JP2005064519A - 外部空洞レーザシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】 レーザシステムにおいて後方反射された光を少なくする。
【解決手段】 レーザ空洞140と、光をレーザ空洞140に供給する光源210と、前記光をレーザ空洞140内でフィルタリングする、レーザ空洞140内にあるインライン光学フィルタ106、206と、レーザ空洞140内の後方反射または戻り反射された光を抑制しながら、レーザ空洞140内で光が共振できるようにする、レーザ空洞140内にある反射抑制装置104、204とを含んでなる外部空洞レーザシステムを提供する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、一般にレーザに関し、より具体的には、レーザ空洞内の光反射抑制に関する。
光技術は、最近の電話通信システムの重要な一部である。光技術ツールセットは、レーザなどの光波源を含む。レーザは、典型的には、動作するためにゲイン媒体と適切な電磁空洞とを必要とする。簡単なレーザは、2つの部分反射ミラーを含む。部分反射ミラーは光の一部を反射し、一部を透過する。レーザ空洞内のミラーのうち1つは全反射ミラーでありうる。ゲイン媒体とミラーとは、共にレーザ空洞として知られるものを形成する。レーザ空洞は、ゲイン媒体の光ゲインよりも少ない光損失と適切なスペクトル反応とを有し、所望の波長で振動を促進するように設計される。
レーザを微調整して波長を調節する技術が開発されている。この技術は、回折格子とインラインフィルタとの使用を含む。回折格子は、レーザ空洞内にある所与の波長帯の光を選択的に反射するように機械的に調節される。回折格子は、所望の波長帯の外に過剰な量の後方反射(back-reflected)された光を導入せずに広い微調整範囲を提供する。逸れた反射がフィルタリングされた光から得られる所望のフィードバックと干渉する可能性があるので、後方反射あるいは戻り反射された光は望ましくない。外部空洞レーザ内で回折格子を使用する1つの欠点は、回折格子が比較的大きいことである。他方、インラインファブリー−ペローフィルタなどのインラインフィルタは、小さな構造ではあるが、典型的には、レーザ空洞内に過剰な量の後方反射された光を生じさせる原因となる。
本発明によれば、外部空洞レーザシステムは、レーザ空洞内で後方反射された光を効率的に抑制しながら光が共振できるようにするインライン光学フィルタと反射抑制装置とを含む。反射抑制装置は、空洞内の光を偏光する偏光器と、偏光器が後方反射された光を抑制するように偏光された光の偏光状態を回転する偏光回転装置とを含みうる。後方反射された光が抑制されるので、インラインフィルタの使用も可能になる。したがって、比較的大きな回折格子ではなくファブリーペローフィルタなどのコンパクトなインラインフィルタを外部空洞レーザ内に組み込むことができる。
本明細書中、同様な要素を識別するために同様な参照番号を使用する。
説明のために図面に示されるように、本発明は、外部空洞レーザ内で反射された光を抑制することを含む。抑制される光は、レーザの所望の動作周波数とは異なる選択的な周波数である。本発明の注目すべき実施形態は、レーザ空洞がインライン光学フィルタを含み、光がインライン光学フィルタから後方反射されたときに生じる、外れた空洞反射を抑制するために教示される方法である。
図1は、本発明による外部空洞レーザシステム100の一実施形態の構成図である。図1は、システム100が、レーザ空洞内で後方反射された光を抑制しながらレーザ空洞内で光が共振できるようにする方法を示すことを意図したものである。システム100は、反射抑制装置104と、インライン光学フィルタ106と、第1のミラー110と、第2のミラー112とを含む。
反射抑制装置104は、後方反射された光を抑制しながら他の光を通過させる。反射抑制装置104は、多くの異なる構成を有することがある。たとえば、反射抑制装置104は、1以上の偏光器と多数の偏光回転装置とを含みうる。偏光回転装置は、4分の1波長板回転装置、2分の1波長板回転装置、ファラデー回転装置、または、他の偏光回転装置などを含みうる。1以上の偏光回転装置は、一方向性でありうる。偏光器と偏光回転装置とは、後方反射された光が、後方反射された光の偏光状態が光を偏光させるために使用される偏光器に対して直交するようにいくつかの偏光回転装置を通過するような位置に配置される。同時に、所望の周波数の光は、光の偏光状態が偏光器に対して平行であるように回転された偏光状態を有するべきである。
インライン光学フィルタ106は、所望の周波数ではない光をフィルタリングして除去し、光を所望の周波数で共振させる。任意のいくつかのインラインフィルタ装置を使用できる。レーザ空洞の出力は典型的には狭周波数帯域なので、高分解能のフィルタが好ましい。インライン光学フィルタ106は、光動作周波数(すなわち、インライン光学フィルタ106がフィルタリングして除去しない周波数)を調節できるように微調整可能でありうる。インラインフィルタの例としては、光を入力として受け取り、光をフィルタリングし、フィルタリングされた所望の周波数帯の光を出力として提供する、ファブリー−ペロー(FP)フィルタと、FP干渉計と、光共振器と、その他の装置とを含む。光共振器は、装置に入射した光が共振条件を満足した時にその光を効率的に透過する装置を含む。共振条件は、典型的には、光共振器の空洞内の定常波の条件である。光共振器を含むインライン光学フィルタを使用する場合には、システム100は、典型的には、アウトオブラインスペクトル浄化器を使用したときよりも小さい。本発明に適切なインラインフィルタのタイプの例は、Axsun Technologies社またはNortel Networks社が製造する自由空間MEMsファブリー−ペローフィルタである。
第1のミラー110は、部分反射ミラーまたは全反射ミラーでありうる。第2のミラー112は部分反射ミラーであり、図1ではシステム100から出力された光は第2のミラー112からの太い矢印122として示されている。第1のミラー110と第2のミラー112とは、レーザ空洞140を共に画定する。レーザ空洞は、関連づけられたゲイン媒体(図示せず)を有する。レーザ空洞140内で共振する光を、楕円ループ120で示す。インライン光学フィルタ106がレーザ空洞140内で共振する光をフィルタリングするので、今後、楕円ループ120をフィルタリングされた光120と呼ぶ。インライン光学フィルタ106から後方反射された光は、破線の矢印130(今後、後方反射された光130と呼ぶ)で示す。
システム100は、後方反射された光130を抑制しながら、フィルタリングされた光がレーザ空洞140内で共振できるように動作する。光は、光源(図示せず)からレーザ空洞140内へと導入される。光源は、半導体光増幅器などの内部源または外部源でありうる。レーザ空洞140内に導入された光は、反射抑制装置104を通過してインライン光学フィルタ106に達する。インライン光学フィルタ106は、光をフィルタリングされた光120にフィルタリングする。光の一部は後方反射され、今後後方反射された光130と呼ぶ。後方反射された光130は、反射抑制装置104に反射され、ここで抑制される。他方、フィルタリングされた光120は、インライン光学フィルタ106の反対側の反射抑制装置104を通過し、第2のミラー112で反射される。フィルタリングされた光120は、反射抑制装置104を介して通過するが抑制されない。一実施形態では、反射抑制装置104は、フィルタリングされた光120が正しい偏光状態を有し、後方反射された光130が正しい偏光状態を有しないようにすることによって、この機能を行う。例としての反射抑制装置を、図2Aを参照して説明する。この説明は、例としてこの機能を明確にするためのものである。
図2Aは、本発明による外部空洞微調整可能レーザシステム200の一実施形態の構成図である。図2Aは、システム100(図1)の具体的な実施形態である。システム200は、光増幅器202と、反射抑制装置204と、FPフィルタ206と、固定ミラー210と、シータミラー212とを含む。反射抑制装置204は、偏光器214と、第1のファラデー回転装置216と、第2のファラデー回転装置218とを含む。システム200への入力は、光増幅器202へのゲイン入力と、FPフィルタ206へのラムダ入力と、シータミラー212へのシータ入力とを含む。システム200の出力は光出力222である。後方反射された光230は破線230として表される。図2Aでは、フィルタリングされた光120(図1)などのフィルタリングされた光を表す楕円形のループは、図が乱雑になるのを避けるために省略されている。
光増幅器202は、レーザ空洞に光を提供する例としての源である。一実施形態では、光増幅器202は、2つ以上の面を有する半導体光増幅器(semiconductor optical amplifier:以下、「SOA」とよぶ)である。SOAの1つの面は第1のミラー210であり、SOAの別の面(反射抑制装置204に対向する面)は反射防止コーティングされている。システム200の出力パワーは、光増幅器202へのゲイン入力の量に一部依存する。一実施形態では、ゲイン入力は注入電流である。光増幅器202は、ゲイン入力からの注入電流によって調節される約1.55ミクロンの光ゲインを提供する。図2Aの実施形態では、光増幅器202光出力は、反射抑制装置204へと向けられる。
偏光器214は、光増幅器202からの光を偏光する。一実施形態では、偏光器214の透過軸は、光増幅器の好ましい偏光軸、すなわち、光増幅器内で最大のゲインを示す偏光軸と並ぶ。
ファラデー回転装置216は、偏光器214から偏光された光を受信し、偏光された光の偏光状態を45°回転する。そして、光は、反射抑制装置204を通過しFPフィルタ206に達する。
FPフィルタ206は所望の周波数でない光をフィルタリングして除去する。一実施形態では、FPフィルタ206は、マイクロエレクトロメカニカル(MEM)装置である。この装置の通過域周波数または波長は、電気端子に電圧を印加することにより微調整することができる。FPフィルタ206は、フィルタ機能を介してサイドモード低減を提供し、これは約1GHzなどMEMs FPフィルタとしては比較的狭い。これは、大きな光回折格子を空洞フィルタリング素子として使用するコンパクトな外部空洞レーザと比較すると、すぐれたサイドモード抑制レベルを提供することができる。
所望の周波数(たとえばFPフィルタ206の中心周波数)は、FPフィルタ206にラムダ入力を使用することで設定する。言い換えれば、FPフィルタ206は、システム200に関する光動作周波数を確立するように微調整可能である。(シータミラー212を参照して後から説明するように、動作周波数は、シータミラー212とFPフィルタ206との設定の組み合わせにより選択できることに注意されたい。)フィルタの中心周波数を有する光は、FPフィルタ206を選択的に通過する。しかし、入射光の一部は後方反射される。後方反射された光230は、望ましくない周波数である傾向があり、フィルタリングされた光から得られる所望のフィードバックと干渉する可能性がある。後方反射された光230は、反射抑制装置204に反射して戻される。
ファラデー回転装置216は、後方反射された光230の偏光状態を回転する。ファラデー回転装置216は一方向偏光回転装置である。言い換えれば、ファラデー回転装置216を通過する光の偏光状態は、第1の面または第2の面を介して光がファラデー回転装置216に入射したかにかかわらず、毎回同じ方向に回転される。したがって、この点では、後方反射された光230は、偏光器214のアライメントから90°それた偏光状態を有する。後方反射された光230は偏光器214の透過軸に対して直交しているので、後方反射された光230が偏光器214に達すると、後方反射された光230は抑制される。
FPフィルタ206を通過するフィルタリングされた光は、FPフィルタ206の反対側でファラデー回転装置218に到達し、ここでフィルタリングされた光の偏光状態がさらに45°回転され、反射抑制装置204を通過してシータミラー212に達する。
シータミラー212は、光出力222として光が通過する部分反射ミラーである。シータミラー212を部分反射ミラーとして作成する利点は、光増幅器202からの自然放射がインラインフィルタ206によってフィルタリングできることである。この結果、光のパワーが弱くても、光源は、インラインフィルタを挟まずに固定ミラー210の出力を使用した場合よりも清浄になる。
FPフィルタ206の第2の面からの反射が、ミラー212からの所望の反射との間で意図せずに光干渉を起こす場合、図2Bに示すように、偏光器220を回転装置218とミラー212の間で反射抑制装置204に組み込むことができる。この場合、偏光器220は偏光器214の透過軸に直交する透過軸を有しなければならない。偏光器214が、第1の方向でインラインフィルタ206から反射された後方反射された光230を抑制する方法と同様な方法により、偏光器220は第2の方向でインラインフィルタ206から反射された後方反射された光240を抑制する。どちらの場合でも、偏光器214および220の向きを微調整し、ファラデー回転装置216および218の小さなエラーを補償し、望ましくない反射を最大に抑制することができる。
システム200では、シータミラー212は、シータ入力と、シータミラー212を作動させる関連づけられた機械的な原動力とを有する調節可能ミラーである。代替の実施形態では、シータミラー212を作動させる機械的な原動力は、MEMsデジタルステッパモータである。機械的な原動力により、シータミラーは、シータ入力にしたがって調節され、レーザ空洞の位相を制御する。したがって、適切なシータ入力を提供することにより、システム200を微調整することができる。
システム200がモードホッピングレーザとして機能するとき、注入電流を介した光増幅器202のゲインとFPフィルタ206のフィルタ中心周波数との2つの制御が可能である。連続的に微調整するために、シータミラー212と関連づけられた機械的な原動力はシータミラー212を平行移動して空洞フリンジ数を一定に保持する。フリンジ数はモード数(N0)とも呼ばれ、3.4mmの空洞長(L0)と1.5ミクロンの波長または周波数(λ0)とにより動作するレーザとして図示されるように、空洞の大きさから推定できる。ここでは屈折率を1と仮定していることに注意されたい。実際の屈折率は、レーザ空洞を構成する実際の材料と構成要素の長さにしたがって変わる。
0=L0/λ0=2300
連続的な微調整のために、レーザ周波数(λ0)の減少または増加にしたがってモード数(N0)を維持するために、空洞長(L0)は伸びたり縮んだりしなければならない。このためには次の条件が適用される。
(L0+ΔL)/(λ0+Δλ)=N0
または、
0+ΔL=N0λ0+ΔλN0
この結果、
ΔL=ΔλN0となる。
200nmの微調整範囲については、ミラーはほぼ次式の通りに並進する必要がある。
ΔL=0.2×2300=460μm
図3は、本発明による外部空洞レーザ内の例としての光路を説明するフローチャート300である。光路は、光がレーザ空洞に提供され再び戻る位置で往復している。光が出力されるかまたは後方反射され抑制されると、フローチャート300は終了する。
フローチャート300は、ステップ302では光をレーザ空洞に提供することで開始し、ステップ304では反射抑制装置に光を通過させ、ステップ306ではインラインフィルタで光を受信する。一実施形態において、ステップ304では、光が偏光され偏光された光の偏光状態が45°回転される。決定ポイント308では、光がインラインフィルタで後方反射されたかどうかを決定する。後方反射された場合(308−Y)には、後方反射された光はステップ310で反射抑制装置を通過し、後方反射された光はステップ312で抑制され、フローチャート300が終了する。一実施形態において、ステップ310では後方反射された光の偏光状態は45°回転され、ステップ312では後方反射された光はその偏光状態のために抑制される。
光が後方反射されない場合(308−N)には、フローチャート300において、ステップ314では光を2回目に反射抑制装置を通過させ、ステップ316では第1のミラーで光を受信する。一実施形態では、ステップ314では光の偏光状態は45°回転される。決定ポイント318では、光が第1のミラーを通過した場合には、光はレーザ出力となりフローチャート300が終了する。光が第1のミラーから跳ね返ってきた場合には、光はステップ324では3回目に反射抑制装置を通過する。光はステップ326では2回目にインラインフィルタを通過する。光はステップ328では4回目に反射抑制装置を通過する。ステップ330では光が提供された場所を光は通過する。ステップ332では光は第2のミラーで受信され、ステップ334では第2のミラーから跳ね返り、ここで、光はレーザ空洞内に提供された位置からの往復運動を終了する。一実施形態において、ステップ324では、光の偏光状態は45°回転され、ステップ328では光の偏光状態はさらに45°回転されて光は偏光される。この実施形態では、光の偏光状態によって光が偏光器を通過できるため、光はステップ328では抑制されない。そして、フローチャート300はステップ302に続く。
図4と図5と図6とは、本発明による空洞内光反射抑制の例としての方法を示すフローチャートである。図4は、レーザ空洞を介して光を通過させる方法のフローチャート400Aを示す。フローチャート400Aは、ステップ402ではレーザ空洞内に光を提供し、ステップ404では光をフィルタリングし、ステップ406では後方反射された光を抑制しながら、フィルタリングされた光をレーザ空洞内で共振できるようにすることを含む。図5は、ステップ406において後方反射された光を抑制する例としての方法のフローチャート400Bを示す。図6は、ステップ406においてフィルタリングされた光の抑制を避ける例としての方法を示すフローチャート400Cである。
フローチャート400Bは、ステップ412の光の偏光により開始し、ステップ414では光の偏光状態を第1の偏光状態に回転し、ステップ416では後方反射された光の偏光状態を第2の偏光状態に回転し、ステップ418では後方反射された光の偏光状態によりこの後方反射された光を抑制する。一実施形態において、ステップ418では、第2の偏光状態が偏光器のアライメントに対して垂直であるため、偏光器は後方反射された光を抑制する。
フローチャート400Cは、ステップ420の光の偏光により開始し、ステップ422では光の偏光状態を第1の偏光状態に回転し、ステップ424ではインラインで光をフィルタリングし、ステップ426では、フィルタリングされた光の偏光状態がその偏光状態のために抑制されないように偏光状態を回転する。一実施形態において、ステップ426では、光の偏光状態は、光の偏光状態が偏光器のアライメントに対して平行になるまで回転される。フィルタリングされた光の偏光状態が偏光器のアライメントに対して平行であるため、偏光器はフィルタリングされた光を通過させることができる。
したがって、図4と図5と図6とは、後方反射された光を抑制しながら、フィルタリングされた光をレーザ空洞内で共振させる例としての方法を示している。上記のすべての方法ステップを行う必要はなく、これらのステップを上記の順序で行う必要もないことを理解されたい。
レーザ空洞という用語は、2つのミラーと1つのゲイン媒体とを含むレーザ空洞を含むものとして広く定義する。レーザ空洞という用語は、ゲイン媒体と、コヒーレント光ビームを出力する機能を有する他の構成要素も含みうる。(一部のレーザ空洞内のミラーのうちの1つである)シータミラーは、シータ入力にしたがって、機械的に調節可能なミラー、機械的に調節可能なものに固定されたミラー、または、機械的または別の方法で調節可能な他のミラーを含むものとして広く定義される。レーザ空洞の1以上のミラーは、部分反射ミラーでありうる。
光源という用語は、透過、増幅、生成、または、その他の方法により光を提供することのできる、光増幅器、リピータ、光源、光ファイバ、発光ダイオード、別の装置、もしくは上記の装置、または別の装置の任意の組み合わせを含むものとして幅広く定義される。
反射抑制装置という用語は、インライン光学フィルタから後方反射された光を抑制しながら、後方反射されなかった光をチャンバ内で共振させる機能を有する任意の装置または任意の装置の組み合わせを含むものとして幅広く定義される。装置の組み合わせの例は、光が偏光器を通過したときから光が再び偏光器を通過するまで、180°の倍数だけ光の偏光状態を共に回転させる偏光回転装置の任意の組み合わせと偏光器との組み合わせである。後方反射された光はすべての偏光回転装置を通過するわけではないので、後方反射された光の偏光状態は、光が偏光器を通過したときから後方反射された光が偏光器を通過するまで、180°の倍数ではない値となる。本明細書では、後方反射された光という用語は、レーザ空洞のミラーから反射された光とは後方に、インラインフィルタから反射された光をさす。
本発明の特定の実施形態を説明して図示したが、本発明は本明細書に説明して図示した部分の特定の形態または構成に限定されるものではない。本発明は、請求項によってのみ限定される。
本発明による外部空洞レーザシステムの1実施形態の構成図である。 AおよびBは、本発明による外部空洞微調整可能レーザシステムの1実施形態の構成図である。 本発明による外部空洞レーザ内の例としての光路を示すフローチャートである。 本発明による空洞内の光反射抑制のための方法を示すフローチャートである。 本発明による空洞内の光反射抑制のための方法を示すフローチャートである。 本発明による空洞内の光反射抑制のための方法を示すフローチャートである。
符号の説明
100 外部空洞レーザシステム
104 反射抑制装置
106 インライン光学フィルタ
110 第1のミラー
112 第2のミラー
120 フィルタリングされた光
122 システム100から出力された光
130 後方反射された光
140 レーザ空洞
200 外部空洞微調整可能レーザシステム
202 光増幅器
204 反射抑制装置
206 FPフィルタ
210 固定ミラー
212 シータミラー
214 偏光器
216 第1のファラデー回転装置
218 第2のファラデー回転装置
220 偏光器
222 光出力
230 後方反射された光
240 後方反射された光

Claims (10)

  1. レーザ空洞と、
    光を前記レーザ空洞に供給する光源と、
    前記光を前記レーザ空洞内でフィルタリングする、前記レーザ空洞内にあるインライン光学フィルタと、
    前記レーザ空洞内の後方反射された光を抑制しながら、前記レーザ空洞内で光が共振できるようにする、前記レーザ空洞内にある反射抑制装置と
    を含んでなる外部空洞レーザシステム。
  2. 前記インライン光学フィルタは、ファブリー−ペローフィルタである請求項1に記載のシステム。
  3. 前記反射抑制装置は、
    前記レーザ空洞内にあり、前記レーザ空洞内で光を偏光する偏光器と、
    前記偏光器が後方反射された光を抑制するように前記光の偏光状態を回転させる、前記レーザ空洞内にある偏光回転装置と
    を含む請求項1に記載のシステム。
  4. 前記偏光器は、前記インライン光学フィルタから第1の方向に後方反射された光を抑制する第1の偏光器であり、前記インライン光学フィルタから第2の方向で後方反射された光を抑制する第2の偏光器をさらに含む請求項3に記載のシステム。
  5. 前記偏光器を通過して前記第1の偏光回転装置で回転され後方反射された光が、再び前記第1の偏光回転装置で回転され、前記偏光器で抑制される、前記第1の偏光回転装置に入射した光の偏光状態を45°回転させる第1の偏光回転装置を前記偏光回転装置が含む請求項3に記載のシステム。
  6. 前記レーザ空洞が、
    固定ミラーと、
    前記光源および前記反射抑制装置が、前記固定ミラーとシータミラーとの間になるように前記固定ミラーに対向して配置されるシータミラーと
    を含み、
    レーザ出力が前記シータミラーを介するものである請求項1に記載のシステム。
  7. レーザ空洞内に光を供給するステップと、
    該光をフィルタリングするステップと、
    後方反射された光を抑制しながら、該フィルタリングされた光を前記レーザ空洞内で共振させるステップと
    を含んでなる、外部空洞レーザを動作させる方法。
  8. 光を偏光するステップと、
    該光の偏光状態を第1の偏光状態に回転するステップと
    をさらに含む請求項7に記載の方法。
  9. 前記抑制するステップが、
    後方反射された光の偏光状態を第2の偏光状態に回転することと、
    該後方反射された光の偏光状態に応答して該後方反射された光を抑制することと
    をさらに含む請求項8に記載の方法。
  10. 光をインラインでフィルタリングするステップと、
    前記フィルタリングされた光が、前記フィルタリングされた光の偏光状態のために抑制されることのないように、前記フィルタリングされた光の偏光状態を回転するステップと
    をさらに含む請求項9に記載の方法。

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