（１＋Ｉ／ＩSAT） で与えられる強度依存吸収係数である。ここで、α0は
小信号吸収係数で、議論されている材料に依存する。Ｉ
SATは飽和強度で、これは可飽和吸収体内の吸収種の寿
命τAに逆比例する。可飽和吸収体の損失は強度依存で
あるので、レーザパルスのパルス幅は、パルスが可飽和
吸収体中を通過するにつれ短くなる。レーザパルスのパ
ルス幅がどの程度急速に短くなるかは、｜ｄｑ0／ｄＩ
｜に比例し、ここでｑ0は非線形損失： ｑ0＝ｌ（Ｉ）−ｌ（Ｉ＝０） であり、ｌ（Ｉ＝０）は一定（＝１−ｅｘｐ（α
0ｄ））で、挿入損失と知られている。ここに定義され
たように、可飽和吸収体の非線形損失ｑ0は、強度Ｉの
増加と共に減少する（より負になる）。｜ｄｑ0／ｄＩ
｜はＩがＩSATに達するまでは基本的に一定であり、漂
白体制、すなわちＩ》ＩSATのとき基本的にゼロにな
る。モードロッキング素子として満足に機能すべき可飽
和吸収体にとって、寿命（すなわち、吸収種の上位準位
の寿命）、挿入損失ｌ（Ｉ＝０）、およびレーザに適切
な非線形損失、をもつべきである。理想的には、挿入損
失はレーザの効率を高めるために低くあるべきであり、
他方寿命と非線形損失ｑ0は自己−開始と、安定なｃｗ
モードロッキングとを、許容すべきである。可飽和吸収
体の特性も、出力結合割合、残余の損失および利得媒質
の寿命のようなレーザ共振器パラメータも、全てが開始
からモードロッキングまでの展開の中で役割を演じる。
単一モードファイバ増幅器でのように、モードロック単
一モードレーザからのパルスのピークパワーは、ファイ
バの単一モード動作を確実にするために用いられた小さ
いファイバコアサイズで制限されてきた。さらに、モー
ドロック単一モードファイバレーザでは、往復非線形位
相遅れも一般的に基底部（ペデスタル）と呼ぶ非常に大
きな時間的に広がったバックグランドをもったパルスの
発生を抑えるために、おおよそπに制限される必要があ
る。５０ＭＨｚのパルス繰り返し周期に相当する１０μ
ｍのコア径と２ｍの往復共振器長をもち１．５５μｍで
動作する標準的なモードロック単一モードエルビウムフ
ァイバレーザの場合、最大発振ピークパワーは約１ＫＷ
である。モードロック単一モードファイバレーザの長期
間動作は、本発明の譲受人に譲渡され、ここに参考文献
で組み込まれたEnviromentally Stable Passively Mode
locked Fiber Laser Pulse Souceと題するＵ．Ｓ．パテ
ントＮｏ．５，６８９，５１９に記述されたような環境
的に安定な共振器を用いることで、都合よく確実にされ
る。この文献に記述されているレーザは、単一モードフ
ァイバの出力での偏光状態の誘起変動を環境的に最小化
している。記述されている実施例では、ファイバの偏光
固有モード間の線形位相ドリフトを補償するためにレー
ザ共振器の相対する終端部に一対のファラデ回転子を導
入することでこれが達成されている。最近、可飽和吸収
体で受動的にモードロックされた高パワー単一モードフ
ァイバレーザの信頼性が、共振器への適当な半導体２光
子吸収体の挿入による非線形パワー制限器の実装で大き
く改善され、この制限器はモードロッキングの動作中で
共振器の誤調整のあるとき、しばしば観察される損傷を
与えるＱスイッチパルスのピークパワーを最小化する。
本発明の譲受人に譲渡され、ここに参考文献で組み込ま
れたResonant Fabry-Perot Semiconductor Saturable A
bsorber and Two-Photon Absorption Power Limitersと
題する１９９８年９月８日に提出されたＵ．Ｓ．パテン
ト申請Ｎｏ．０９／１４９，３６９を参照のこと。モー
ドロック単一モードファイバレーザから得られるパルス
エネルギを増大させるため、レーザ共振器内でチャープ
パルス発振が用いられた。M. Hofer et al., Opt. Let
t., vol.17, page 807-809.結果として、パルスは時間
的に伸び、ファイバレーザ内で十分なピークパワー減少
を起こす。しかしながら、パルスはレーザ共振器外で大
略バンド幅限界以下まで時間的に圧縮される。結果とし
ての高ピークパワーによって、バルク光学分散遅延線が
パルス圧縮のために使用されなければならない。ネオジ
ウムファイバレーザの場合、１００ｆｓのオーダのパル
ス幅が得られる。モードロック単一モードファイバレー
ザからのパルスエネルギもチャープファイバグレーティ
ングを用いることで増大された。チャープファイバグレ
ーティングは共振器内のパルスを分散的に広げる沢山の
負分散をもっており、したがってピークパワーを低下さ
せ、単一モードファイバレーザ内の高エネルギパルスの
発振を導く。本発明の譲受人に譲渡され、ここに参考文
献で組み込まれたTechnique for the Generation of Op
tical Pulses in Mode-Locked Lasers by Dispersive C
ontrol of the Oscillation Pulse Widthと題するＵ．
Ｓ．パテントＮｏ．５，４５０，４２７および、Appara
tus for Producing Femtosecond and Picosecond Pulse
s from Fiber Lasers Cladding Pumped with Broad Are
a DiodeLaser Arraysと題するＵ．Ｓ．パテントＮｏ．
５，６２７，８４８を参照のこと。これらのシステムで
は、典型的な発振パルス幅は２〜３ｐｓのオーダである
が、発生したパルスはバンド幅−限界である。しかしな
がら、単一モードファイバレーザ共振器内で発振するパ
ルス幅の分散的な広がりは、’標準的’ソリトンファイ
バレーザに比べ発振パルスエネルギを増大させるけれど
も、発振ピークパワーを増大させない。そのシステムで
ファイバレーザから直接発生される最大ピークパワーは
まだ約１ＫＷに制限される。モードロックレーザのピー
クパワーを増加させる別の高度に集積化可能な方法は、
チャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3（チャープＰＰＬ
Ｎ）を使うことに基づいている。チャープＰＰＬＮは光
学的チャープパルスのパルス圧縮と周波数逓倍を同時に
許可する。本発明の譲受人に譲渡され、ここに参考文献
で組み込まれたUse of Aperiodic Quasi-Phase-Matched
Gratings in Ultrashort Pulse Soucesと題する１９９
７年４月２５日に提出されたＵ．Ｓ．パテント申請Ｎ
ｏ．０８／８４５，４１０を参照のこと。しかしなが
ら、約３ｐｓ〜３００ｆｓからのパルス圧縮と、高変換
効率での周波数逓倍を行うためのチャープＰＰＬＮの場
合、一般的に数ＫＷのオーダのピークパワーが必要とさ
れる。そのような高ピークパワーは、一般的にモードロ
ック単一モードエルビウムファイバレーザの範囲外であ
る。広い面積のダイオードレーザアレイがモードロック
単一モードファイバレーザのポンピングに使用されて、
非常にコンパクトな共振器デザインが可能であった。ポ
ンプ光は２重クラッドファイバの側方からＶ溝を通して
注入され、その技術は一般的に側方−ポンピングと呼ば
れた。しかしながら、そのような共振器デザインも、共
振器ファイバの単一モード構造によるピークパワー制限
に苦しんだ。ファイバ長を１５ｍｍ以下にし、光ファイ
バの基本モードのための最大フィードバック量を選択的
に与えると、回折限界近い出力ビームが多モードファイ
バレーザから得られるということも提案されてきた。こ
こに参考文献で組み込まれた"Efficient laser operati
on with nearly diffraction-limited output from adi
ode-pumped heavily Nd-doped multimode fiber", Opti
c Letters, vol.21,pp.266-268(1996)。この技術におい
ては、しかしながら、用いられた多モードファイバが一
般的に多数のモードを支えるので、厳密なモード結合が
問題であった。また、多モードファイバの端面とレーザ
ミラー間のエアギャップだけがモード選択に提案されて
きた。したがって、非常に貧弱なモード識別だけが得ら
れ、その結果貧弱なビーム質になる。特に大きな種信号
がある場合の光増幅器の動作が、疑似反射の存在に非常
に敏感でないとしても、モードロックレーザの安定性は
疑似反射の最小化に決定的に依存する。任意のそれた反
射は発振器内に副共振器を作り、その結果レーザ共振器
のｃｗ動作のための注入信号となり、モードロッキング
の開始を妨げる。固体ファブリ−ペロ共振器の場合、内
部共振器反射をレベル《１％（強度で）まで抑制するこ
とが、モードロッキングの開始を可能にするために必要
であると、一般的に信じられている。標準的なモードロ
ックレーザに重要である内部共振器反射は、多モードフ
ァイバでのモード結合に概念的に等価であると考えられ
る。多モードファイバでの任意のモード結合も、モード
結合量に比例するｃｗ注入信号で副共振器を作る。しか
しながら、任意の多モードファイバの不連続性で、モー
ド結合の抑制をレベル《１％まですることは、達成する
のが非常に困難である。光学収差により、よく修正され
た光学系でも、一般に約９５％の最大効率だけ多モード
ファイバで基本モードの励起を許す。したがって、今日
まで、多モードファイバのモードロッキングは不可能
で、どんなモードロック多モードファイバレーザの安定
な動作も、まだ実現されないと考えられてきた。
【発明の要旨】本発明はピークパワー制限に関する前述
の問題を克服し、かつ、モードロック多モードファイバ
レーザを提供する。このレーザはモードロック多モード
ファイバレーザからの高ピークパワーパルスの安定な発
生を許す共振器デザインを使用しており、これまでのモ
ードロック単一モードファイバレーザのピークパワー限
界を大きく広げる。モードロッキングは共振器内への可
飽和吸収体の挿入と多モードファイバでの基本モードの
発振を確実にするため一つあるいはそれ以上のモードフ
ィルタを挿入することで誘起される。吸収体の損傷確率
は付随的な半導体光パワー制限器を共振器内に挿入する
ことで最小化される。最短パルスもファイバ内での非線
形偏光展開の利点を利用することで発生される。広い面
積のダイオードレーザからのポンプ光はクラッディング
ポンプ技術を用いることで多モードファイバに供給され
る。この発明によって、モードロックファイバレーザ
は、たとえば繰り返し周期６６．７ＭＨｚ、平均パワー
３００ｍＷの３６０ｆｓｅｃ近バンド幅限界パルスを得
るために作られる。これらの模範的なパルスのピークパ
ワーは約６ＫＷと見積もられる。
【実施例】本発明の好適実施例の以下の記述は添付図に
関連し、図中の同じ素子は終始同一の引用数字をつけ
る。図１Ａは共振器内で超短、高パワー光パルスを発生
させるために多モード増幅ファイバ１本を用いる本発明
のモードロックレーザ共振器を図示している。ここに使
用されているとき、”超短”はパルス幅１００ｐｓ以下
を意味する。ファイバ１３は、示された例では、長さ
１．０ｍの非複屈折性Ｙｂ3+／Ｅｒ3+添加多モードファ
イバである。一般的に、ファイバはＶ値が２．４１を越
えるとき、すなわち、基本モードの他にモードが光ファ
イバ内を伝搬できるとき、多モードと考えられる。１．
５ｃｍ程度の小さな、あるいは、より小さい曲げ直径で
さえ、モードロッキングを抑制することなく使用される
が、ファイバは直径５ｃｍのドラムに巻き付けられてい
る。Ｅｒ3+添加により、この例でのファイバコアは１．
５３μｍの波長で約４０ｄＢ／ｍの吸収をもつ。Ｙｂ3+
相互添加は、クラッディング内部に９８０ｎｍの波長で
４．３ｄＢ／ｍの平均吸収を作る。ファイバ１３は０．
２０の開口数と１６μｍのコア径をもつ。ファイバ１３
のクラッディングの外径は２００μｍである。ファイバ
１３は、クラッディングにとって０．４０の開口数を形
成する低屈折率ポリマでコートされる。長さ１０ｃｍの
単一モードコーニング・リーフ・ファイバ１５は、モー
ドフィルタとしての最適動作を確実にするために、約１
４μｍのコア直径を作るため熱的にテーパ化され、この
区間は多モードファイバ１３の第一端部１７に溶融スプ
ライスされる。この模範的な実施例では、共振器１１は
第一ミラー１９と第二ミラー２１の間に形成されてい
る。パルスを再循環させるための他の共振器構成がよく
知られており、かつ使用されることは認められるべきで
あろう。この例では、ミラー１９、２１が共振器素子が
配列される光軸２３を定義する。共振器１１はファイバ
の偏光固有モード間の線形位相ドリフトを補償するため
に一対のファラデ回転子２５、２７をさらに含み、それ
によって共振器が環境的に安定になることを保証する。
ここに引用されたように、語句”環境的な安定”は、温
度ドリフトのような環境的な影響によるパルス発生の損
失に十分免疫性があり、圧力変化にほんの僅かしか感じ
ないパルス光源に関連する。環境的な安定性を保証する
ためのファラデ回転子の使用は、ここに参考文献で組み
込まれたＵ．Ｓ．パテント５，６８９，５１９に詳しく
説明されている。共振器１１の軸２３上の偏光ビームス
プリッタ２９は共振器１１の単一偏光動作を確実にし、
共振器から出力３０を提供する。１／２波長板３１と１
／４波長板３３は、共振器内に線形位相遅れを導入する
ために使用され、そのことはモードロッキング用の共振
器１１内での偏光展開の最適化を許すために偏光制御を
提供する。モードロッキングを誘起するために、共振器
１１はミラー１９に最も近い共振器の端部に可飽和吸収
体３５を含むことで、ファブリ−ペロ共振器のように作
られる。可飽和吸収体３５は好ましくは基板の一方の面
に０．７５μｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ層として成長させら
れる。ＩｎＧａＡｓＰ可飽和吸収体３９のバンドエッジ
は好ましくは１．５６μｍと選択され、キャリア寿命は
典型的に５ｐｓであり、飽和エネルギ密度は１００ＭＷ
／ｃｍ2である。この例では、可飽和吸収体３５を支持
する基板は、共振器１１の開放端に向いている反射防止
コートされた面３９をもつ高品質の反射防止コートされ
たＩｎＰ３７からなる。ＩｎＰ基板は１．５６μｍの信
号光の１光子吸収に透明であるが、２光子吸収が起こ
る。この２光子吸収体３９は可飽和吸収体３５を保護す
るための非線形パワー制限器として使用される。この模
範的な実施例中のミラー１９は、ＩｎＧａＡｓＰ可飽和
吸収体３５の２光子吸収体３９に対向する面に金−フィ
ルムを堆積させることで形成される。可飽和吸収体３
５、２光子吸収体３７、およびミラー１９の結合構造は
１．５６μｍで５０％の反射率を与える。金−フィルム
ミラー１９の可飽和吸収体３５に対向する面は結合され
た吸収体／ミラー組立部品をヒートシンクするためサフ
ァイア窓４１に取り付けられる。ファイバ１５からのレ
ーザビームはレンズ４３で平行にされ、ファラデ回転子
２５による回転の後、レンズ４５で２光子吸収体３７の
反射防止コートされた面３９の上に再集光される。可飽
和吸収体３５上のレーザビームのスポットサイズはレン
ズ４５の位置を変えることによって、あるいは異なる焦
点距離のレンズを用いることによって、調節される。共
振器１１内の他の集光レンズ４７と４９は、レーザ信号
を多モードファイバ１３に、よりよくイメージングする
のに助けとなる。９８０ｎｍ近くの波長と５Ｗの出力パ
ワーをもつレーザ光源のようなポンプ光光源５１からの
光が、外径３７５μｍのファイバ束５７を通して注入さ
れる。このポンプ光は単一モードファイバ１７に相対す
る多モードファイバ１３の端部５３に注入される。ポン
プ光は９８０／１５５０ｎｍにとっての２色ビームスプ
リッタのようなポンプ信号注入器５５によって、共振器
１１に結合される。レンズ４７と４８は、ファイバ束５
７からのポンプパワーを多モードファイバのクラッディ
ングに結合するために最適化される。この模範的な実施
例の出力３０でのビームのＭ2−値は、一般的に約１．
２である。Ｍ2−値の低下が主に多モードファイバ１３
と単一モードモードフィルタファイバ１５の間の不完全
なスプライスによると仮定すると、単一モードフィルタ
ファイバ１５が多モードファイバ１３の基本モードを約
９０％の効率で励起すると見積もられる。モードロッキ
ングは、可飽和吸収体３５上へのレーザビームの集光を
最適にすることと、ある程度の非線形偏光展開を許すた
めに共振器内波長板３１、３３の方位を最適化すること
で、得られる。しかしながら、非線形偏光展開なしでの
多モードファイバレーザシステムのモードロック動作
も、多モードファイバ１３中のモード混合量を最小にす
ることと、可飽和吸収体３５の最適化によって達成され
る。図１の模範的な実施例によって発生されるパルス
は、１．５３５μｍの波長で３００ｍＷの平均出力パワ
ーをもつ６６．７ＭＨｚの繰り返し周期を有しており、
４．５ｎＪのパルスエネルギを与える。パルスの典型的
な自己相関が図２に示されている。３６０ｆｓｅｃの典
型的なＦＷＨＭパルス（ｓｅｃｈ2パルス形状を仮定し
て）が発生される。対応するパルススペクトルが図３に
示されている。自己相関幅はパルススペクトル計算され
るように、バンド幅限界の係数１．５以内であり、これ
はパルスの相対的な高い質を示す。発振器の多モード構
造により、パルススペクトルは強く変調され、したがっ
て自己相関はパルス基底部にかなりの量のエネルギを表
示する。基底部のエネルギ量は約５０％と見積もられ、
これは次々に単一モードファイバで同じパルス繰り返し
周期で一般に得られるものより約６倍大きい６ＫＷのパ
ルスピークパワーを与える。多モードファイバ１３中の
第１パスでの自己位相変調とモードフィルタ１５中での
任意の自己位相変調の量を無視し、第２パスでの多モー
ドファイバ１３内のパルスパワーの線形増大を仮定し、
さらに、多モードファイバ１３内の有効な基本モード領
域を１３３μｍ2と仮定すると、多モード発振器内での
非線形位相遅れはΦnl＝１．４５πのように、上述した
第１式から計算され、それは受動モードロックレーザの
期待される典型的な最大非線形遅れに近い。発生した基
底部と同様、得られたパルススペクトルの変調はミラー
２１の調整に依存する。一般に、多モードファイバの基
本モードへの光ビームの最適化されたモード整合は、最
高のレーザ安定性および基底部とパルススペクトル変調
の量の減少をもたらす。この理由で、最適化されたパル
スの質は、単一モードフィルタファイバ１５と多モード
ファイバ１３のスプライスを改善することで得られる。
簡単な重ね合わせ積分から、コーニングＳＭＦ−２８フ
ァイバ１５の最適テーパ断面が多モードファイバ１３内
での９９％の効率での基本モードの励起をもたらすこと
が計算される。このように、高次モードのどんな信号も
最適化されたシステムでは約１％減少される。本発明の
別の実施例が図４に図示されている。同じ部品と引用数
字で示されているように、この図の大部分の共振器構成
は図１に示されているものと同じである。この実施例
は、多モードファイバ１３へのポンプ光注入に側方ポン
ピング機構を採用することで、高度に集積化された共振
器５９を提供する。一対のファイバ結合器６１、６３
は、技術的によく知られているように、ファイバ束６
５、６７のそれぞれの対からの光を多モードファイバ１
３のクラッディングに注入する。ファイバ束は図１に示
された束５７に類似しており、一対のポンプ光源６９と
７１からの光をそれぞれ運ぶ。あるいは、ファイバ束６
５、６７および結合器６１、６３は、技術的にもよく知
られた方法で、多モードファイバクラッディングへのＶ
溝光注入と変換される。可飽和吸収体７３は、高い損傷
閾値を与えさえすれば、図１に示された素子３５、３
７、３９、４１を含むか、あるいはどんな他のよく知ら
れたデザインでもよい。図５に示された本発明の別の実
施例では、レーザ共振器７５は陽性分散素子を含む。図
４でのように、図５中の類似引用数字は図１と関連して
詳細に記述された素子と同一であると見なす。本実施例
で、単一モード陽性分散ファイバ７７の一部分は第２ミ
ラー２１とレンズ４９の間に組み付けられる。類似の方
法で、陽性分散ファイバの一部分は多モードファイバ１
３の端部５３あるいはレンズ４３に面する単一モードフ
ィルタ１５の端部にスプライスされる。陽性分散ファイ
バは一般的に小さなコア領域をもっており、レーザから
得られるパルスエネルギを制限している。図５に示され
た実施例は陽性分散ファイバ７７に注入されたピークパ
ワーを減少させるのに役立ち、したがってパルスエネル
ギ出力を最大にする。これは偏光ビームスプリッタ２９
で光エネルギのほとんど９０〜９９％を取り出すことで
達成される。図５の実施例で、共振器内部の全分散はよ
り大きなバンド幅をもつ高パワーパルスを発生するため
に、零に調整される。あるいは、全共振器分散を陽性に
調整することで、十分増大したパルスエネルギをもつチ
ャープパルスがレーザで発生される。二つの単一モード
モードフィルタファイバ１５、７７の使用もレーザの調
整を単純化するのに有利である。一般的に、モードスペ
ックルを最小にするため、広いバンド幅の光信号が、モ
ードフィルタファイバを多モードファイバに調節するの
に、使われる必要がある。二つのモードフィルタファイ
バ１５、７７の使用は、両方のモードフィルタ１５、７
７の反復調整のために多モードファイバ内で直接発生さ
れた増幅自然放出信号の使用を許す。全体にわたって陽
性分散をもつ共振器７５で発生されたチャープパルス
は、技術的によく知られた方法で、和周波発生のための
チャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3７９を用いることで
周波数逓倍波長の近似的にバンド幅限界以下まで圧縮さ
れる。チャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3７９は、光ア
イソレータ８１を通して偏光ビームスプリッタ２９から
の共振器出力を受け取る。この場合、多モードファイバ
発振器の高パワー特性により、単一モードファイバ発振
器で経験されたものに比べ、より高い周波数逓倍変換効
率が発生する。あるいは、チャープパルスをバンド幅限
界以下まで圧縮するのに、バルク光学分散補償素子がチ
ャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3７９の代わりに使われ
る。一般的に、周波数逓倍、ラマン発生、４波混合、他
のような任意の非線形光混合技術が、多モード発振器フ
ァイバ１３の出力を異なる波長に周波数変換するための
チャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ3７９の代わりに使わ
れる。さらに、これら非線形光混合過程の変換効率は、
一般的に光強度あるいは光強度の２乗に比例する。した
がって、多モード発振器中に存在する小さな残りの基底
部は、中央の主パルスに比べ、大きく低下した効率で変
換され、より高い質のパルスが得られる。図６の別の実
施例に示すように、非常に高いエネルギの光パルスも、
負性分散をもつブラッググレーティング８３のようなチ
ャープファイバグレーティングを共振器８５に挿入する
ことで得られる。そのようなシステムは一般的にｐｓ長
さ、高エネルギ、近似的バンド幅限界のパルスを発生す
る。使用された多モードファイバにより、単一モードフ
ァイバ発振器に比べて非常に大きなピークパワーが発生
される。ここで、ファイバグレーティング８３は、非偏
光保持多モードファイバ１３の存在下でさえも環境的安
定を得るため、偏光ビームスプリッタ２９の後に挿入さ
れる。本発明の各実施例において、より高次モードで発
生される増幅自然放出で多モードファイバ増幅器１３の
飽和を最小にすることは有利である。これは希土類元素
添加をコア径の何分の一か以内の中心に閉じ込めること
で達成される。偏光保持多モード光ファイバは楕円ファ
イバコアを使うか、多モードファイバクラッディングに
応力生成領域を加えることで作られる。そのようなファ
イバ断面積の例が図７ａと図７ｂにそれぞれ示されてい
る。偏光保持多モードファイバは、ファラデ回転子なし
で環境的に安定な共振器の組立を許可する。そのような
デザインの一例が図８に示されており、この場合、共振
器８７の出力は技術的によく知られた方法、共振器８７
の一端部の部分反射ミラー８９を使って提供される。本
発明の各実施例で単一モードフィルタファイバ１５のモ
ードに対する多モードファイバ１３の基本モードの最適
結合を確実にするために、バルク光イメージングシステ
ム、多モードファイバ１３と単一モードファイバ１５間
のスプライス、あるいは多モードファイバ１３のテーパ
部分のいずれかが使用される。たとえば、図７ａと図７
ｂの一つに示された形、あるいは非偏光保持形のどちら
かの多モードファイバ１３が外径７０μｍにテーパ化さ
れる。これは５．６μｍの内部コア径を作り、テーパ端
で多モードファイバの単一モード動作を確実にする。断
熱的なテーパをさらに採用することで、多モードファイ
バの単一モードが１００％に近い効率で励起される。単
一モードファイバモードフィルタ１５をもつ多モードフ
ァイバ１３での基本モードの励起のための３つの論じた
方法のグラフ表示が、図９ａ、９ｂ、９ｃにそれぞれ示
されている。共振器デザインへの実施は別々に示されて
いないが、開示されたどの実施例にも示されている単一
モードファイバ１５と多モードファイバ１５のスプライ
スは、これらの図に示された３つの選択肢のどれとでも
作られる。図１０は本発明の別の実施例を示す。ここ
で、これまでの実施例に使われたような単一モードフィ
ルタファイバ１５の代わりに、多モードファイバ１３に
直接書き込まれたブラッググレーティングのようなファ
イバグレーティングが、多モードファイバ１３の基本モ
ードを優勢的に反射するために使われる。ポンプ５１か
らの光は、特に単純な共振器デザイン９９を容易にする
ため、ファイバグレーティング９７を通して注入され
る。非チャープグレーティングはもちろん、チャープグ
レーティング９７も実行される。狭バンド幅（チャープ
あるいは非チャープ）グレーティングは、グレーティン
グバンド幅より小さいバンド幅をもつパルスの発振を奨
励する。最後に、受動モードロッキングの代わりに、能
動モードロッキングあるいは能動−受動モードロッキン
グ技術が、多モードファイバをモードロックするために
使われる。たとえば、能動−受動モードロッキングシス
テムは、可飽和吸収体なしで、固定された繰り返し周期
の短い光パルスを発生するために、非線形偏光展開（受
動モードロッキング機構のような）と共に光周波数ある
いは振幅変調器（能動モードロッキング機構のような）
を含むことができる。光モードロッキング機構１０１を
もつモードロック多モードファイバ１３の図解が図１１
に示されている。モードロックレーザ１０５の性能を高
めるために使われる光フィルタ１０３も示されている。
一般的に、ここに記述された共振器デザインは本発明の
好適実施例の模範である。他の変更は以前の議論から明
かである。特に、光変調器、光フィルタ、可飽和吸収
体、偏光制御素子は、どちらの共振器端にも都合よく挿
入される。同様に、出力結合は光学ミラー、偏光ビーム
スプリッタで取り出され、あるいは単一モードファイバ
１５に取り付けられた光ファイバ結合器からも取り出さ
れる。ポンプパワーも議論されたどの共振器構成での多
モードファイバ１３から、あるいは多モードファイバ１
３の側方を通して、多モードファイバ１３に結合され
る。同様に、全ての議論した共振器は任意の量の分散で
動作される。チャープ、非チャープグレーティングは光
学フィルタとして作用するためと、共振器の分散特性を
修正するためにも、どの共振器端でも実行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、多モードファイバへポンプ光を注入するた
めに終端ポンピングを用いる本発明の好適実施例の構成
を示す図式的なイラストである。
【図２】は、図１の本発明で発生されたパルスの典型的
な自己相関を示すグラフである。
【図３】は、図１の本発明で発生された典型的なパルス
スペクトルを示すグラフである。
【図４】は、多モードファイバへのポンプ光を注入する
のに側方ポンピング機構を用いる交替の好適実施例の構
成を示す図式的イラストである。
【図５】は、共振器にチャープパルスを導入するために
陽性分散ファイバ１本を使用する代替実施例の図式的な
イラストである。
【図６】は、高エネルギのバンド幅限界近いパルスを発
生するために、レーザ共振器に負性分散をもつチャープ
ファイバグレーティングを用いる代替実施例の図式的イ
ラストである。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、ファラデ回転子なしで環境
的に安定な共振器を作るために用いられる偏光保持多モ
ードファイバの断面を図示している。
【図８】は、図７ａと７ｂに図示されたファイバの一つ
を用いる代替実施例の図式的なイラストである。
【図９】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の多モード
ファイバの基本モードが単一モードファイバのモードに
適合される方法を示している。これらは、図９ａに示す
ようなバルクの光学イメージングシステム、図９ｂに示
すような多モード対単一モードのスプライス、図９ｃに
示すような多モードファイバのテーパ状断面、を含む。
【図１０】は、ファイバグレーティングが多モードファ
イバの基本モードを優勢に反射するために使われている
代替実施例の図式的なイラストである。
【図１１】は、能動あるいは能動−受動モードロッキン
グが多モードレーザをモードロックするために使われて
いる代替実施例の図式的なイラストである。
【符号の説明】
１１・・共振器、１３・・ファイバ（多モードファイ
バ）、１５・・単一モードファイバ（単一モードモード
フィルタファイバ）、１７・・多モードファイバの第一
端部、１９・・第一ミラー、２１・・第二ミラー、２３
・・共振器軸、２５、２７・・ファラデ回転子、２９・
・偏光ビームスプリッタ、３０・・出力、３１・・１／
２波長板、３３・・１／４波長板、３５、７３・・可飽
和吸収体、３７・・２光子吸収体、３９・・反射防止コ
ート面、４１・・サファイア窓、４３、４５、４７、４
８、４９、・・レンズ、５１、６９、７１・・ポンプ光
光源、５３・・多モードファイバ端部、５５・・ポンプ
信号注入器、５７、６５、６７・・ファイバ束、６１、
６３・・ファイバ結合器、７７・・単一モード陽性分散
ファイバ、７９・・チャープ周期的ポールＬｉＮｂＯ
3、８１・・光アイソレータ、８３、９７・・チャープ
ファイバグレーティング（負性分散ブラッググレーティ
ング）、８９・・部分反射ミラー、１０３・・光フィル
タ

Claims (58)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光エネルギを共振器軸に沿って繰り返し通
    過させる共振器と、 利得媒質を添加され、該共振器軸に沿って配置された多
    モード光ファイバと、 該利得媒質を励起するためのポンプと、 該共振器軸に配置されたモードロッキング機構と、 該多モード光ファイバで増幅された光を該多モード光フ
    ァイバの基本モードに優先的に閉じ込める該共振器軸に
    配置された光ガイドと、 からなる超短光パルス発生用レーザ。
  2. 【請求項２】前記モードロッキング機構が受動モードロ
    ッキング素子からなる請求項１に規定された超短光パル
    ス発生用レーザ。
  3. 【請求項３】前記受動モードロッキング素子が可飽和吸
    収体からなる請求項２に規定された超短光パルス発生用
    レーザ。
  4. 【請求項４】前記可飽和吸収体がＩｎＧａＡｓＰからな
    る請求項３に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  5. 【請求項５】さらに前記可飽和吸収体を保護するための
    パワー制限器を含む請求項３に規定された超短光パルス
    発生用レーザ。
  6. 【請求項６】前記パワー制限器が２光子吸収体からなる
    請求項５に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  7. 【請求項７】前記光ガイドが前記共振器軸上の単一モー
    ドモードフィルタファイバからなる請求項１に規定され
    た超短光パルス発生用レーザ。
  8. 【請求項８】前記単一モードモードフィルタファイバが
    前記多モード光ファイバの一端部に溶融スプライスされ
    る請求項７に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  9. 【請求項９】前記多モードファイバが前記溶融スプライ
    スにおいてテーパ化される請求項８に規定された超短光
    パルス発生用レーザ。
  10. 【請求項１０】前記単一モードモードフィルタファイバ
    が前記溶融スプライスにおいてテーパ化される請求項８
    に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  11. 【請求項１１】前記単一モードモードフィルタファイバ
    と前記多モードファイバの両方が前記溶融スプライスに
    おいてテーパ化される請求項８に規定された超短光パル
    ス発生用レーザ。
  12. 【請求項１２】前記ポンプが前記共振器軸に沿う前記多
    モードファイバに結合される請求項１に規定された超短
    光パルス発生用レーザ。
  13. 【請求項１３】前記ポンプが前記多モードファイバの側
    方に結合される請求項１に規定された超短光パルス発生
    用レーザ。
  14. 【請求項１４】さらに前記ポンプを前記多モードファイ
    バに結合するための光結合器を含む請求項１３に規定さ
    れた超短光パルス発生用レーザ。
  15. 【請求項１５】さらに前記ポンプを前記多モードファイ
    バに結合するための該多モードファイバ上のＶ−溝を含
    む請求項１３に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  16. 【請求項１６】さらに前記レーザから前記超短光パルス
    を出力するための偏光ビームスプリッタを含む請求項１
    に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  17. 【請求項１７】前記共振器がその相対する端部において
    一対の反射体を含む請求項１に規定された超短光パルス
    発生用レーザ。
  18. 【請求項１８】前記一対の反射体の一つが部分反射し、
    前記共振器のための出力を提供する請求項１７に規定さ
    れた超短光パルス発生用レーザ。
  19. 【請求項１９】．前記モードロッキング機構が可飽和吸
    収体からなり、前記反射体が該可飽和吸収体の一つの面
    に形成される請求項１７に規定された超短光パルス発生
    用レーザ。
  20. 【請求項２０】前記モードロッキング機構がさらに前記
    可飽和吸収体を保護するためのパワー制限器を含み、該
    可飽和吸収体が前記反射体の一つに相対する該パワー制
    限器の一つの面に形成される請求項１９に規定された超
    短光パルス発生用レーザ。
  21. 【請求項２１】前記パワー制限器が２光子吸収体からな
    る請求項２０に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  22. 【請求項２２】さらに前記共振器軸上に線形位相ドリフ
    ト補償器を含む請求項１に規定された超短光パルス発生
    用レーザ。
  23. 【請求項２３】前記線形位相ドリフト補償器がファラデ
    回転子からなる請求項２２に規定された超短光パルス発
    生用レーザ。
  24. 【請求項２４】前記線形位相ドリフト補償器が一対のフ
    ァラデ回転子からなる請求項２３に規定された超短光パ
    ルス発生用レーザ。
  25. 【請求項２５】さらに前記共振器軸上に線形偏光変換器
    を含む請求項２２に規定された超短光パルス発生用レー
    ザ。
  26. 【請求項２６】前記線形偏光変換器が波長板からなる請
    求項２５に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  27. 【請求項２７】前記モードロッキング機構が能動モード
    ロッキング素子からなる請求項１に規定された超短光パ
    ルス発生用レーザ。
  28. 【請求項２８】前記能動モードロッキング素子が光振幅
    変調器からなる請求項２７に規定された超短光パルス発
    生用レーザ。
  29. 【請求項２９】前記能動モードロッキング素子が光周波
    数変調器からなる請求項２７に規定された超短光パルス
    発生用レーザ。
  30. 【請求項３０】前記多モード光ファイバの基本モードで
    優先して前記超短光パルスが５００ｐｓｅｃ以下のパル
    ス幅をもつ請求項１に規定された超短光パルス発生用レ
    ーザ。
  31. 【請求項３１】前記共振器が環境的安定を維持すること
    を確実にするため、さらに前記共振器軸上に環境安定器
    を含む請求項１に規定された超短光パルス発生用レー
    ザ。
  32. 【請求項３２】前記環境安定器がファラデ回転子からな
    る請求項３１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  33. 【請求項３３】前記環境安定器が一対のファラデ回転子
    からなる請求項３２に規定された超短光パルス発生用レ
    ーザ。
  34. 【請求項３４】前記光ガイドが利得誘導を与えるために
    増幅媒質を添加された光ファイバからなる請求項１に規
    定された超短光パルス発生用レーザ。
  35. 【請求項３５】前記増幅媒質が前記光ファイバのほんの
    少しのコア径内の中心に集中される請求項３４に規定さ
    れた超短光パルス発生用レーザ。
  36. 【請求項３６】前記光ガイドが前記共振器軸上に単一モ
    ード光ファイバを含む請求項１に規定された超短光パル
    ス発生用レーザ。
  37. 【請求項３７】前記光ガイドが前記共振器軸上にモード
    フィルタを含む請求項１に規定された超短光パルス発生
    用レーザ。
  38. 【請求項３８】前記モードフィルタが前記多モードファ
    イバの基本モードを励起する請求項３７に規定された超
    短光パルス発生用レーザ。
  39. 【請求項３９】前記モードフィルタが前記多モードファ
    イバの基本モードを少なくとも９０％の効率で励起する
    請求項３８に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  40. 【請求項４０】前記共振器がさらに陽性分散素子を含む
    請求項１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  41. 【請求項４１】前記陽性分散素子が前記共振器軸に沿っ
    て配置された単一モード陽性分散ファイバ１本からなる
    請求項４０に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  42. 【請求項４２】前記単一モード陽性分散ファイバでの光
    エネルギを前記共振器中のピークパワーの１０％以下に
    制限するための出力結合器をさらに含む請求項４１に規
    定された超短光パルス発生用レーザ。
  43. 【請求項４３】さらに前記共振器で発生されるパルスを
    圧縮するための周波数変換器を含む請求項４２に規定さ
    れた超短光パルス発生用レーザ。
  44. 【請求項４４】前記周波数変換器が周波数逓倍器からな
    る請求項４３に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  45. 【請求項４５】前記周波数逓倍器がチャープ周期的ポー
    ルＬｉＮｂＯ3からなる請求項４４に規定された超短光
    パルス発生用レーザ。
  46. 【請求項４６】前記多モードファイバがコアを含み、該
    多モード光ファイバ中の前記利得媒質が該多モードファ
    イバのコア内の中心に集中される請求項１に規定された
    超短光パルス発生用レーザ。
  47. 【請求項４７】前記多モード光ファイバが偏光保持であ
    る請求項１に規定された超短光パルス発生用レーザ。
  48. 【請求項４８】前記偏光保持多モードファイバが楕円コ
    アをもつ請求項４７に規定された超短光パルス発生用レ
    ーザ。
  49. 【請求項４９】前記偏光保持多モードファイバが歪−生
    成領域を含む請求項４７に規定された超短光パルス発生
    用レーザ。
  50. 【請求項５０】前記共振器はさらに前記多モードファイ
    バ上に書き込まれたファイバグレーティングを含み、該
    グレーティングは該多モードファイバの基本モードを第
    一に反射する請求項１に規定された超短光パルス発生用
    レーザ。
  51. 【請求項５１】利得媒質を添加した光ファイバを供給す
    るステップと、 前記超短パルスを発生するために該光ファイバを通して
    信号光を繰り返し通過させるステップと、 該パルスを約１ＫＷのピークパワーに増幅するために該
    利得媒質内に十分な貯蔵エネルギを供給するステップ
    と、 からなる超短パルス発生法。
  52. 【請求項５２】前記光ファイバを環境的に安定化させる
    ステップをさらに含む請求項５１に規定された超短パル
    ス発生法。
  53. 【請求項５３】さらに前記光ファイバをモードロッキン
    グするステップを含む請求項５１に規定された超短パル
    ス発生法。
  54. 【請求項５４】前記供給するステップが利得媒質を添加
    した多モードファイバを供給するステップからなる請求
    項５１に規定された超短パルス発生法。
  55. 【請求項５５】共振器内で光エネルギを循環させるステ
    ップと、 該共振器内の多モードファイバ中で該光エネルギを増幅
    するステップと、 該共振器内で該光エネルギを該多モードファイバの基本
    モードに制限するステップと、 からなる超短光パルス発生法。
  56. 【請求項５６】さらに前記光エネルギをモードロッキン
    グするステップを含む請求項５５に規定された超短光パ
    ルス発生法。
  57. 【請求項５７】前記制限するステップが前記光エネルギ
    をモードフィルタリングするステップを含む請求項５５
    に規定された超短光パルス発生法。
  58. 【請求項５８】光エネルギを増幅するための利得材料を
    添加した多モード光ファイバと、 該光ファイバをポンピングするための手段と、 該多モード光ファイバで増幅された光エネルギを該多モ
    ード光ファイバの基本モードに十分に制限するための手
    段と、 からなる高パワー超短光パルス発生用モードロックレー
    ザ。
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