JP2007042798A - パルスレーザーの共振器モニタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超短ファイバーレーザーの生産性向上と、故障の防止。
【解決手段】ファイバーレーザーシステムは、少なくとも利得ファイバーと、出力結合ミラーと、可飽和吸収体ミラーとを有するレーザー共振器を備えている。フォトセンサーは、レーザーシステムの性能をモニタするために可飽和吸収体ミラーを通過するもれ光を検出する。可飽和吸収体ミラーは、一方の側にモノリシックに形成されたブラッグ反射体をもつ半導体可飽和吸収体を含むことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パルスレーザーの性能パラメータを検出するモニタ装置に関する。特に、本発明は、可飽和吸収体変調器をもつファイバーレーザー共振器のためのものである。

最小限の構成要素で小型にパッケージされたレーザー共振器は、多数の有利な点をもつ。それは、レーザーの小型が、例えば、小型装置に集積するための重要な利点となり、広い応用市場を誘発するのに役立つ。また、小型であることは、機械的な不安定性を減らし、固体レーザーが許容できる以上の幅広い機械的変動があっても安定に動作できることを可能にする。さらに、システムの複合的な故障速度が下がり、そのようなレーザーシステムの生産性を高めることにもつながる。

レーザー技術の分野における一つのチャレンジ的な仕事は、超短パルスレーザーを工業生産の領域に持っていくことである。ファイバーレーザーの一つの有利な点は、通信グレードのファイバー光素子で環境変動に対して安定であることであり、それは、工業生産に適している。受動モードロックファイバーレーザーは、その目的に最も適したコンセプトである。

基本的に、受動モードロックファイバーレーザーは、基本素子である適当な光活性ドーパントでドープされたファイバー、受動変調器、分散管理デバイス、共振器光を取り出すデバイス、光ポンピングデバイス、利得ファイバーにポンプ光を結合するデバイス、を最低限必要とする。

しかしながら、実際は、付加的な素子が通常必要である（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１に詳述されているように、ファラデー回転子、偏光子、波長板、及び利得ファイバーとポンプレーザーとの間のアイソレータ、が典型的な付加的素子である。さらに、変調器と出力結合ミラーに集光光学系とコリメート光学系がそれぞれ必須である。

利得媒質に、最も広く使用される活性ドーパントは、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、或いはＹｂであり、波長に依存する。ソリトンレーザーでは、ファイバー自身が適当な長さを選ぶことで分散管理デバイスのように働く。フェムト秒パルス発生のために、集光レンズとコリメートレンズを備えた可飽和吸収体ミラーが利得ファイバーの一端部で共振器ミラーとして通常使用される。ファイバーの端部には、共振器から光を取り出すためにコリメートレンズを備えた出力結合ミラーが備えられている。ポンピングデバイスは、通常ファイバーピッグテール付きの半導体レーザーである。ポンプ光は、波長領域マルチプレクサで利得ファイバーに結合される。共振器からの高強度モードロックパルスに対してポンプデバイスを保護するために、結合器とポンプデバイスとの間に光アイソレータを必要とする。変調器の場合、半導体可飽和吸収体が、これまで最も実用的なデバイスであることがわかった。（例えば、特許文献２参照）。半導体可飽和吸収体を使用する数値発振器デザインが公開された（例えば、特許文献３〜６参照）。動作条件の環境に対する安定性は、可飽和吸収体とファイバー光学系の組み合わせで明らかに改善されることが示された（例えば、特許文献６参照）。

最近開示された発明で、多数の構成要素を明確に減らすことが実証された（例えば、特許文献６参照）。この開示で、チャープファイバーブラッグ格子が分散管理と出力結合ミラーの両方のために使用された。付加的な結合光学系は全く必要ない。同じ開示で、波長分割マルチプレクサでの多層２色ミラーをもつポンプ結合器が、ポンプデバイスの十分な光アイソレーションを与え、このことは、分離した光アイソレータをもたらすことを示している。偏光保持ファイバーの使用は、偏光子と波長板を不要とする。別の開示に、出力結合として可飽和吸収体ミラーを通してレーザーパルスを取り出し、ファイバーの端部に高反射率のミラーを配置することが提案された（例えば、特許文献７参照）。

特許文献４、及びそこに参照された文献に提案されているように、電圧印加垂直共振器面放射レーザー構造に埋め込まれた可飽和吸収体が、共振器パルスで生成される光電流をモニタするのに使用することが可能である。しかしながら、この方法は、電気的にアクティブな半導体デバイスを作製しなければならないという不必要な複雑さをまねく。そのようなデザインは、可飽和吸収体の機能には必要がない電子接合特性が鍵である電圧印加層を必要とする。さらに、１０メガヘルツから１００メガヘルツまでのパルス列を分解するためにサイズを１ｍｍ２以下にしなければならないことは、吸収体を共振器内に組み込むことを困難にする。

これまでの文献は、超短ファイバーレーザーで発生されたパルス繰り返し周波数を検出する方法も開示している。すなわち、出力結合器としても使用された２方向偏光ビームスプリッタの出力結合光を測定するフォトダイオード電流を印加することを記載している（例えば、特許文献８参照）。この方法は、これまでの文献で提案されたように、共振器が波長板や偏光ビームスプリッタのような付加的要素で作られている場合のみ実行可能である（特許文献1参照）。ファイバーレーザーのための広く実現されている方法は、共振器の外にファイバーカップラーを付加することを含む。ファイバーカップラーは、ファイバー中を伝播する光をメインルートから一部分離したり、ファイバー中に光を導入したりするデバイスである。そのカップラーは、通常ファイバーピッグテールを備えた状態でパッケージされているので、そのデバイスは、他のシステムファイバーと融着が可能である。ここで、付加的要素が欠点であるのみならず、余分なファイバーピッグテール長さも不利な点である。どのような付加的なファイバー分散も、数百フェムト秒の超短パルスを伝える際には問題となる。広いスペクトル幅（＞１０ｎｍ）のフェムト秒パルス伝達のためにファイバー分散を完全に補償することは、かなりのチャレンジであるということがレーザー研究者の中でよく知られている。しかしながら、ＵＳ６，５７０，８９２は、パルス列を検出するためにこのタイプの付加的な外部カップラーを使用することの実用的な案として記載している（特許文献９参照）。

各要素に集積された機能を増やすことは、超短レーザーの生産性向上の要求を満たすための望まれるキーコンセプトである。構成要素の数を減らすこのアプローチの有利な点は、レーザーが応用システムに実装される場合より一層重要になる。そのようなシステムの複雑さにより、システムと応用に経済的に損害をまねく故障を防ぐため、動作中に共振器性能がモニタされる必要がある。増幅用の種レーザーは、一例である。モードロックの故障は、増幅器に破滅的な損傷をもたらす。
米国特許第５，６８９，５１９号明細書 米国特許第４，８６０，２９６号明細書 米国特許第５，００７，０５９号明細書 米国特許第６，２５２，８９２号明細書 米国特許第６，５３８，２９８号明細書 米国特許出願公開第１０／６２７０６９号明細書 米国特許第５，６６６，３７３号明細書 米国特許第５，７７８，０１６号明細書 米国特許第６，５７０，８９２号明細書

半導体可飽和吸収体がＥｒドープファイバーレーザーの受動モード動作に使用される。その吸収体層が、利得ファイバーの一端部に位置する共振器ミラーの機能を与え、誘電体ミラー、金属ミラー、或いは半導体ブラッグ反射デバイスのような反射デバイスを兼ねる。そのミラーデバイスの透過率を、共振器の外へ光を漏れさせるために調整される。その漏れ光は、レーザー性能をモニタするために排他的に使用される。レーザー応用のための共振器光の取り出しは、利得ファイバーの端部に位置する他の共振器ミラーで行われる。また、部分反射ミラー、或いはファイバーブラッグ格子がその出力結合に使用される。モニタの目的は、レーザーパルスの繰り返し周波数、パワーレベル、及びモードロック或いはＱスイッチ動作かの確認である。本発明は、一つのパッケージの中に可飽和吸収体とフォトセンサーを集積化する方法をも開示している。

理想的なレーザーとして、一つ或いは複数のレーザーダイオードでポンプされる線形ファイバー共振器がある。そのレーザーは、Ｅｒ及び、或いはＹｂドープ利得ファイバーと、部分反射ミラーとファイバーブラッグ格子の何れかを備える出力結合デバイスと、反射デバイスを備える可飽和吸収体変調器と、を有する。共振器の外へのレーザーパルスの取出しは、出力結合ミラーで行われる。そのような出力ミラーの透過率は、一般に１０％以上である。ファイバー中の高い利得は、数パーセントの割合が普通の固体レーザーに比べ、相対的に高い透過割合を必要とする。理想的な可飽和吸収体は、ＩｎＰ系半導体で作られる。Ｅｒドープファイバーの場合、ＩｎＰ基板に成長したＩｎＧａＡｓバルク層が好ましい。しかしながら、量子井戸吸収体も適合する。反射デバイス（１０２）は、吸収体層（１０１）の下に取り付けられる。通常、反射防止皮膜である誘電体皮膜（１０３）は、その吸収体層の上に堆積される。

図２の概略の可飽和吸収体パッケージは、光路を示している。このパッケージは、利得ファイバーの一端部に取り付けられ、変調器の機能をもつ。利得ファイバー２０１から出る光は、角度付きフェルール（２０２）に入射され、その後コリメーションレンズ（２０３）でコリメートされ、集光レンズ（２０５）で可飽和吸収体（２０６）に集光される。光の偏光を維持するために、オプションの偏光子（２０４）を、コリメートされた光路中に用いることができる。可飽和吸収体と反射体デバイスを通しての、可飽和吸収体に入射する光パワーの１０−３オーダの漏れ光が、フォトセンサー（２０８）に入射する。吸収体としての同じウエハーに半導体ブラッグ反射体をモノリシックに成長させることができることにより、反射デバイスにとっても望まれる。半導体ブラッグ反射体のモノリシックな成長では、異なる屈折率をもつ二つの半導体層が周期的に成長させることが可能である。吸収体に堆積された誘電体ミラーが反射体にとって別の選択性をもつ。

ヒートシンク（図示せず）を前記可飽和吸収体の上で、僅かな漏れ光の光路中に設けても良い。その場合、そのヒートシンクには、漏れ光がフォトセンサーに通りぬけて到達するための穴があけられているべきである。

フォトセンサーは、高感度のフォトダイオードが好ましい。感度＞０．９Ａ／Ｗは、容易に達成可能であり、マイクロワットもない漏れ光がモニタ目的にとっては十分である。通常ミリワットの１０倍あるファイバーレーザーの共振器内パワーを考えると、吸収体とミラーデバイスを１０−３以下通過する透過率を必要とする。この透過率は、半導体ブラッグ反射体或いは誘電体皮膜で容易に実現できる。層の厚さ、及びブラッグ反射体層、或いは誘電体皮膜層の材料組成を完全に制御することは極めて困難である。しかしながら、１０−３より多くの光透過或いは反射の皮膜デザインを精度良く行うことは、工業レベルでは容易でない。すなわち、通常の工業グレードの成膜、或いは成長層での反射体デバイスを通してのこのオーダの漏れ光は、常にあるので、このデザインパラメータは、容易に満たされる。

図３に示すように、ウエハー基板上に形成されたブラッグ反射体を備える可飽和吸収体は、フォトダイオードのパッケージに直接取り付けられる。ＩｎＰウエハー基板は、１．５５μｍ（Ｅｒドープファイバーの放出線）に対して透明である。共振器内の光が吸収体の上に集光されるので、ミラーデバイスを直接出て行くビームサイズは、確実に０．５ｍｍ以下である。フォトセンサーのためとしては、どのような集光レンズも追加する必要がない。浜松フォトニクスの金属ＴＯ−１８パッケージ中のＩｎＧａＡｓフォトダイオード（モデルＧ８３７６−０３）が使われる。このパッケージは、透明な光学窓（３０１）をもち、吸収体(２０６)が透明な糊を使ってその窓に直接取り付けられる。光パワーが非常に低いので、糊に対する光損傷が問題にならない。そのような光学的に透明なエポキシは、例えば、ノーランド（Ｎｏｒｌａｎｄ）から入手できる。この形状は、パッケージを非常に単純にし、且つコストを有効にする。

図４は、ファイバーレーザーシステムへの本発明の典型的な実施を示す。利得ファイバー（２０１）は、ＹｂかＥｒがドープされたファイバーである。利得ファイバーは、ポンプ結合器（４０２)を備えた９８０ｎｍのポンプダイオード（４０３）でポンプされる。共振器の外に光を取り出すために、ファイバーブラッグ格子（４０１)が使われる。可飽和吸収体チップ入り可飽和吸収体パッケージ（２０９）は、浜松フォトダイオード（３０２）のＴＯカン窓上に取り付けられる。そのフォトダイオードは、電極(３０３)を通して印加される。その電極(３０３)は、レーザーパルスで発生される光電流をモニタ回路に供給もする。その光電流は電圧に変換され電子増幅器(４０４)で増幅される。パルス列の情報を運ぶ増幅された光電流信号は、周波数カウンタ(４０５)に入力される。

図５は、図３に示すようにパッケージされたフォトダイオードで測定されたパルス列を示す。フォトダイオードは、レーザーの二つのパラメータを検出する。その第一は、パルス強度である。そのモニタしたパルス強度の一つの用途は、適当なフィードバックループでポンプダイオード電流を調節することでレーザー出力を一定レベルに保持することである。この応用は、温度や機械振動のような環境変動下での安定なモードロック動作をも提供する。このやり方において、温度による利得ダイナミックスの変化は、共振器の安定なモードロックを保つように補償される。第二の検出出力パラメータは、モードロックパルス列の繰返し周波数である。よく定義化された周波数検出は、レーザーのモードロック動作の明確な指標である。レーザーがｃｗ動作、或いはＱスイッチの存在する中にモードロックが存在するモードロックＱスイッチモードであるならば、パルス周波数が全然検出されないか、或いは、検出された周波数は、よく定義されていなく且つ不安定である。さらに、検出された周波数は、クロックとして使用できる。増幅システムにとって、そのクロックは、高パルスエネルギー増幅におけるパルス繰返し周波数を減らすために使用される光変調器の参照周波数を与える。

可飽和吸収体の模範的な構造を示す図である。吸収層(１０１)の下の反射層(１０２)は、共振器ミラーになり、そこでの漏れ光がミラー構造の中を通過する。誘電体皮膜(１０３)が吸収層の上に堆積されている。 パッケージ（２０９）の中のフォトセンサーに集積された可飽和吸収体のブロック図である。角度付き研磨されたファイバーフェルール(２０２)を通して利得ファイバー(２０１)から出射される光は、コリメートレンズ(２０３)でコリメートされる。オプションの偏光素子(２０４)の後、その光は、集光レンズ(２０５)で可飽和吸収体（２０６）に集光される。可飽和吸収体(２０６)は、台(２０７)に固定されている。可飽和吸収体を通過した光は、フォトセンサー(２０８)に入射する。 可飽和吸収体（２０６）とフォトセンサー（２０８）のパッケージの模範的な実施を示す図である。可飽和吸収体は、"カン"タイプの半導体フォトダイオード（３０２）の透明窓（３０１）に直接固定されている。数字３０３は、フォトダイオードの電極を示す。 ファイバーレーザーシステムに集積されたモニタを備える可飽和吸収体の模範的な実施を示す図である。そのファイバーレーザーシステムは、利得ファイバー(２０１)、ファイバーフェルール(２０２)、出力結合器のためのファイバーブラッグ格子(４０１)、ポンプ結合器(４０２)、ポンプレーザー（４０３）、及び電極(３０３)をもつ集積されたフォトダイオード(３０２)を備える可飽和吸収体パッケージ（２０９）を有する。電気増幅器(４０４)は、光電流の形の信号を増幅し、増幅された信号中のパルス列の周波数が周波数カウンタ（４０５）で測定される。 フォトダイオードで検出されたパルス列を示す図である。そのグラフは、前置増幅器を経由してフォトダイオードにオッシロスコープを接続して記録された。そのデータは、パルス列とパルスの振幅（光強度）を示す。

Claims (13)

1. 少なくとも一つの利得ファイバー、出力結合ミラー、及び可飽和吸収体ミラーを有するレーザー共振器と、
   前記可飽和吸収体ミラーを通過してくる漏れ光を検出するフォトセンサーと、を備えるファイバーレーザーシステムであって、
   前記フォトセンサー、及び前記漏れ光が前記レーザーシステムの性能をモニタするために排他的に使用されることを特徴とするファイバーレーザーシステム。
2. 前記可飽和吸収体ミラーは、一方の側にモノリシックに形成されたブラッグ反射体をもつ半導体可飽和吸収体を備える集積ユニットであることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザーシステム。
3. 前記可飽和吸収体ミラーは、一方の側に誘電性、或い部分的金属性反射体をもつ半導体可飽和吸収体を備えることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザーシステム。
4. 前記フォトセンサーは、光の入射端部に窓をもち、該窓が前記可飽和吸収体ミラーの反対側に直接固定されていることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザーシステム。
5. 光強度レベル、共振器内パルス繰り返し周波数、及びパルス変調周期、の少なくとも一つを検出して、共振器内パワーレベル、連続モードロックキングモード、及びＱスイッチングモード、の少なくとも一つをモニタする前記フォトセンサーに接続されれるモニタ用電子ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザーシステム。
6. 前記可飽和吸収体ミラーと前記フォトセンサーとの間に集光デバイスが配設されることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザーシステム。
7. 前記可飽和吸収体ミラーには、前記フォトセンサーに漏れ光を通過させる開口をもつヒートシンクが取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザーシステム。
8. 前記可飽和吸収体ミラーと前記フォトセンサーとは、一つの一元化パッケージを形成することを特徴とする請求項１に記載のファイバーレーザーシステム。
9. 集積化可飽和吸収体とミラーとを少なくとも含む変調ユニットと、
   前記可飽和吸収体とミラーとを通過する光を検出するために前記変調ユニットに光学的に結合するフォトセンサーと、
   を備えることを特徴とする光変調装置。
10. 集積化可飽和吸収体とミラーとを少なくとも含む変調ユニットと、
    前記可飽和吸収体とミラーとを通過する光を検出するために前記変調ユニットに光学的に結合するフォトセンサーと、
    を備え、前記光が前記可飽和吸収体とミラーとを通過して強度が約３桁減少することを特徴とする光変調装置。
11. 可飽和吸収体と終端ミラーとを少なくとも含む変調ユニットと、
    前記可飽和吸収体とミラーとを通過する光を検出するために前記変調ユニットに光学的に結合するフォトセンサーと、
    を備えることを特徴とするレーザーシステム用共振器終端ユニット。
12. 可飽和吸収体とミラーとを少なくとも含む変調ユニットと、
    前記可飽和吸収体とミラーとを通過する漏れ光を検出するために前記変調ユニットに光学的に結合する光検出ユニットと、
    を備えることを特徴とするレーザーシステム診断装置。
13. 前記変調ユニットは、前記レーザーの共振器終端を一つ備えることを特徴とする請求項１２に記載のレーザーシステム診断装置。

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