JP2008218591A

JP2008218591A - 光ファイバレーザ

Info

Publication number: JP2008218591A
Application number: JP2007052189A
Authority: JP
Inventors: Naoto Kuzumi; 直人來住; Kaoru Mori; 森　　薫; Motoharu Matsuura; 基晴松浦
Original assignee: University of Electro Communications NUC
Current assignee: University of Electro Communications NUC
Priority date: 2007-03-02
Filing date: 2007-03-02
Publication date: 2008-09-18

Abstract

【課題】本発明は、波長の異なる２つの半導体レーザを外部注入光として用いることで、発振周波数を制御することができる光ファイバレーザを提供する。

【解決手段】
本発明は、外部光源によって周波数制御が可能な光ファイバレーザにおいて、励起光の導光方向に対して逆方向に前記外部制御用光結合手段を介して複数の波長の異なる外部注入光を注入し、励起光と外部注入光を干渉させてなる発振光を出力結合手段を介して出力させることで、周波数安定度を向上させつつ、本来の光ファイバレーザの狭いスペクトル線幅を保持した発振出力を得ることができる。

【選択図】図１

Description

本発明は、外部注入光を用いた単一周波数リング形光ファイバレーザに関する。

単一周波数レーザ光源の特性の重要な指標として、発振周波数安定度とスペクトル線幅の二つがある。前者は発振周波数の変化(ドリフト)、後者は発振スペクトルに含まれる周波数雑音成分の周波数帯域を表し、周波数安定度がより高く、スペクトル線幅がより小さい光源が優れたレーザ光源とみなされる。

光通信及び光計測の分野においてこれらの要請を満たしうる光源の候補としては、半導体レーザと光ファイバレーザがあり、半導体レーザは周波数安定性及び制御性に優れ、光ファイバレーザは狭スペクトル線幅性に優れるため、互いに相補的関係にある。

そこで本発明の発明者らは、可飽和吸収体を挿入したエルビウム添加光ファイバリングレーザを構成し、可飽和吸収体中で発振光と干渉を起こすように外部光を逆方向から注入することによって可飽和吸収体が外部光周波数における狭帯域通過フィルタとして振舞うことに着目し発振周波数を制御する手法を提案した(非特許文献１)。

これにより、半導体レーザの周波数安定性及び制御性を有する、狭スペクトル線幅発振が可能な光ファイバレーザ、すなわち、半導体レーザと光ファイバレーザの両者の長所を併せ持つ光ファイバレーザ光源を実現した。

この「外部光制御形単一周波数光ファイバレーザ」においては、発振周波数は外部制御光のそれに追従するが、レーザ共振器内の波長可変フィルタを発振周波数の近傍に調整しておく必要がある（非特許文献２)。
Kishi and Yazaki, IEEE Photonics Technology letters, Vol.11, p.182,1999 Matsuura and Kishi, IEEE Journal of Selected Topics in QuantumElectronics,Vol.7, p.55, 2001

上述したように、光ファイバレーザ発振周波数を可変する場合は、外部制御光の発振周波数と波長可変フィルタを同期して可変する必要が生じるが、この２つの調整箇所を連動して操作し同期を取ることは困難であり、また操作が煩雑であるという問題がある。

しかるに、光波長多重通信システムにおける光信号源の周波数は連続して可変する必要はなく、ITU-T 勧告G.694.1 (http://www.itu.int/rec/T-REC-G.694.1-200206-I/en) のような、一定周波数間隔の離散的な周波数グリッドにおいて得られれば良い。

したがって、離散的な複数の周波数の中のひとつの所望の周波数を出力する光源が光波長多重通信においては必要となる。そのような光源の候補として、多波周波数グリッドに一致した多波長スペクトルを出力する「光周波数コム」を利用して、その中の所望のスペクトルの一本を選択する方法がある。

しかしながら、スペクトル間の周波数間隔が狭くなる場合には、一本のスペクトルのみを選択するために、極めて狭帯域かつ高い波長安定度を有する光フィルタが必要となる。

本発明は上記課題を鑑みてなされたもので、その目的は、ＷＤＭ伝送の波長間隔と同じ間隔をもった、波長の異なる２つの半導体レーザを外部注入光として用いることで、発振周波数を制御することができる光ファイバレーザを提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、外部注入光の波長間隔を０．２nm、０．４nm,０．８nmとしバンドパスフィルタを調整することにより、２つの外部注入光波長において発振周波数安定性が良好な状態を得ることができる光ファイバレーザを提供することにある。

請求項１記載の本発明は、励起光を注入するための励起光用光結合手段と、コアに希土類元素を添加してなる利得媒質で構成される光ファイバ増幅手段と、外部注入光を注入するための外部制御用光結合手段と、前記励起光の発振周波数を粗調する波長可変フィルタと、前記励起光を単一方向にのみ導光する光アイソレータと、コアに希土類元素を添加してなる光ファイバで構成される光ファイバ可飽和吸収体と、発振光を外部に出力するための出力用結合手段をリング状に接続してなるリング状の光ファイバレーザであって、
前記励起光の導光方向に対して逆方向となるように、前記外部制御用光結合手段を介して複数の波長の異なる外部注入光を注入し、当該励起光と外部注入光が干渉してなる発振光を前記出力結合手段から出力させることを特徴とする。

本発明は、自由発振状態の単一周波数リング形光ファイバレーザに単一周波数の外部注入光を入射することで、アラン分散値を７１３ＭＨｚ^２から４．９９ＭＨｚ^２に改善し、且つ、外部光のパワーを増加することで発振周波数安定性の向上と発振周波数制御範囲の拡大が実現する光ファイバレーザ及びその発振周波数制御方法を提供することができる。

また、本発明は、２つの異なる外部注入光の波長差が０．２nm、０．４nm,０．８nmの場合には外部光のパワーに関わらず、アラン分散値を４０ＭＨｚ^２以下に改善することができる光ファイバレーザ及びその発振周波数制御方法を提供することができる。

以下に実施の形態をあげて本発明を説明するが、本発明が以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。図中、同一の機能及び用途を有するものについては同様の符号を付して説明を省略する。

まず本発明の第１の特徴は、外部光源によって周波数制御が可能な光ファイバレーザにおいて、スペクトル線幅は大きいが周波数安定度の高い外部光を光ファイバレーザに注入することで外部光に周波数同期した発振を可能とし周波数安定度を向上させつつ、本来の光ファイバレーザの狭いスペクトル線幅を保持した発振出力を得る点にある。

また本発明の第２の特徴は、この光ファイバレーザに対して複数波長の外部光を用いることによって、外部光のいずれかの所望の周波数に同期させることを可能とする点にある。

図１は、本発明の単一周波数リング形光ファイバレーザ１（以下、単に光ファイバレーザ１と称す。）の構成を示す図である。

この光ファイバレーザ１は、利得媒質であるエルビウム添加光ファイバ増幅器２と、外部制御光入射用の外部制御光結合器３と、発振周波数の粗調のための波長可変フィルタ４と、一方向発振のための光アイソレータ５と、可飽和吸収体としてのエルビウム添加光ファイバから構成されるエルビウム添加光ファイバ可飽和吸収体６と、出力結合用の出力結合器７と、励起光を注入するための励起光用光結合器８とで構成されており、これら機能部をリング状に接続してなるリング部を備えている。

従来の手法では単一の外部光を用いて周波数制御を行っていたが、本発明においては周波数の異なる２つの外部光を用いる。外部制御光とレーザ発振光は、可飽和吸収体中を互いに逆方向に伝搬し、これらの間の干渉によって、可飽和吸収体の吸収損失が外部光の周波数の極めて近傍のみで低下するため、系内の帯域通過フィルタの透過特性を外部光の周波数において強調する働きをする。

その結果、帯域通過フィルタを外部光の周波数ｆ_１とｆ_２のいずれかの周波数付近に設定することで、光ファイバレーザ１は、設定された外部光の周波数において発振する。さらに、従来の系と同様に、光ファイバレーザの周波数安定度は外部光よりも僅かに劣る程度まで向上し、スペクトル線幅は外部光よりも十分狭い光ファイバレーザ固有の値とすることが可能である。

なお、本発明では、光ファイバレーザ１に進行波型共振器を採用している。そのため波長１４８０ｎｍの励起光注入によってエルビウム添加ファイバ増幅器２で増幅された発振光はリング部を時計回りに周回し、共振器長が１５ｍ以上と長いことから発振周波数安定性は悪いがスペクトル線幅の狭い発振光が出力される。

この光ファイバレーザ１においては、共振器長が長いことから発振光の縦モード間隔が狭く、多モード発振やモードホッピングが容易になり発振周波数が劣化することが予想される。

そこで外部注入光としてスペクトル線幅は広いが発振周波数安定性の良い半導体レーザをλ1 とλ2 の波長として入射する。またλ1 とλ2 の波長間隔はWDM 通信で用いられる波長チャンネルの間隔と等しくする。すると光ファイバレーザ１に入射された外部注入光は発振光と反対の経路、つまり反時計回りに進行し、可飽和吸収体であるEDF を通過した後、光アイソレータによって遮断される。尚、実験系内のバンドパスフィルタは発振光の波長を決定するために使用し透過帯域は０．６ｎｍである。偏波制御器は発振光と外部注入光の偏波状態を一致させ、後述する吸収の空間的ホールバーニング効果を誘発するために挿入されている。

ここで、外部注入光を用いた発振周波数安定化の原理を示す。発振光の波長λlと外部注入光の波長λe の差(離調)
が大きい場合、可飽和吸収体６内に定常波が形成されないので、発振光と外部注入光は一定の吸収を受ける。

一方、離調が大きい場合、可飽和吸収体６において発振光と外部注入光が干渉し、定常波が形成される。空間的に形成された定常波の光強度が強い部分では可飽和吸収体６のエルビウムの基準が基底状態から高い状態に遷移するため吸収係数が減衰する。光強度が弱いところでは、吸収の減衰は起こらない。つまり、定常波の強度の弱い部分は吸収を受けるが、強度の強い部分は吸収を受けにくくなる。これらにより可飽和吸収体６における発振光の吸収は全体的に弱くなる。

以上のことから、可飽和吸収体６は外部注入光と同じ波長λe の光を透過する波長フィルタの役割をすることが分かる。ここで共振器全体の損失を考えると、波長λe の光波に対しての損失が最小となるため、発振光のモードは最も発振しやすい波長λe にて発振する。つまり、離調が少なく定常波が形成され吸収の空間的ホールバーニング効果が発生する時は、発振光の波長は外部注入光の波長λe にシフトする。よって、外部注入光の発振周波数安定性が高い事も考慮すると、外部注入光による発振光の波長制御および発振周波数安定性の向上が可能となる。

比較例として図2の外部注入光がない場合の単一周波数リング形光ファイバレーザの出力特性を示す。本特性を測定するために実験では自由発振波長はバンドパスフィルタの調整により設定するようにした。図２から分かるように、発振波長が大きくなるにつれ変換効率が高くなること、すなわち発振しきい値が下がることが確認できた。

次に図３を用いて遅延自己ヘテロダイン法を用いた発振光のスペクトルを示す。ここでは波長１５６０．３０ｎｍ、出力パワー２．９９ｍＷの発振光を採用し、局発光には１５．０ＭＨｚの変調を施している。半値全幅が３．４ｋＨｚであることから、実験で用いた単一周波数リング形光ファイバレーザの発振スペクトル線幅は１．７ｋＨｚ程度であると推定される。

続いて、単一波長外部注入光入射時の発振特性について説明する。発振光の周波数ドリフトを測定の最初の６分間は外部注入光を入射せず、６分間経った後に外部注入光を入射するという条件で測定した。図４にこの測定結果を示す。このとき発振光の発振波長は１５５０．０２ｎｍ、パワーは１．２０９ｍＷ、外部注入光の波長は１５５０．０２ｎｍ、パワーは８ｄＢｍとした。同図に示すように、外部注入光が入射されると同時に発振周波数安定性が向上していることが確認できる。

また発振周波数の安定性を定量的に扱うことのできるアラン分散値を導入する。このアラン分散値は式（１）から導出することができる
ｆ[ｎ]は時間ｎにおける発振周波数、τはサンプリング間隔、N はサンプリング数を示している。アラン分散値を導入することにより、先の図４のグラフの自由発振時のアラン分散値は７１３ＭＨｚ^２、発振波長との離調がゼロに等しい外部注入光を入射した時のアラン分散値は４．９９ＭＨｚ^２となる。なお、アラン分散値がより低い場合に発振周波数安定度はより高くなる。

自由発振光に対して微小な波長だけ離調した外部光を入射すると、発振光波長は外部光波長に追従し、かつ周波数安定度が高くなる。図５にこの自由発振光に対する外部光波長の離調の関数としたアラン分散値を示す。ここで外部光パワーは２ｄＢｍ〜８ｄＢｍとしている。

発振光の条件は図４と同様である。外部注入光パワーの増大により、発振光と外部注入光の干渉が強くなり、アラン分散値が下がり発振周波数安定性が改善されること、また発振周波数の安定する離調の範囲が大きくなることが示された。また、外部注入光パワーが−２ｄＢｍを下回ると、発振光の波長が外部注入光の波長に追従する現象が確認できなくなった。

次に異なる２波長の外部注入光入射時の発振特性について説明する。波長１５４６．９５ｎｍと波長１５４７．７５ｎｍの外部注入光を入射し、発振波長を１５４７．７５ｎｍに設定した場合のアラン分散値を図６（Ａ）（Ｂ）に示す。外部光の波長間隔は０．８ｎｍである。ここでは、発振光と同じ波長の外部注入光を制御光とし、もう一方の外部注入光を非制御光とした。図６では非制御光のパワーに関わらず、発振周波数は安定していることが分かる。発振光を短波長側の外部注入光と同じ波長に設定した場合と、外部注入光の波長間隔を０．２ｎｍ、０．４ｎｍに設定した場合で、同様の測定を行ったが、発振光の周波数安定性は制御光のパワーさえ強ければ、非制御光のパワーに左右されることなく、安定していることを確認している。

また、波長１５４７．３０ｎｍと波長１５４７．４０ｎｍの外部注入光を入射し、発振波長を１５４７．３０ｎｍに設定した場合のアラン分散値を図７に示した。このように外部注入光の波長間隔が０．１ｎｍと狭く、発振波長を短波長側に設定することで、非制御光のパワーの増大につれて発振周波数安定性が劣化することが確認できた。

図８は、発振光の波長を可変した場合のアラン分散値である。外部注入光の波長はそれぞれ波長１５４７．００ｎｍと波長１５４７．２０ｎｍで、パワーはいずれも５．５ｄＢｍに設定し、発振光の励起パワーはしきい値に近い値を採用している。発振光と外部注入光の離調が小さい時、干渉により発振光が外部注入光の波長に追従し、離調が大きい時に比べて発振周波数安定性が飛躍的に向上している。したがって、ファイバレーザは外部光のいずれかの波長において周波数安定度の高い発振を行うことが分かる。

すなわち、２つの外部光の周波数間隔を２５ＧＨｚ(波長間隔０．２ｎｍ) とした場合に、系内の帯域通過フィルタの可変によって、２つの外部光と一致した周波数近傍において発振周波数安定度が向上することが確認できた。これは外部光のいずれかの周波数において周波数同期が達成されており、上述のような外部光のいずれかの周波数における周波数安定化が実現されていることを意味する。なお、図８に示すように、周波数間隔が１２．５ＧＨｚ(波長間隔０．１ｎｍ) の場合には、周波数制御が不可能であった。このような周波数制御性の可否は、外部光の周波数間隔のみならず、系内の帯域通過フィルタの帯域にも関連する。ここでは帯域０．６ｎｍのフィルタを用いていたが、外部光の周波数間隔が狭い場合には、より狭帯域のフィルタを用いれば、波数間隔１２．５ＧＨｚの場合においても周波数制御が可能である。

また、図9 に、２つの外部注入光の波長間隔(周波数グリッドと同様) の大きさと、発振光の波長を外部注入光の短波長側と長波長側に設定した場合のアラン分散値との関係を示す。外部注入光は波長１５４７．３５ｎｍを中心とし、波長間隔が周波数グリッドと同じ０．１ｎｍ、０．２ｎｍ、０．４ｎｍ、０．８ｎｍになるよう短波長側と長波長側の波長を決定し、共に５．５ｄＢｍのパワーを注入している。発振光は外部注入光と同じ波長、発振パワーはしきい値より少し大きい程度とした。

その結果、外部注入光の波長間隔が０．１ｎｍで、発振光が短波長側の外部注入光に制御されている場合のみに不安定になることが分かるが、外部注入光間隔が０．１ｎｍで発振光が長波長側に制御された時、および、外部注入光の波長間隔が０．２ｎｍ、０．４ｎｍ、０．８ｎｍの全ての条件において、自由発振時に比べて発振周波数安定性が向上していることが示された。

このように本発明は、注入された複数の外部光の１つのスペクトルにおいて狭線幅のレーザ発振が可能とすることができる。これは、複数のスペクトルの中の所望のひとつのスペクトルを選択する手段として利用可能である。例えば、光波長多重通信の周波数グリッドと一致する多周波数スペクトルが用意されている場合に、その中の所望の１つの周波数スペクトルを選択することが可能となる。これを本発明を用いずに行うためには狭帯域波長可変フィルタを用いれば良い。しかしながらそのようなフィルタにおいて高波長安定度と狭帯域性・波長可変性を全て満たすことは極めて困難であるため、本発明が有効となる。

具体的には図１０のように、１つの周波数標準１１などを用いて、その周波数に対して、所望の周波数の整数倍の差を持つ周波数安定化光源の実現にも応用可能である。光周波数標準の周波数ｆ0の光を、周波数間隔ｆmの周波数スペクトル(周波数コム) を生成する周波数コム発生器１２に入射し、得られた周波数コムを本発明の外部制御光として利用する。これにより光周波数コムの１つのスペクトルでレーザ発振を起こすことで、周波数ｆ_０+ｎｆ_ｍ（ｎは整数) の光源を得られ、離散的な周波数における発振が可能な「離散的周波数可変光源」が実現できる。

以上のようなことから、単一周波数リング形光ファイバレーザにおいて、２つの波長の外部注入光の系への入射による発振周波数制御法を提案し、その特性を評価した結果、２つの外部注入光の波長差が０．２ｎｍ、０．４ｎｍ、０．８ｎｍの場合は、発振光と波長が異なる方の光源のパワーに関わらず、発振周波数は安定することが確認できた。また、２つの外部注入光の波長差が０．１ｎｍの場合は、発振光の波長を短波長側の外部注入光に調整した時のみに発振周波数の安定を確認できなかった。使用した外部注入光が発振光より０．１ｎｍ程長波長側でも干渉を起こすことが原因として考えられる。

本発明の実施の形態に係る単一周波数リング形光ファイバレーザの構成図である。発振光の出力特性を示すグラフである。遅延自己ヘテロダイン法による発振スペクトルを示す図である。外部注入光の入射と発振光の周波数ドリフトの関係を示す図である。離調とアラン分散値を示す図である。アラン分散値の外部注入光を2 波長で入射した時の外部光パワー依存を示す図である。アラン分散値の、外部注入光を2 波長で入射した時の外部光パワー依存を示す図である。波長が0.2nm 離れた2 つの外部注入光を入射している時の発振波長（Ａ）とアラン分散値（Ｂ）の関係を示す図である。外部注入光波長間隔(周波数グリッド) とアラン分散値を示す図である。周波数標準と光周波数コム発生器を併用した離散的周波数可変光源の構成一例を示す図である。

符号の説明

１光ファイバレーザ
２エルビウム添加光ファイバ増幅器
３外部制御光結合器
４波長可変フィルタ
５光アイソレータ
６エルビウム添加光ファイバ可飽和吸収体
７出力結合器
８励起光用結合器
１１周波数標準器
１２光周波数コム発生器

Claims

励起光を注入するための励起光用光結合手段と、コアに希土類元素を添加してなる利得媒質で構成される光ファイバ増幅手段と、外部注入光を注入するための外部制御用光結合手段と、前記励起光の発振周波数を粗調する波長可変フィルタと、前記励起光を単一方向にのみ導光する光アイソレータと、コアに希土類元素を添加してなる光ファイバで構成される光ファイバ可飽和吸収体と、発振光を外部に出力するための出力用結合手段をリング状に接続してなるリング状の光ファイバレーザであって、
前記励起光の導光方向に対して逆方向に前記外部制御用光結合手段を介して複数の波長の異なる外部注入光を注入し、当該励起光と外部注入光を干渉させてなる発振光を前記出力結合手段を介して出力させることを特徴とする光ファイバレーザ。