JP2001102685A - 波長安定化レーザ光源 - Google Patents

波長安定化レーザ光源

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JP2001102685A
JP2001102685A JP2000264655A JP2000264655A JP2001102685A JP 2001102685 A JP2001102685 A JP 2001102685A JP 2000264655 A JP2000264655 A JP 2000264655A JP 2000264655 A JP2000264655 A JP 2000264655A JP 2001102685 A JP2001102685 A JP 2001102685A
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light
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optical fiber
lasing
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Gregory Scott Moore
スコツト モーアー グレゴリー
David Michal Rozelle
マイケル ロゼツレ デイビツド
Ronald James Michal
ジエイムズ マイケル ロナルド
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Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
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Litton Systems Inc
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い帯域を持つ光源を製造するため、レ
ーザダイオード光はエルビウム添加されたファイバを励
起可能にする。 【解決手段】 波長安定化光源には実質的に偏光光線を
発生するレーザダイオードのようなレイジング素子が含
まれ、この光線は偏光面保存の光ファイバを介しブラッ
グ格子へ案内され、光線の一部を逆にレーザダイオード
へ反射することによりバーチャルレーザキャビティを形
成せしめ、レーザキャビティにより、レーザダイオード
光出力の波長が時間にわたり広い範囲の温度及び駆動電
流条件にわたり安定化される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は波長安定化レーザ光
源に関する。
【０００２】
【従来の技術】多くのセンサ及び通信装置には、長時
間、温度の広い範囲にわたり且つ広い駆動電流にわたっ
て安定した波長のレーザ光源が必要である。例えば光フ
ァイバセンサは広い帯域の光ファイバ光源を用い、この
光源は光ファイバ光源を励起し増幅誘導発光（ＡＳＥ）
を発生するレーザダイオードが必要になる。光ファイバ
ジャイロスコープのようなセンサには、倍率を安定にす
るためにＡＳＥの中心（あるいは平均）波長が安定して
いる必要がある。励起レーザダイオードに対する駆動電
流及び温度の条件が変化すると、レーザダイオードの出
力光のピーク波長も変化する。これによりレイジング光
ファイバのＡＳＥの中心波長も変化される。レーザダイ
オードの駆動条件の関数としてＡＳＥの中心波長の変化
の大部分をモデル化することが可能であるが、変化のす
べてを正確にモデル化できるわけではない。精度の高い
光ファイバセンサを得るため、モデル化される波長の変
化量を減少することが好ましい。励起レーザダイオード
のピーク波長もエージングと共に変化する。また異る励
起レーザダイオードでは時間経過により異なり応じた程
度に影響される。エージングはモデル化により補正する
ことは極めて困難であり、従って時間経過に対しその精
度を維持する精度の高い光ファイバセンサを製造するこ
とが困難であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明は実質的に偏光
された光を発生するレイジング素子と、レイジング素子
に結合されレイジング素子により発生される光を通す偏
波面保持光ファイバセグメントと、偏波面保持光ファイ
バセグメントに結合される波長選択反射器とを備える波
長選択波長安定化レーザ光源である。この波長選択反射
器はレイジング素子により発生される光の一部を再びレ
イジング素子へ反射する。波長選択反射器と結合される
別の光ファイバセグメントはレイジング素子から離れる
光の別の部分を通過させる。レイジング素子は好ましく
はレーザダイオードであり、波長選択反射器は好ましく
は一の光ファイバセグメントから受容される光の５〜４
０％を反射するブラッグ格子である。この組み合わせの
結果、温度の広い範囲及び広い駆動電流にわたり安定し
た波長のレーザ光を発生する光源が得られる。この光源
はまたレイジング素子がエージングしても経時に安定し
ている。波長安定化レーザ光源は広い帯域の安定化光源
を製造するために発光する光ファイバを用いて拡大可能
である。本発明は通信信号を供給するため光ファイバセ
ンサ、増幅器若しくは他の目的に使用可能な部品であ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明による波長安定化
レーザ光源は実質的に偏光光線を発生するレイジング素
子１０と、レイジング素子１０と結合されレイジング素
子１０により発生される光をレイジング素子１０から離
れて案内する偏光面保持の第１の光ファイバ１４と、偏
光面保持の第１の光ファイバ１４と結合されレイジング
素子１０により発生される光の一部を逆にレイジング素
子１０へ反射する波長選択反射器１６と、波長選択反射
器１６と結合されレイジング素子１０により発生される
光の別の部分をレイジング素子１０から離れて案内する
他の導波管セグメント１８とを備えることを特徴とする
波長安定化レーザ光源とを備えることを特徴とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】本発明の特徴及び利点は添付図面
に沿っての以下の詳細な説明からより理解されよう。図
１には上述した本発明による一実施形態としての波長安
定化光源が示されている。この光源は励起光をエルビウ
ム添加された光ファイバへ供給するため、あるいは安定
化波長のレーザ光が望まれる多くの他の用途に使用可能
である。光源は例えばレーザダイオードのようなレイジ
ング素子１０を有している。このレーザダイオードは好
ましくは光ファイバピグテール１３を有し、容易に入手
可能なファブリー・ペロー半導体レーザダイオードであ
る。一方本発明は他のレイジング素子を用いても製造可
能である。レーザダイオードは通常安定した電力を供給
するように構成された周知のレーザ駆動回路により駆動
される。当業者には周知のようにレーザ駆動回路はま
た、出力電力あるいは温度を測定しその駆動電流、延い
ては供給された電力を変更するフィードバック制御電子
回路（図示せず）と接続される。一方このような好適な
構成を具備させても、レーザ駆動回路からの駆動電流は
通常広い温度範囲にわたり大きく変動する。
【０００６】レーザダイオードは通常１０ｄＢ偏光より
高い偏光出力を発生する。ピグテール１３が波長選択反
射器１６と接続される偏光面保持（ＰＭ）光ファイバ１
４のセグメントと接続される。広く入手可能なレーザダ
イオードは非偏光保存（低い複屈折）ピグテール１３で
供給されるが、これに代えて偏光保持（ＰＭ即ち偏光面
保持あるいは高い複屈折とも呼ばれる）光ファイバピグ
テールが使用されることも好ましい。非偏光保持ピグテ
ールが使用されるとき、反射素子が出来るだけレーザダ
イオードに近接されることが好ましい。これによりレー
ザダイオードの出力の偏光損が減少され、光源の波長安
定性が増加される。この大きな利点はレイジング素子へ
逆に反射される光がレイジング素子から発光される光と
同じ偏光及び配向を有すると考えられよう。偏光損ある
いは偏光変化により、波長安定性が減少される。好まし
くは反射器は光ファイバコア内に形成されるブラッグ格
子からなるが、これに代えて各種の他の波長選択反射器
が使用可能であり、例えば波長選択被覆体を有する一組
のバルク光ミラーも使用可能である。この格子はマスク
を通して伝達される紫外線に対し光ファイバを曝す周知
の技術を用いて形成される。レーザ光はマスクにより決
定されるパターン内の光ファイバに当たり、レーザ光を
通過する部分内の光ファイバコアの屈折率を変更する。
これにより光ファイバコア内に一連の屈折率変化が引き
起こされ、コアに沿って伝播する光がこの一連の屈折率
変化部分にわたって応答することは当業者に周知であろ
う。屈折率のこの変化特性は波長選択性を与え所望量の
反射および通過を与える為に調整可能である。
【０００７】ブラッグ格子は好ましくは５〜４０％間の
反射率を与えるように形成される。レーザダイオード内
に逆に反射された光部分はバーチャルレイジングキャビ
ティを形成する。このレーザキャビティ効果により大き
な範囲の環境条件にわたりレーザダイオードの波長が一
定化される。またレーザダイオードがエージングしても
波長が一定化される。レーザダイオード内に逆に反射さ
れる光の量が大になるに応じてレーザキャビティ効果が
大きくなる。一方図１においてはその用途に波長安定化
光を運ぶため第２の光ファイバセグメント１８がブラッ
グ格子から延設されている。ブラッグ格子の反射率が大
きくなると、光源の出力が減少されその効率が低下され
る。反射量は好ましくは反射を最小に且つ光源の波長を
一定化するように選択される。
【０００８】本発明の好ましい実施形態では、１４６５
〜１４８５ナノメータの波長の光出力を発生するレーザ
ダイオードを使用した。ブラッグ格子は特に１４７７ナ
ノメータの光の３０％をレーザダイオード内に逆に反射
するよう構成された。この結果レーザダイオードの他の
モードが実質的に除去され、レーザダイオードの波長が
広い温度範囲、特に−１０〜７０℃内にわたり広い範囲
の駆動電流、特に１００〜５００ｍＡにわたり０．１％
以内に安定化された。エルビウム添加されたファイバの
広い帯域の出力の波長分布は、図２に示され以下に説明
するエルビウム添加されたファイバと組み合わせて使用
されると、同じ温度範囲及び同じ駆動電流範囲にわたり
１０ｐｐｍ以内まで安定した。−１０℃より低い温度は
加熱器で容易に吸収可能である。最大８５℃までの高い
温度での性能は以下に説明するものより僅少に変化し
た。
【０００９】広く入手可能なレーザダイオードは低い複
屈折で単一モード（ＰＭではない）の光ファイバピグテ
ールで供給される。ブラッグ格子はまた通常低い複屈折
で単一モードの光ファイバピグテール上に形成される。
レーザダイオードのピグテール１３とスプライス連結さ
れる同じ光ファイバ１４上にブラッグ格子１６を形成す
ることにより、スプライスが除去できる。これによりス
プライスを引き起こす損失が低減される。一方レーザダ
イオードの低い複屈折光ファイバのピグテールがブラッ
グ格子を含む低い複屈折の光ファイバの別のセグメント
にスプライス接続されると、光ファイバのいずれかの移
動あるいは環境変化に対し、ファイバを貫通して横断す
る光の偏光状態が変化される。ブラッグ格子からの反射
光がレーザダイオードと同じ偏光状態でなければ、出力
波長は一定化されない。好ましい実施形態ではＰＭファ
イバピグテールを有するレーザダイオードを用いる、並
びにＰＭファイバ上に形成されるブラッグ格子を用い
て、偏光状態の変化が解決される。最良の効果の場合レ
ーザダイオードからのＰＭファイバピグテールの軸の一
はレーザダイオードのピーク偏光状態と整合される必要
があり、ブラッグ格子を含む光ファイバの軸の一はＰＭ
ファイバピグテールの軸の一に沿って整合される要があ
る。ＰＭファイバを用いると、ブラッグ格子がレーザダ
イオードから大きな距離離間されて配置される。これに
より本発明を用いるシステムの設計自由度が改良され
る、あるいはレーザダイオードからのＰＭファイバピグ
テールがこのピグテール上に直接ブラッグ格子を形成す
るべく処理可能になる。
【００１０】本発明の好ましい実施形態においてはレイ
ジング素子及び反射器のような各種部品間に光を案内す
べく光ファイバを用いるものとしたが、これは必須では
ない。他の偏光保存導波管も使用可能である。例えばレ
ーザダイオードはＰＭ導波管を含むべく製造されたニオ
ブ酸リチウムのような基板に直接接続可能にあるいは基
板上に製造可能である。ＰＭ導波管は同じ基板上に製造
可能なバルク光学被覆されたマイクロミラーへ光を搬送
可能である。部品間の光を連結するために、分離された
マイクロチャンネル導波管も使用可能である。
【００１１】図２は共に参考例として「低い複屈折を有
する光ファイバジャイロスコープ及びＰＭファイバネッ
トワーク」と題したコルドバ等による米国特許第５，２
６０，７６８号及び「干渉センサ用の高効率のスーパー
フルオレスセントファイバレーザ・増幅器」と題したフ
ィドリック等による米国特許第５，３１１，６０３号に
示される種類の光ファイバジャイロスコープに対し本発
明の波長安定化光源を使用する場合を示す。図２はレー
ザダイオード１０がレーザ駆動回路１２により駆動さ
れ、ＰＭファイバピグテール１３がブラッグ格子１６と
結合され、ブラッグ格子１６は第２の光ファイバセグメ
ント１８に結合される状態を示す。第２のファイバセグ
メントは連続する第１のファイバセグメントあるいは連
続するブラッグ格子ファイバセグメントにできる。第２
のファイバセグメントはＰＭファイバで構成可能であ
り、また光ファイバジャイロスコープで広く行われてい
るように、第２のファイバセグメントを低い複屈折の光
ファイバで構成可能である。第２の光ファイバセグメン
トは合波器（ＷＤＭ）２０と結合され、合波器２０は２
個の入力リード線２２、２４と２個の出力リード線２
６、２８を有している。
【００１２】出力リード線の１はエルビウム添加された
光ファイバ（ＥＤＦ）３０と結合される。この長さは通
常約１０メートルであり、コイル内に形成され終端部と
してのその一端部３２に接続されている。この終端部の
ため光がコイルの終端部から逆にコイルへ反射されるこ
とが防止される。エルビウムが添加された光ファイバの
コアは、特定波長、好ましい実施形態では１４７７ナノ
メータの光が十分な強さでコア内に導入されたとき、中
心波長が別の波長、例えば１５６０ナノメータを有する
広い帯域を横切って自然増幅誘導発光（ＡＳＥ）が生じ
るように添加される。自然増幅誘導発光は両方向におい
てエルビウム添加された光ファイバ内に生じる。９８０
ナノメータ及び他の周波数で励起されるエルビウム添加
された光ファイバは周知であり、本発明にも使用でき、
この効果は同様である。エルビウム添加されたファイバ
の広い帯域の出力は上述した先行特許に開示される光フ
ァイバジャイロスコープに対し特に有効である。
【００１３】前進光はアングル毛管チューブを経てエル
ビウム添加された光ファイバを出るので、前進光は光フ
ァイバ内に逆に反射されることはできない。前進光は１
５６０ナノメータでの自然増幅誘導発光及び１４７７ナ
ノメータでのレーザダイオード励起光を含んでいる。こ
の光がシステムに対し失われる。１５６０ナノメータで
後進する自然増幅誘導発光は合波器の出力ポート２６に
向い逆に向けられる。合波器は１４７７と１５６０ナノ
メータの２個の波長を分離するように最適化される。１
５６０ナノメータでのエルビウム添加された光ファイバ
からの自然増幅誘導発光は入力２４に連接され、この場
合入力２４はまた干渉検出コイルに対する出力として作
用する。出力ポート２６における合波器へ逆に反射され
た１４７７ナノメータのダイオード励起光は入力ポート
２２と結合され、逆にレーザダイオードへ向かって搬送
される。エルビウム添加された光ファイバからの自然増
幅誘導発光は広い帯域を有し、出力ポート２４から合波
器３４内へ送られ、合波器３４自体はセンサコイル３８
に接続される集積光学チップ３６に対しＰＭファイバピ
グテールを介し接続される。集積光学チップからの光は
当業者には周知なようにカウンタ伝播方向へセンサコイ
ル３８へと向けられ、集積光学チップを介し逆に光検出
器４０へ向けられる。回転はサニャック効果に基づき電
子回路（図示せず）を用いて検出される。合波器２８の
他の出力部は終端部をなし、光がジャイロスコープセン
サコイルへ反射されることが防止される。
【００１４】
【発明の効果】エルビウム添加された光ファイバへ励起
光を安定して供給することにより、エルビウム添加され
た光ファイバの広い帯域の光出力も安定化される。これ
により、サニャック効果の強さの変化が光検出器により
検出されるとき、光ファイバジャイロスコープの回転測
定値の大半の倍率誤差源が除去される。従って本発明は
レイジングファイバなしに実行され、狭い帯域の光を発
生可能である。本発明はまたレイジングファイバを用い
て実行され波長安定化光源を提供可能である。
【００１５】波長安定化レーザ光源は光ファイバジャイ
ロスコープに関連して示したが、この光源は時間にわた
り且つ広い範囲の温度及び駆動電流条件にわたり一定波
長を発生するレーザ光源が望まれる場合にも使用可能で
ある。上述した好ましい実施形態の各種適合物及び設計
変更物が本発明の精神及び範囲から離れることなく可能
であることは当業者には理解されよう。この適合物及び
設計変更物は以下のものを含むがこれに限定されない。
光波長が変更可能であり、ニオブ酸リチウム及びマイク
ロチャンネル導波管のような光ファイバ以外の導波管を
使用可能である。波長選択反射器はレーザダイオード構
造体に対し離設される。または一体的に移動可能であ
り、合波器を含む光ファイバジャイロスコープの構成は
大幅に変更可能である。従って本発明は添付の請求項の
範囲内で特にここに説明したもの以外で実施可能がある
ことは理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による波長安定化光源を示す図で
ある。
【図２】図２は図１の光源を含む光ファイバジャイロス
コープの図である。
【符号の説明】
１０ レイジング素子 １２ レーザ駆動回路 １３ ピグテール １４ 偏光面保持の第１の光ファイバ １６ 波長選択反射器 １８ 光ファイバセグメント ２０ 合波器 ２２ 入力ポート ２４ 出力ポート ２６ 出力ポート ２８ 合波器 ３０ エルビウム添加された光ファイバ ３２ アングル毛管チューブ ３４ 合波器 ３６ 集積光学チップ ３８ センサコイル ４０ 光検出器
フロントページの続き (72)発明者 デイビツド マイケル ロゼツレ アメリカ合衆国 カリフオルニア州 91367，ウツドランド，リセイジ アベニ ユー 5800 (72)発明者 ロナルド ジエイムズ マイケル アメリカ合衆国 カリフオルニア州 92397，ライトウツド，アプル 1016

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 実質的に偏光光線を発生するレイジング
    素子（１０）と、レイジング素子（１０）と結合されレ
    イジング素子（１０）により発生される光をレイジング
    素子（１０）から離れて案内する偏光面保持の第１の光
    ファイバ（１４）と、偏光面保持の第１の光ファイバ
    （１４）と結合されレイジング素子（１０）により発生
    される光の一部を逆にレイジング素子（１０）へ反射す
    る波長選択反射器（１６）と、波長選択反射器（１６）
    と結合されレイジング素子（１０）により発生される光
    の別の部分をレイジング素子（１０）から離れて案内す
    る他の導波管セグメント（１８）とを備えることを特徴
    とする波長安定化レーザ光源。
  2. 【請求項２】 レイジング素子（１０）がファブリー・
    ペロー半導体レーザダイオードである請求項２記載の波
    長安定化レーザ光源。
  3. 【請求項３】 第１の偏光面保持の波長選択反射器（１
    ６）が偏光面保持の光ファイバである請求項１記載の波
    長安定化レーザ光源。
  4. 【請求項４】 偏光面保持のファイバに所定波長の入射
    光の一部を反射するブラッグ格子として形成される波長
    選択反射器（１６）が含まれてなる請求項３記載の波長
    安定化レーザ光源。
  5. 【請求項５】 波長選択反射器（１６）がブラッグ格子
    でなる請求項１記載の波長安定化レーザ光源。
  6. 【請求項６】 別の導波管セグメントと結合され、レイ
    ジング素子により発生される光に応動して広い帯域の光
    を発生するレイジング光ファイバのセグメントを備える
    請求項１記載の波長安定化レーザ光源。
  7. 【請求項７】 広い帯域の光がレイジング素子光から異
    る波長で中心決めされ、レイジング光ファイバが波長依
    存合波器を介し別の導波管セグメントと結合されレイジ
    ング素子光をレイジング光ファイバへ送り、広い帯域の
    光をレイジング素子から離れて送るように設けられた請
    求項６記載の波長安定化レーザ光源。
JP2000264655A 1999-07-30 2000-07-28 波長安定化レーザ光源 Pending JP2001102685A (ja)

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US09/364,492 1999-07-30
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