JP2004535069A

JP2004535069A - グリッド・ジェネレータの連続同調を伴う外部共振器レーザ

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Publication number: JP2004535069A
Application number: JP2003511356A
Authority: JP
Inventors: アンドリュージョンダイバー
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: CN1251367C; WO2003005503A3; US20030021303A1; KR20040013115A; WO2003005503A2; EP1405381B1; ATE468638T1; US6822979B2; EP1405381A2; KR100681543B1; AU2002318215A1; DE60236435D1; CN1541435A; JP4204972B2

Abstract

【課題】グリッド透過ピークがレーザ運転中に変更または変動し得るように構成されるグリッド・ジェネレータを備えるレーザ。
【解決手段】グリッド・ジェネレータは、少なくとも２つの別々な選択可能なグリッド間隔の間で同調可能である。レーザは様々な構成であって良いし、外部共振器中にチャネル・セレクタを備える同調可能な外部共振器レーザであって良い。レーザは、グリッド・ジェネレータに操作可能なように接続され、グリッド・ジェネレータを選択可能な通信グリッドに調節するように構成される同調器または同調アセンブリを更に備えて良い。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、選択されたグリッド伝達チャネル間隔を提供するレーザ運転中のグリッド・ジェネレータの能動的同調のためのレーザ装置、および、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
テレコミュニケーション・トランスミッタ・レーザーは、高密度波長分割多重方式（ＤＷＤＭ）光通信システムの中で使用され、複数の異なるデータ・ストリームが単一の光ファイバ内に同時に存在し、各データ・ストリームの変調が異なるチャネル上に出現する。各データ・ストリームは、特定のチャネル波長で作動するトランスミッタ・レーザーに対応する出力ビームに変調され、半導体レーザからの変調出力が、それぞれのチャネルの送信のために単一の光ファイバに纏められる。国際電気通信連合（ＩＴＵ）による良く知られた設定は、現在約０．４ナノメートル、即ち約５０ＧＨｚのチャネルセパレーションを定めている。このチャネルセパレーションに依れば、現在利用可能なファイバおよびファイバ・アンプの帯域幅の範囲内において、単一の光ファイバによって少なくとも１２８のチャネルを伝搬する事が可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなテレコミュニケーション・トランスミッタ・レーザーは、通常はＩＴＵグリッド波長あるいは他の選択されたグリッドに対応する複数の選択可能な透過波長を画定するグリッド・ジェネレータを使用する。使用されるグリッド・ジェネレータは、通常は、均等に間隔が置かれた周波数において送信最大を有するファブリーペロー干渉フィルタである。グリッド・エタロンの慎重な製造、通過する光学のビームの運動量軸に関するグリッド・エタロンのアラインメントを通して、グリッド・エタロンによって決定された透過ピークの間隔は、ＩＴＵの基準によって定義されたグリッドのような選択された波長グリッドと合致させる事が可能である。熱の揺らぎによってグリッド透過ピークの変動が生じないようにするために、熱電コントローラがグリッド・エタロンに接続され得、レーザ運転中のグリッド・エタロンの慎重な熱制御によってグリッド・エタロンの温度が固定される。
【０００４】
光通信ネットワークが再配列可能なアーキテクチャへと発展するにつれて、より精巧なテレコミュニケーション・トランスミッタ・レーザーが必要になって来ている。特に、異なる通信グリッドの選択が出来る様にするために、グリッド透過ピークのレーザ運転中における能動的な同調または調節を提供するテレコミュニケーション・トランスミッタ・レーザーの必要性が生じている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、選択されたグリッド伝達チャネル間隔を提供するレーザ運転中のグリッド・ジェネレータの能動的同調のためのレーザ装置、および、システムおよび方法を提供する。本発明の装置は、最も広義には、異なる通信グリッドの選択を可能にするためにレーザの運転中にグリッド透過ピークが変更または変動し得るように構成されるグリッド・ジェネレータを備えるレーザである。グリッド・ジェネレータは、少なくとも公称グリッド設定の周りの狭い範囲に関して同調可能である。より詳細には、グリッド・ジェネレータは初期あるいは公称グリッド設定範囲以上の範囲に渡って同調可能であり、グリッド・ジェネレータの適切な同調または調節によって任意の所望の波長が選択し得る。レーザは様々な構成を取ってよく、外部共振器中にチャネル・セレクタを備える同調可能な外部共振器レーザであっても良い。レーザは、グリッド・ジェネレータに操作可能なように接続され、選択可能な通信グリッドにグリッド・ジェネレータを適合させるために構成される同調器または同調アセンブリを更に備えて良い。
【０００６】
レーザは、第１および第２出力面を有するゲイン媒体を更に備えてよく、ゲイン媒体は、コヒーレントなビームを第１出力面から光路に沿って、光路中のエンドミラーまで放射する。エンドミラーおよび第２出力面が外部共振器を画定する。チャネル・セレクタが外部共振器に関して位置し、チャネル・セレクタ同調器に操作可能なように接続されて良い。チャネル・セレクタ同調器は、光路中のチャネル・セレクタを選択可能な通信グリッド中の透過帯域に対応する選択可能な透過波長に同調するために構成される。レーザは、外部共振器に操作可能なように接続され、外部共振器の光路長を調節するように構成される外部共振器光路長同調器を更に備えても良い。
【０００７】
グリッド・ジェネレータは、グリッド・エタロンの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）に応じて離間した複数の波長通過帯域あるいは透過帯域を画定するグリッド・エタロンの形をしていても良い。通過帯域の間隔は、例えばＩＴＵグリッド間隔に対応しても良い。レーザの一実施形態において、グリッド・ジェネレータ同調器は、光路中のグリッド・エタロンを回転によって調節するように構成される。グリッド・エタロンの光学厚さまたは経路長を変更するべくグリッド・エタロンを回転させるか傾けることによってグリッドを同調するために、グリッド・ジェネレータ同調アセンブリがグリッド・エタロンに操作可能なように接続され、これによって、選択された通信グリッド間隔を変更する。グリッド・ジェネレータ同調アセンブリは、異なる選択可能なグリッド用の調節データを格納したコントローラを更に備え、グリッド・エタロンは、選択された波長グリッドを提供するために調節される。
【０００８】
あるいは、または更に、他の実施形態において、グリッド・エタロンに操作可能なように接続され、選択されたグリッド間隔を提供するために選択的に加熱または冷却する事によってグリッド・エタロンの光学厚さを調節するように構成される熱電コントローラ（ＴＥＣ）による熱制御によって、グリッド・ジェネレータ同調アセンブリがグリッド・エタロンを同調しても良い。加熱または冷却は、エタロンのギャップを制御するスペーサのサイズに影響する。他の実施形態において、エタロンは、ある物質によって充填される非真空ギャップを備えて良く、この材料の加熱または冷却が、エタロンのギャップを横断する光路長の変化に影響する。更に他の実施形態において、エタロンは電気光学材料を備え、電気光学材料の両端に電圧を印加する事によって調節可能な有効光路長を得て良い。
【０００９】
様々な他の同調メカニズムが、本発明におけるグリッド・エタロンまたはグリッド・ジェネレータの調節に際して使用可能である。例えば、このような同調が、気体によって充填されたエタロンの圧力同調、エタロン・ギャップの圧電的な同調、非線形光学効果による光学的な同調、電気光学エタロン材料の電圧同調、ＭＥＭＳアクチュエータを用いた微小位置決め、あるいは他の形式による同調を含んで良い。
【００１０】
ルックアップテーブルに格納されたグリッド・エタロン調節パラメータに従ってグリッド・ジェネレータ・コントローラがグリッド・ジェネレータを制御しても良い。グリッド・エタロン調節パラメータは、波長の選択のための温度のリストと、リスチングされていない波長の温度用の補間のためのルールを含んで良い。周囲温度およびシステムの状態の情報に基づいて温度を調節するために、付加的なルールが提供されて良い。グリッド・エタロンの温度制御については、ＴＥＣによって熱がポンピングされる領域に例えばサーミスタのような温度センサを設置することによって温度が制御されて良い。温度センサは、制御されるべきグリッドの場所の近傍にあることが望ましいが、必ずしもその必要があるというわけではない。その後、サーミスタで所望の温度を達成するために、制御メカニズムがＴＥＣへの電流を調節することが出来る。制御アルゴリズムはＰＩＤループを含んで良い。もしくは、制御アルゴリズムは、状態推定器と、出力状態の制御のための制御法則を備えても良い。エタロンを横断する光路長が出力状態であり、入力状態は、熱がポンピングされる領域の温度センサ、周囲温度センサ、および他のセンサを含んで良い。
【００１１】
レーザは、レーザ出力を監視し、グリッド・エタロンの１つ以上の透過ピークの波長の位置を示す検出器出力を提供するように配置・構成された検出器を更に備えて良い。誤差信号をゼロ化すなわちヌル化するために、誤差信号が、検出器出力から導出されて、レーザ波長をグリッド透過ピークに関して調節するコントローラによって用いられて良い。グリッド・ジェネレータを透過するレーザを波長変調する事によって、または、レーザ波長を透過ピークから離して設定し、ビームの反射および透過する部分のバランスを取る事によって透過ピークの検出を可能にするべくグリッド・ジェネレータ透過スペクトルに波長変調を提供する事によって、誤差信号が得られ得る。
【００１２】
いくつかの実施形態において、グリッド・ジェネレータはレーザ共振器の内部にあって良い一方、他の実施形態においては、グリッド・ジェネレータがレーザ共振器の外部にあっても良い。レーザの出力エンドあるいはバックエンドのいずれかから放射される光の一部または全部がグリッド・ジェネレータへ導入されて良い。ある実施形態において、検出器は、ゲイン媒体１２の両端の電圧変調を監視するように構成される検電器を備えて良い。他の実施形態において、検出器は、レーザからの光出力を監視するように構成された光検出器を備えて良い。
【００１３】
本発明の方法は、最も広義には、グリッド・ジェネレータを有するレーザを提供するステップと、選択されたグリッド間隔にグリッド・ジェネレータを調節するステップを備える。グリッド・ジェネレータは、少なくとも公称グリッド設定の周りの狭い範囲に関して同調可能であるか調節可能であるべきである。グリッド・ジェネレータを調節するステップは、初期あるいは公称グリッド設定以上の範囲に渡ってグリッド・ジェネレータを同調するステップを備えて良い。この調節範囲によって、任意の所望の波長グリッドが、グリッド・ジェネレータの適切な同調あるいは調節によって選択され得る。この調節は任意のメカニズムによって、つまり、熱による調節、回転による調節、電気光学的、または、他のあるいは様々な調節メカニズムの組み合わせによって実行されて良い。異なる選択可能なグリッド用に格納された調節データに応じて、グリッド・ジェネレータを調節または同調するステップがコントローラによって実行されて良い。もしくは、または更に、レーザ出力を検知するために配置・構成された検出器から導出された誤差信号に応じてグリッド・ジェネレータが同調されて良い。
【００１４】
一実施形態において、本発明の方法は、第１および第２出力面を有し、コヒーレントなビームを第１出力面から光路に沿ってエンドミラーまで放射するゲイン媒体を有する外部共振器レーザを提供するステップと、グリッド・ジェネレータの位置を光路に関して決定するステップと、選択されたグリッド間隔にグリッド・ジェネレータを同調するステップとを備える同調可能でコヒーレントな出力光を生成するための方法である。同調可能なグリッド・ジェネレータはグリッド・エタロンを備えて良く、調節するステップが、グリッド・エタロンを位置的または熱的に調節するステップを備えて良い。本方法は、外部共振器の光路中に位置するチャネル・セレクタを同調するステップを更に備えて良い。本方法は、エンドミラーおよび第２の出力面によって画定される外部共振器の光路長を調節するステップを更に備えて良い。
【００１５】
通信グリッドの透過ピークの能動的同調あるいは調節が、レーザ運転中に有用であるような多数の実例が存在する。例えば、能動的なグリッド同調によって、チャネル間のクロストークによって制限される所定のビット誤り率（ＢＥＲ）において最大容量を達成するために、伝達チャネルの間隔が連続的に最適化されることが可能になる。
【００１６】
本発明は、（波長フィルタを交換するのとは反対に）波長フィルタに一致するように通信グリッドを調節することにより、狭帯域波長フィルタのような所定の伝達チャネル内における他の光学コンポーネントにおける変化を修正するための便利で経済的な方法を更に提供する。グリッド・ジェネレータの能動的調節によって、グリッド・ジェネレータ自体の製造中に生じ得る誤差の補正を考慮に入れる事が出来る。さもなければ、意図されたグリッド間隔と対応させる事が妨げられる。このような誤差は、例えば、エタロンの厚さ、ビームに対しての配向角度または配置、ならびに波長に対しての光学厚さのばらつきを含み得る。
【００１７】
本発明によって、グリッド透過ピークに周波数変調またはディザを導入することが可能であり、クロストーク、フィルタ透過、または他のシステム・パラメータのイン・シトゥーな最適化を提供するのに使用可能である。この方式の周波数変調を使用することによって、グリッド・エタロンの調節または同調に使用できる誤差信号を生成する事が出来る。
【００１８】
グリッド・ジェネレータの調節性の範囲が十分に広い場合、本発明によって、任意の通信グリッドを実質的に「模倣する」、即ち再生成する単一のグリッド・ジェネレータが実現される。従って、例えば、５０ＧＨｚ間隔で初期設定されたグリッド・ジェネレータを、２５ＧＨｚ、３３ＧＨｚあるいは他のグリッド間隔で同調する事も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図面をより詳細に参照して、説明の目的のために、本発明は図１〜図７に示される装置によって実施される。本願明細書に開示されている基礎概念から逸脱する事無く、本装置が構成に関して、および部分の詳細について変化し得、本方法が、その詳細および動作の順序について変化し得ると言う事は言うまでもない。本発明は、外部共振器レーザと共に使用される例によって主に開示される。しかしながら、本発明が多くの種類のレーザ装置および光学系と共に使用されてもよい。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるので、本願明細書に使用される用語は、特定の実施形態について記載するためだけに使用されており、制限する事を意図していないと言う事が更に理解されるべきである。
【００２０】
図１をここで参照して、本発明における外部共振器レーザ装置１０が示される。レーザ装置１０は、ゲイン媒体１２と、エンド、即ち外部反射器、即ちエンドミラー１４を備える。ゲイン媒体１２は、従来のファブリーペロー型ダイオード・エミッタ・チップを備え、反射防止（ＡＲ）コーティングが施された表側出力面１６および一部反射する裏側出力面１８を有して良い。外部レーザ共振器は、裏面１８およびエンドミラー１４によって画定され、境界が定められる。ゲイン媒体１２は、コヒーレントなビームを正面１６から放射し、放射されたビームはレンズ２０によってコリメートされ、外部共振器の光軸と同一直線上に整列される光路２２に沿って整列される。同様に、ゲイン媒体１２の正面１６と裏面１８は、外部共振器の光軸と心合する。外部共振器レーザ装置１０の出力を光ファイバ（図示されず）へ接続するために、従来の出力カプラ光学系（図示されず）が裏面１８に対応付けられる。
【００２１】
外部共振器レーザ装置１０はグリッド・ジェネレータ部材を備え、これらは、光路２２中のゲイン媒体１２とエンドミラー１４の間の位置するグリッド・エタロン２４として図１において示される。グリッド・エタロン２４は平行な反射面２６、２８を備え、干渉フィルタとして作用し、グリッド・エタロン２４の屈折率、および、面２６、２８の間隔によって決められるグリッド・エタロン２４の光学厚さによって、例えばＩＴＵ（国際電気通信連合）グリッドの様な選択された波長グリッドの中央部分の波長と一致する（もしくは、屈折率のばらつきと製作公差を考慮すれば、ほぼ一致する）波長において、通信帯域内における複数の最大値および最小値が生じる。グリッド・エタロン２４は、選択された通信グリッド線間の間隔に対応する自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有する。従って、グリッド・エタロン２４は波長グリッドのグリッドラインのそれぞれを中心とする複数の通過帯域または通信バンドを供給するように作動する。グリッド・エタロン２４は、波長グリッドの各チャネル間の外部共振器レーザの隣接するモードを抑制するようなフィネス（自由スペクトル領域÷半値全幅（ＦＷＨＭ））を有する。
【００２２】
複数の選択可能な通信グリッドがグリッド・エタロンによって画定され得るように、グリッド・エタロン２４が、グリッド・エタロン２４を同調するために構成される同調器１３０に操作可能なように接続される。グリッド・エタロン２４は固体の平行平板エタロン、液体または気体によって離間されたエタロンであって良く、温度制御による熱膨張と収縮により面２６、２８間の光学厚さの正確な寸法を決定することによって、および（または）面２６、２８の間の光学厚さを変化させるためにグリッド・エタロン２４を傾斜させる事によって同調されて良い。インジウム酸化錫（ＩＴＯ）あるいは他の透明な導電材料の透明電極（図示されない）を使用して面２６、２８の両端に同調器１３０によって電圧を選択的に印加することによってグリッド・エタロン２４の有効光学厚さ（およびその結果として生じるグリッド間隔）を同調可能するために、グリッド・エタロン２４は、電圧に依存する屈折率を有するニオブ酸リチウムのような電気光学材料で作られていて良い。
【００２３】
グリッド・エタロン同調器１３０は、コントローラ１３２に操作可能なように接続される。コントローラ１３２はデータ処理装置およびメモリ（示されない）を備え、複数の選択可能な通信グリッドに対応するグリッド・エタロン２４用の同調調節パラメータが格納される。従って、外部共振器レーザ装置１０の運転中に、コントローラ１３２は同調器１３０に信号を送り、格納された調節パラメータに従ってグリッド・エタロン２４をある選択可能な通信グリッドから別のグリッドまで変更するように調節または同調させても良い。例えば、グリッド・エタロン２４が傾斜あるいは枢動によって同調される場合、ルックアップテーブルは異なる選択可能なグリッド間隔に対応するグリッド・エタロン２４用の複数の回転位置パラメータを含んでいて良い。後に詳述されるように、コントローラ１３２によるグリッド・エタロン２４の調節も、検出器（図示されない）から導出される誤差信号によって実行されて良い。
【００２４】
図１に示される外部共振器レーザ装置１０の様々なコンポーネント間の相対的な縮尺および距離は必ずしも等縮尺であるとは限らず、幾つかの例においては明瞭性を保つために誇張して示されている。外部共振器レーザ装置１０は、焦点を合わせる要素およびコリメーション要素、外部共振器レーザ装置１０の様々な要素に関係する偽フィードバックを除去するように構成される偏光光学系と言った追加の構成要素（図示されず）を備えても良い。レーザ装置１０は、後述されるようなチャネル・セレクタを更に備えて良い。
【００２５】
図１と同様に図２および図３も参照して、選択された通信グリッドを提供するためのグリッド・エタロン２４の同調が、グリッド・エタロン２４の枢動的な調節の点から例証される。図２は、光路２２中に位置するグリッド・エタロン２４の３つの回転位置を示し、位置Ａが実線で示され、位置Ｂが破線で示され、位置Ｃが点線で示される。３つの位置Ａ〜Ｃは、グリッド・エタロン２４の回転的な位置調節によって達成される。位置Ｂ（破線）は光路に最大光学的厚さを提供し、その一方で位置Ｃ（点線）は最短の光路を提供し、位置Ａ（実線）は、位置ＢおよびＣの中間のグリッド・エタロンの光学厚さに帰着する。
【００２６】
図２に示されるようなグリッド・エタロン２４を位置Ａに位置決めすることによって、図３の実線で示される通信グリッドＡが得られる。図３において、縦軸は相対ゲインを示し、横軸は波長を示す。通信グリッドＡは、位置Ａにおけるエタロン２４の光学厚さによって決定される自由スペクトル領域（ＦＳＲ）に対応する周期的に離間した一連の最大値および最小値を有する。グリッド・エタロン２４を図２に示される位置Ｂに同調することによって、図３の破線で示される通信グリッドＢが得られる。通信グリッドＢは、光学厚さの変化に対応する分だけ、通信グリッドＡから変化する。グリッド・エタロン２４を図２に示される位置Ｃに同調する事によって、図３の点線で示される通信グリッドＣが得られる。通信グリッドＣ（点線）は、グリッドＡとほぼ対応する通信グリッドに戻り、グリッドＡの実線とグリッドＣの点線は一致するように図示される。しかしながら、通信グリッドＣは、オーバーラップしたピークと０の逆波長との間に１つの追加のピークが正確に存在するという点において、通信グリッドＡとは異なっている。
【００２７】
外部共振器レーザ装置１０の運転中において異なる通信グリッドＡ、Ｂ、Ｃを選択する事は、様々な理由のために望まれ得る。例えば、別々の企業のローカルエリアネットワークが、別々の伝達チャネルを備えた別々でかつ専用の波長グリッドを使用するテレコミュニケーションのために構成されて良い。本発明によって、レーザ装置１０が、あるグリッドによる送信から別のグリッドまで切り替えられることが可能になる。他の例において、信号伝送の範囲の距離が増加または減少する場合、意図された距離のためにグリッド間隔を最適化するべく通信グリッドを再構成するが望まれ得る。
【００２８】
ここで図４を参照して、他の実施形態における外部共振器レーザ３４が示される。同様の参照番号は同様の部品を示すために用いられる。レーザ３４はチャネル・セレクタを備え、これはウェッジ・エタロン３６として図４に示される。ウェッジ・エタロン３６は干渉フィルタとして動作し、平行では無い反射面３８、４０によってテーパ状の形状を有する。図４に示されるウェッジ・エタロン３６は、外部共振器レーザに関する本発明において使用され得るチャネル・セレクタの一例に過ぎず、ウェッジ・エタロン３６はテーパ状の透明な基板、隣接する透明な基板の反射面の間のテーパ状エアギャップ、傾斜した薄膜干渉フィルタ、格子、電気光学同調器、バーニヤ付きの同調デバイスあるいは他のチャネルセレクター・デバイスを含んで良い。チャネル選択の際にエアギャップ・ウェッジ・エタロンを使用する例が米国特許第６１０８３５５号明細書に記載されており、該明細書中において、「ウェッジ」とは隣接した基板によって画定されるテーパ状のエアギャップである。格子の角度調節によって同調される枢動的に調節可能な格子装置をチャネル・セレクタとして使用する事、また、電圧を選択的に印加する事によって同調される電気光学的な同調チャネル・セレクタを外部共振器レーザに使用する事が、２００１年３月２１日に出願された発明者アンドリュー・ダイバーによる米国特許出願番号第０９／８１４６４６号に記載されている。並進的に同調された傾斜した薄膜干渉フィルタをチャネル・セレクタとして使用する事が、米国特許出願番号第０９／８１４６４６号、およびホプキンス等によって本願と共に出願された「傾斜した薄膜ウェッジ干渉フィルタ、およびレーザ同調に対して使用する際の方法」という名称の米国特許出願番号第０９／９９０４１２号に記載される。前述の開示は、参照によって本願に援用される。
【００２９】
ウェッジ・エタロン３６によって画定される通過帯域は、グリッド・エタロン２４によって画定される通過帯域よりも実質的に広く、ウェッジ・エタロン３６のより広い通過帯域が、グリッド・エタロン２４によって画定される最短波長のチャネルと最長波長のチャネルの間の波長との差と実質的に対応する周期を有する。換言すれば、ウェッジ・エタロン３６の自由スペクトル領域は、グリッド・エタロン２４によって画定される波長グリッドの全ての波長領域と対応する。ウェッジ・エタロン３６は、特定の選択されたチャネルに隣接するチャネルを抑制するようなフィネスを有する。
【００３０】
ウェッジ・エタロン３６は、ウェッジ・エタロン３６の面３８、４０間の光学厚さを変える事により、複数の通信チャネルの中から１つを選択するために使用される。これは、ｘ軸に沿ってウェッジ・エタロン３６を変位させることにより達成される。ｘ軸は、ウェッジ・エタロン３６のテーパの方向と略平行であり、光路２２および外部共振器レーザ３４の光軸に対して略垂直である。ウェッジ・エタロン３６によって画定される通過帯域のそれぞれによってチャネルが選択可能となり、また、ウェッジ・エタロン３６が光路２２中に押し込まれる方向に変位するにつれて、光路２２に沿って移動するビームはウェッジ・エタロン３６のより厚い部分を貫通することになり、これによって、より長い波長チャネルにおける、相対する面３８、４０間の建設的干渉が得られる。ウェッジ・エタロン３６が光路２２から引き出される方向に変位するにつれて、ビームはウェッジ・エタロン３６より薄い部分を貫通し、より短い波長チャネルに対応する通過帯域を光路２２に露出する。上述したように、ウェッジ・エタロン３６の自由スペクトル領域は、グリッド・エタロン２４の完全な波長の範囲に対応している。その結果、全ての波長グリッドの領域において、通信帯域内の単一の損失最小に同調される事が可能である。グリッド・エタロン２４およびウェッジ・エタロン３６からゲイン媒体１２への統合化されたフィードバックによって、選択されたチャネルの中心波長においてレーザ光線を発することを可能にする。全同調レンジに渡って、ウェッジ・エタロン３６の自由スペクトル領域はグリッド・エタロン２４の自由スペクトル領域より広い。
【００３１】
ウェッジ・エタロン３６は、選択されたチャンネルに応じてウェッジ・エタロン３６を調節可能に位置調節するように構成・構築された駆動部材または同調器４２を含む同調装置により位置を変えられることによって同調され、続いて、選択されたチャネルは、上述されたように、グリッド・エタロン２４の位置調節に由来する通信グリッドによって決定される。同調器４２は、例えばウェッジ・エタロン３６の精密並進運動に好適なハードウェアと共にステッパーモータを備えても良い。もしくは、同調器４２は、直流サーボモーター、ソレノイド、ボイスコイル・アクチュエーター、圧電アクチュエータ、超音波ドライバ、形状記憶デバイス、または同様の往復アクチュエータのように、様々な種類のアクチュエータを含んでも良い。アクチュエータの種類は上記されてものに限定されない。ウェッジ・エタロン３６以外の異なる種類のチャネル・セレクタが本発明に使用される場合、波長同調器４２はチャネル・セレクタを同調するためにそれに応じて構成されるであろう。
【００３２】
ウェッジ・エタロン同調器４２はコントローラ３０に動作可能なように接続され、コントローラ３０は、同調器４２によるウェッジ・エタロン３６の位置決めを制御する信号を供給する。コントローラ３０はデータ処理装置およびメモリ（図示されない）を備えて良く、選択可能なチャネル波長に対応するウェッジ・エタロン３６用の位置情報のルックアップテーブルが内部に保存される。上記述されるように、グリッド・エタロン２４の制御に使用される同一のコントローラ３０によってウェッジ・エタロン３６が制御されるように図示されている。しかしながら、別のコントローラがウェッジ・エタロン３６用に使用されても良い。
【００３３】
外部共振器レーザ３４がグリッド・エタロン２４によって決定された異なる通信チャネルに同調される時、コントローラ３０はルックアップテーブル中の位置データに従って同調器４２に信号を送り、同調器４２はウェッジ・エタロン３６を正確な位置まで平行移動させるか、さもなければ調節し、光路２２中に位置するウェッジ・エタロン３６の位置における光学厚さによって、選択されたチャネルのための建設的干渉が得られるようになされる。同調器４２によってウェッジ・エタロン３６を正確・確実に位置調節するために、直線エンコーダ４４がウェッジ・エタロン３６および同調器４２に関して使用されてもよい。同調器３２によるグリッド・エタロン２４の正確な位置調節を保証するために、エンコーダ４６がグリッド・エタロン同調器３２に関してさらに含まれていても良い。
【００３４】
ウェッジ・エタロン３６は、光学上検知可能で、ウェッジ・エタロン３６が最長または最短のチャネル波長に位置決めされた際にウェッジ・エタロン３６の位置を確認するために用いられる不透明領域４８、５０を、ウェッジ・エタロン３６の両端に備えていても良い。不透明領域４８、５０によって、ウェッジ・エタロン３６の位置決めにおいて使用可能なエンコーダ・メカニズムが付加的に提供される。不透明領域４８、５０のいずれかが光路２２に進入するようにウェッジ・エタロン３６が位置決めされる時、不透明領域４８、５０は、光路に沿ってビームを遮断するか減衰させる。以下詳細される通り、この光の減衰は、光学的に検知可能であるか、ゲイン媒体１２の両端の電圧変調を監視することによって検知可能である。ウェッジ・エタロン３６上の不透明領域４８、５０の位置は正確に決定され得るので、コントローラ３０は不透明領域４８、５０が光路２２に何時進入するかを予想する事が出来る。予想されたポイント以外に光路２２中の不透明領域４８、５０が出現すると言う事は、エンコーダのエラーを表しており、また、コントローラ３０は、光路２２中の不透明領域４８、５０の検知された位置に基づいて、適切な補正を行う事が出来る。別の不透明領域（図示されない）が、ウェッジ・エタロン３６の任意の他の位置に更に含まれていても良い。
【００３５】
外部共振器レーザ３４の様々な光学コンポーネントの間の相対的なサイズ、形、および距離は、幾つかの例においては明瞭性を保つために誇張して示されている場合があり、必ずしも等縮尺であるとは限らない。外部共振器レーザ３４は、焦点を合わせる要素およびコリメーション要素、外部共振器レーザ３４の様々な要素に関連した偽フィードバックを除去するように構成される偏光光学系と言った追加の構成要素（図示されず）を備えても良い。
【００３６】
外部共振器レーザ３４のグリッド・エタロン２４、ウェッジ・エタロン３６、および裏面１８およびエンドミラー１４によって画定される外部共振器の通過帯域の関係の一例を示すグラフが図５に示され、図５は、外部共振器通過帯域ＰＢ１、グリッド・エタロン通過帯域ＰＢ２およびウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３を示す。相対ゲインが縦軸に、波長が横軸に示される。グリッド・エタロン通過帯域ＰＢ２は、例えば、図３に示される通信グリッドのうちの１つによって画定される通過帯域に相当して良い。図５は、典型的な０．５ナノメートル（ｎｍ）のグリッド間隔を示す。
【００３７】
図５から明らかなように、ウェッジ・エタロン３６の自由スペクトル領域（ＦＳＲ_{ＣｈａｎｎｅｌＳｅｌ}）は、グリッド・エタロン２４の自由スペクトル領域（ＦＳＲ_{ＧｒｉｄＧｅｎ}）より大きく、グリッド・エタロン２４の自由スペクトル領域（ＦＳＲ_{ＧｒｉｄＧｅｎ}）は、外部共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲ_{Ｃａｖｉｔｙ}）より大きい。外部共振器通過帯域ＰＢ１のピークは、グリッド・エタロン２４の波長グリッドによって画定された通過帯域ＰＢ２の中心波長と周期的に一致する。全ての波長グリッドの通過帯域ＰＢ２に渡って広がるウェッジ・エタロン３６の通過帯域ＰＢ３のピークは１つである。図５に示される特定の例において、グリッド・エタロン２４によって画定される波長グリッドは、０．５ｎｍ（６２ＧＨｚ）間隔で離間し、最短波長チャネルが１５３２ｎｍ、最長波長チャネルが１５６３．５ｎｍであって、６４個のチャネルに渡って延長している。この面間隔は、上記述されるようなグリッド・エタロン２４を同調することにより、本発明によって同調され得る。
【００３８】
グリッド・エタロン２４およびウェッジ・エタロン３６のフィネスは、隣接しているモードまたはチャネルの減衰を決定する。上述されたように、フィネスは、自由スペクトル領域を半値全幅で割った値と等しい。即ち、フィネス＝ＦＳＲ／ＦＷＨＭである。グリッド・エタロン通過帯域ＰＢ２の半値全幅が図５ｂに示され、ウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３の半値全幅が図５ｃに示される。外部共振器内においてグリッド・エタロン２４およびウェッジ・エタロン３６の位置を調節する事によって、サイドモード抑圧比が向上する。
【００３９】
１５４９．５ｎｍおよびそれに隣接する１５５０ｎｍに中心が合わせられたチャネル間におけるウェッジ・エタロン３６の通過帯域ＰＢ３の同調の例が、図６のグラフによって示される。また、グリッド・エタロン２４によって為されたチャネルの選択と、隣接するチャネルまたはモードの減衰も示されている。図５に示される外部共振器の通過帯域ＰＢ１は、明瞭性を保つために図６においては省略される。グリッド・エタロン２４は、グリッド・チャネル間隔に対応する外部共振器の周期的な縦モードを選択する一方で、隣接するモードは遮断する。ウェッジ・エタロン３６は、該波長グリッド中の特定のチャネルを選択し、他の全てのチャネルを遮断する。選択されたチャネルあるいはレーザ光線のモードは、チャネル間隔のプラスマイナス約半分の範囲のフィルタ・オフセットにより、１つの特定のチャネルに固定される。チャネルのオフセットがより大きい場合、レーザ光線のモードは隣接するチャネルへとジャンプする。
【００４０】
図６ａにおいて、ウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３は、１５４９．５ｎｍのグリッド・チャネルに合わせられている。１５４９．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインは高いが、その一方で隣接している１５４９．０ｎｍおよび１５５０．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインレベルは、選択された１５４９．５ｎｍのチャネルに比べて抑圧されている。１５５０．５ｎｍおよび１５４８．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関するゲインは一層抑圧されている。１点鎖線は、ウェッジ・エタロン３６によって抑圧されていない状態の通過帯域ＰＢ２の相対ゲインを示す。
【００４１】
図６ｂはウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３が、チャネル切り替えの最中に１５４９．５ｎｍおよび１５５０．０ｎｍのチャネルの間に位置する状態を示す。１５４９．５ｎｍおよび１５５０．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインは両方とも高く、どちらも抑制されていない。１５４９．０ｎｍおよび１５５０．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインのレベルは、１５４９．５ｎｍおよび１５５０．０ｎｍのチャネルに比べれば抑圧されている。１点鎖線は、ウェッジ・エタロン３６によって抑圧されていない状態の通過帯域ＰＢ２の相対ゲインを示す。
【００４２】
図６ｃは、ピークが１５５０．０ｎｍのグリッド・チャネルに合わせられているウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３を示し、１５５０．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインは高いが、その一方で隣接している１５４９．５ｎｍおよび１５５０．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインレベルは、選択された１５２０．０ｎｍのチャネルに比べて抑圧されており、１５５１．０ｎｍおよび１５４９．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関するゲインは更に抑圧されている。再び、１点鎖線は、ウェッジ・エタロン３６によって抑圧されていない状態の通過帯域ＰＢ２の相対ゲインを示す。
【００４３】
図５および図６に示される０．５ｎｍのグリッド間隔は、外部共振器レーザ３４で使用可能な通信グリッドの１つを示しているのに過ぎない。前述されたように、グリッド・エタロン２４は、通信グリッドを同調する為に、位置、熱、音響、光学、圧力、電圧調節のメカニズムあるいは他の制御メカニズムにより同調されて良い。０．２５ｎｍ間隔で離間している２つのポジションの間で通信グリッドを同調する事により、図示された公称０．５ｎｍのグリッドから０．２５ｎｍのグリッド間隔が達成され得る。偶数番目のチャネルから奇数番目のチャネルへの転移がある場合は常にグリッドの再同調が必要となる。他に選択されたグリッド間隔におけるウェッジ・エタロン３６による外部共振器レーザ３４の同調は、通常は上述されるのと同じ様態で行なわれる。
【００４４】
ここで図７を参照して、本発明における外部共振器レーザ装置５２の他の実施形態が示される。同様の参照番号は同様の部品を示すために用いられる。レーザ装置５２では、ゲイン媒体１２は電極５４、５６と共に示され、電極５４、５６は、駆動電流源５８からの電流をゲイン媒体１２の両端に供給するように位置している。ゲイン媒体１２の両端の電流レベルを選択的に制御可能にするために、駆動電流源５８がコントローラ３０に操作可能なように接続されて良い。電圧センサが電極５４、５６のうちの１つに操作可能なように接続され、レーザ運転中にゲイン媒体１２の両端の電圧変調を監視するように構成される。同様に、電圧センサ６０は、コントローラ３０に操作可能なように接続される。
【００４５】
外部共振器同調器６２は、コントローラ３０およびエンドミラー１４に操作可能なように接続される。同調器６２は、例えば、ゲイン媒体１２の出力面１８とエンドミラー１４との間の光共振器または経路長を制御するエンドミラー１４の位置を決定するように構成されたステッパーモータあるいは他の往復型アクチュエーターデバイスを備えても良い。エンドミラー１４の正確な位置決めを保証するために、エンコーダ６４が外部共振器同調器６２に関して含まれていても良い。あるいは、別のコントローラ（図示されない）が、外部共振器同調器６２を制御するために使用されても良い。
【００４６】
ある実施形態において、外部共振器同調器６２は、熱的に同調可能な補償器部材（図示されない）を備えても良く、熱的に同調可能な補償器部材は、コントローラ３０から熱的に同調可能な補償器部材に接続される熱電コントローラ（図示されない）までの光共振器調節信号に従って熱的な補償器部材を加熱または冷却する事により、エンドミラー１４の位置を決めるために構成される。外部共振器レーザ中のエンドミラーおよび他の光学コンポーネントを位置的に調節するための熱制御同調部材の使用もまた、２００１年３月２１日に出願された発明者アンドリュー・ダイバーによる米国特許出願番号第０９／８１４６４６号、および、これと平行して出願された、発明者マーク・ライス等による「外部共振器の能動的温度同調を伴うレーザ装置」という名称の米国特許出願番号第０９／９００４４３号に記載され、参照により本願に援用される。
【００４７】
レーザ装置５２の外部共振器光路長もまた、ゲイン媒体１２の位置調節、つまり、出力面１８がエンドミラー１４に対して移動する事によって同調されて良い。外部共振器の調節もまた、外部共振器内に存在して外部共振器に光学的に結合している電気光学部材（図示されない）の電圧調節によって達成されて良く、外部共振器の有効光学厚さ、および従って外部共振器の光路長を、電気光学部材の両端に選択的に電圧を印加する事によって制御させる事が出来る。外部共振器の同調のために電気光学部材を使用する事もまた、発明者ダイバー等による「ゲイン媒体の両端の電圧によるレーザ損失の評価および調節」という名称の米国特許出願番号第０９／９９０４２６号によって開示され、参照によって本願に援用される。
【００４８】
外部共振器レーザ装置５２の運転において、ゲイン媒体１２の両端の電圧は電圧センサ６０によって監視され、コントローラ３０に伝達される。グリッド・エタロン２４、ウェッジ・エタロン３６およびエンドミラーからの光学のフィードバックが出力面１６を経由してゲイン媒体へ導入されるので、グリッド・エタロン２４、ウェッジ・エタロン３６およびエンドミラーに関する光損失は、センサ６０によって監視されるのと同様に、ゲイン媒体１２の両端の電圧によって検知可能である。損失が生じる場合、誤差信号はコントローラ３０によって検知された電圧から導出され、誤差信号をヌル化するためのグリッド・エタロン２４、ウェッジ・エタロン３６またはエンドミラー１４の調節の必要に応じて、グリッド・ジェネレータ同調器３２、ウェッジ・エタロン同調器４２、および（または）外部共振器同調器６２に相応の補償信号を送信する。
【００４９】
ある実施形態において、周波数ディザの形を取る信号の変調が、エンドミラー１４に接続されるか、さもなければレーザ装置５２の外部共振器に関連するディザ部材（図示されず）によって、外部共振器レーザ装置５２へ導入される。信号の変調は、例えば、約２０ｋＨｚの周波数変調を含んで良く、エンドミラー１４に適切に接続された圧電、電気光学、または音響光学デバイスによって生成されて良い。この方式によるレーザ外部共振器の光路長の変調によって、外部共振器からのゲイン媒体１２へ光学のフィードバックにより電圧センサ６０によって検知し得る外部共振器レーザ装置５２の出力パワーにおける強度変化が生成される。これらの強度変化は、ウェッジ・エタロン３６およびグリッド・ジェネレータ２４によって画定された通過帯域の中心波長における外部共振器モードのアラインメントに応じて、その振幅およびフェーズエラーが異なるであろう。換言すれば、変調信号における強度変化および移相によって、外部共振器の損失を評価し、かつ外部共振器光路長の調節用の対応する誤差信号を生成するための有効な方法が提供される。従って、コントローラ３０は、周波数ディザによって導入された変調から誤差信号を導出し、コントローラ３０に補償信号を伝え、これに対応して、外部共振器同調器６２に命令を出し、エンドミラー１４の位置を決めることによって外部共振器が調節されるようにする。誤差信号の決定および外部共振器の調節に関して変調信号の強度変化およびフェーズエラーを使用することもまた、発明者ダイバー等による「ゲイン媒体の両端の電圧によるレーザ損失の評価および調節」という名称の米国特許出願番号第０９／９９０４２６号によって開示され、参照によって本願に援用される。
【００５０】
本発明は特定の実施例に関して記載された一方、本発明の真の精神と範囲から逸脱することなく、さまざまな修正がなされ得、均等物によって置換され得る事が当業者によって理解されるべきである。加えて、特定の状況、材料、組成物、プロセス、工程段階を、本発明の目的、精神および範囲に適応させるために、多くの変更が成され得る。この種の変更の全てが、添付の特許請求の範囲の範囲内であることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明における同調可能なグリッド・ジェネレータを備えた外部共振器レーザ装置の概略図である。
【図２】３つの選択可能な通信グリッドに対応する３つのグリッド・エタロンの３つの異なる位置を示す概略図である。
【図３】図２のグリッド・エタロンの位置に対応する３つの選択可能な通信グリッドを例示するグラフである。
【図４】本発明における他の実施形態の外部共振器レーザの概略図である。
【図５】波長グリッド中の選択されたチャネルに関してのウェッジ・エタロン、グリッド・エタロンおよび外部共振器に関する、図１に示される外部共振器レーザの通過帯域特性を示すグラフである。
【図６】波長グリッド中の複数のチャネルに関する、図１に示される外部共振器レーザの同調に対するゲインを示すグラフである。
【図７】他の実施形態における、同調可能なグリッド・ジェネレータを備える外部共振器レーザ装置の概略図である。

Claims

選択可能な通信グリッドに同調可能なグリッド・ジェネレータを備えるレーザ装置。
（ａ）第１および第２出力面を有し、前記第１出力面からコヒーレントなビームを光路に沿って放射するゲイン媒体と
（ｂ）前記第２出力面と共に外部共振器を画定するエンドミラーとを更に備える、請求項１に記載の装置。
前記グリッド・ジェネレータに操作可能なように接続され、前記選択可能な通信グリッドに前記グリッド・ジェネレータを調節するように構成される同調アセンブリを更に備える、請求項１に記載の装置。
前記外部共振器内に位置するチャネル・セレクタを更に備える、請求項２に記載の装置。
前記グリッド・ジェネレータが前記外部共振器内に位置する、請求項２に記載の装置。
前記グリッド・ジェネレータが、少なくとも２つの選択可能な通信グリッドに同調可能である、請求項１に記載の装置。
前記グリッド・ジェネレータがグリッド・エタロンを備える、請求項２に記載の装置。
（ａ）第１および第２出力面を有し、前記第１出力面からビームを光路に沿って放射するゲイン媒体と、
（ｂ）前記光路中に位置し、前記第２出力面と共に外部共振器を画定するエンドミラーと、
（ｃ）前記光路に関して位置するグリッド・ジェネレータと、
（ｄ）前記グリッド・ジェネレータに操作可能なように接続され、少なくとも２つの選択可能な通信グリッドに前記グリッド・ジェネレータを調節するように構成されるグリッド・ジェネレータ同調器とを備える、外部共振器レーザ装置。
前記グリッド・ジェネレータがグリッド・エタロンである、請求項８に記載の装置。
前記グリッド・エタロンが前記外部共振器内に位置する、請求項９に記載の装置。
前記グリッド・ジェネレータ同調器が、前記光路中において前記グリッド・エタロンを回転させて調節するように構成される、請求項９に記載の装置。
（ａ）前記光路中に位置するチャネル・セレクタと、
（ｂ）前記チャネル・セレクタに操作可能なように接続され、前記チャネル・セレクタを選択可能な透過波長へ同調するように構成されるチャネル・セレクタ同調器とを更に備え、
前記選択可能な透過波長が、前記選択可能な通信グリッド中の透過帯域に対応する、請求項８に記載の装置。
前記外部共振器に操作可能なように接続され、前記外部共振器の光路長を調節するように構成される外部共振器光路長同調器を更に備える、請求項７に記載の装置。
（ａ）選択可能な通信グリッドに同調可能なグリッド・ジェネレータと
（ｂ）選択可能な透過波長に同調可能なチャネル・セレクタと
を備え、
前記選択可能な透過波長が、前記選択可能な通信グリッド中の透過帯域に対応する、レーザ装置。
（ａ）第１および第２出力面を有し、前記第１出力面からビームを光路に沿って放射するゲイン媒体と、
（ｂ）前記光路中に位置し、前記第２出力面と共に外部共振器を画定するエンドミラーとを更に備え、
（ｃ）前記グリッド・ジェネレータおよび前記チャネル・セレクタが、前記光路に関して位置する請求項１４に記載の装置。
前記グリッド・ジェネレータに操作可能なように接続され、前記選択可能な通信グリッドに前記グリッド・ジェネレータを調節するように構成されるグリッド・ジェネレータ同調器を更に備える、請求項１５に記載の装置。
前記チャネル・セレクタに操作可能なように接続され、前記選択可能な透過波長に前記チャネル・セレクタを同調するように構成されるチャネル・セレクタ同調器を更に備える、請求項１６に記載の装置。
前記外部共振器に操作可能なように接続され、前記外部共振器の光路長を調節するように構成される外部共振器光路長同調器を更に備える、請求項１７に記載の装置。
レーザを操作する方法であって、前記レーザに関するグリッド・ジェネレータを、第１の選択可能な通信グリッドから第２の選択可能な通信グリッドまで同調するステップを備える、方法。
前記グリッド・ジェネレータがグリッド・エタロンである、請求項１９に記載の方法。
前記同調ステップが、前記グリッド・エタロンを回転して調節するステップを備える、請求項１９に記載の方法。
同調可能でコヒーレントな光出力を生成する方法であって、
（ａ）第１および第２出力面を有し、前記第１出力面からコヒーレントなビームを光路に沿って放射するゲイン媒体と、光路中に位置して前記第２出力面と共に外部共振器を画定するエンドミラーとを有する外部共振器レーザを提供するステップと、
（ｂ）前記光路に関してグリッド・ジェネレータの位置を決めるステップと、
（ｃ）第１の選択可能な通信グリッドから第２の選択可能な通信グリッドへ前記グリッド・ジェネレータを同調するステップとを備える、方法。
前記光路に関して位置するチャネル・セレクタを同調するステップを更に備える、請求項２２に記載の方法。
前記グリッド・ジェネレータがグリッド・エタロンを備える、請求項２２に記載の方法。
前記同調ステップが、前記グリッド・エタロンを回転して調節するステップを備える、請求項２４に記載の方法。
前記外部共振器の光路長を調節するステップを更に備える、請求項２２に記載の方法。
（ａ）通信グリッドを画定するためのグリッド・ジェネレータ手段と
（ｂ）第１の選択可能な通信グリッドから第２の選択可能な通信グリッドに前記グリッド・ジェネレータ手段を調節するための同調手段とを備える、レーザ装置。
選択可能な透過波長にレーザ出力を同調するためのチャネル・セレクタ手段を更に備え、
前記選択可能な透過波長が、前記選択可能な通信グリッドに対応する請求項２７に記載の装置。
外部レーザ共振器に操作可能なように接続され、前記外部レーザ共振器の光路長を調節するように構成される光路長同調手段を更に備える、請求項２７に記載の装置。