JP2009245994A - 光ファイバー型モードロックレーザー及び光ファイバー型モードロックレーザーのモードロック制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度の電気信号発生器や同期回路を必要とせずにモードロックを実現する技術を提供すること。
【解決手段】レーザー共振器内部に発生している連続波の光や種パルス及び光パルスを変調する変調器１７と、変調器１７により変調された光から種パルスを生成する変調器１７（又は変調器１７及び分散制御部１５）と、偏波保持光ファイバー２０と、光増幅器１１と、種パルスを分散制御する分散制御部１５と、種パルスからパルス幅の短い光パルスを生成する可飽和吸収部１５と、連続波の光や種パルスの光強度を検出するＰＤ２２と、変調器１７に印加する電気信号を発生するＶＣＯ２４と、ＰＤ２２により検出された種パルスの光強度に基づいて、電気信号を制御し、変調器１７の繰り返し周波数とレーザー共振器の共振周波数とを同期させ、光パルスを生成させ、当該生成された光パルスを確認して変調器１７の動作を停止させる制御部２３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバー型モードロックレーザー及び光ファイバー型モードロックレーザーのモードロック制御方法に関する

従来から、計測用光源（例えば、顕微鏡の多光子励起用光源、長さ測定用の光源）として、ピコ秒、フェムト秒の短パルスの光を出力する光ファイバー型モードロックレーザーが用いられている。

光ファイバー型モードロックレーザーでは、安定に短パルスを発生させることが要求される。安定に短パルスを発生させる技術としては、能動モードロック方法と受動モードロック方法とが知られている。能動モードロック方法は、変調器を用いてレーザー発振の種となる種パルスを成長させて短パルスを発生させる技術である。受動モードロック方法は、変調器を用いず、光の非線形応答を利用して短パルスを発生させる技術である。
上述したモードロック方法により安定に短パルスを発生させる技術としては、例えば、特許文献１〜３の技術が知られている。
特開平５−２８３７７１号公報 特表平１０−５０４６５９号公報 特表２００１−５０６０１６号公報

しかしながら、従来のモードロック方法では、変調器を駆動する高精度の電気信号発生器やその同期回路を必要としていた。
例えば、能動モードロック方法では、変調器により光パルスを成長させる機構のため、変調器の繰り返し周波数をレーザーの共振器周波数に高精度に同期させる必要がある。また、能動モードロック方法では、モードロック開始後についても、変調器の繰り返し周波数を高精度に維持させる必要がある。
このため、ピエゾ素子などを利用してレーザーの共振器長を微妙に調整し、共振器周波数を変調器の繰り返し周波数に同期させる技術を用いていた。また、共振器周波数を周波数モニターでモニターし、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）により変調器にフィードバックすることで、変調器の繰り返し周波数を共振器周波数に同期させる技術を用いていた。これらの技術を用いる場合、変調器を駆動する高精度の周波数分解能を有する電気信号発生器やその同期回路（周波数モニター、ＰＬＬ等）が必要であった。
一方、受動モードロック方法では、光学カー効果や非線形偏波回転などの光学非線形成を用いる。この方法では、モードロックを開始するために強度変調器や位相変調器などの種パルスを生成する機構が必要な場合が多い。特に、ファイバー型で非線形偏波回転を利用するモードロックレーザーでは、安定にモードロック動作を行うために、強度変調器や位相変調器を用いて能動的に種パルスの生成を行い続ける必要がある。このため、高精度の同期回路が必要であった。
すなわち、高精度の電気信号発生器や同期回路を必要とせずにモードロックを実現させる要請があった。

本発明の目的は、高精度の電気信号発生器や同期回路を必要とせずにモードロック開始する技術を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る光ファイバー型モードロックレーザーは、
レーザー共振器を構成する光ファイバー型モードロックレーザーにおいて、
前記レーザー共振器内部に発生している連続波の光を変調する変調器と、
前記変調器により変調された光から種パルスを生成する生成部と、
前記連続波の光及び種パルスを通過させる偏波保持光ファイバーと、
前記連続波の光及び種パルスを増幅する光増幅部と、
前記連続波の光及び種パルスを分散制御する分散制御部と、
前記連続波の光及び種パルスの光強度の弱い成分を減衰させる可飽和吸収部と、
前記連続波の光及び種パルスの光強度を検出する検出器と、
前記変調器に印加する電気信号を発生する電気信号発生器と、
前記検出器により検出された種パルスの光強度に基づいて、前記電気信号を制御し、前記変調器の繰り返し周波数と前記レーザー共振器の共振周波数とを同期させ、前記光パルスを生成させ、当該生成された光パルスを確認して前記変調器の動作を停止させる制御部と、
を備えて構成されている。

好ましくは、前記制御部は、前記検出部により検出された光強度に基づいて、前記光パルスの生成を確認することを特徴とする。
好ましくは、前記制御部は、前記電気信号をＦＭ変調させることを特徴とする。

また、レーザー共振器を構成する光ファイバ型モードロックレーザーのモードロック制御方法において、
前記レーザー共振器内部に発生している連続波の光を変調器により変調する工程と、
前記変調器により変調された光から種パルスを生成部により生成する工程と、
前記連続波の光及び種パルスを偏波保持光ファイバーにより通過させる工程と、
前記連続波の光及び種パルスを光増幅部により増幅する工程と、
前記連続波の光及び種パルスを分散制御部により分散制御する工程と、
前記連続波の光及び種パルスの光強度の弱い成分を減衰させる可飽和吸収部により生成する工程と、
前記連続波の光及び種パルスの光強度を検出器により検出する工程と、
前記変調器に印加する電気信号電気信号発生器により発生する工程と、
前記検出器により検出された種パルスの光強度に基づいて、前記電気信号を制御し、前記変調器の繰り返し周波数と前記レーザー共振器の共振周波数とを同期させ、前記光パルスを生成させ、当該生成された光パルスを確認して前記変調器の動作を停止させる制御工程と、
を含む。

好ましくは、前記制御工程は、前記検出部により検出された光強度に基づいて、前記光パルスの生成を確認することを特徴とする。
好ましくは、前記制御工程は、前記電気信号をＦＭ変調させることを特徴とする。

本発明によれば、高精度の電気信号発生器や同期回路を必要とせずにモードロックを実現する技術を提供することができる。

以下、添付図面を参照して本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。

図１〜図３を参照して本発明に係る実施の形態を説明する。先ず、図１を参照して本実施の形態の光ファイバー型モードロックレーザー１の構成を説明する。光ファイバー型モードロックレーザー１は、光増幅部１１と、光アイソレータ１２と、光アッテネータ１３と、光フィルタ１４と、分散制御部１５と、過飽和吸収部１６と、変調器１７と、タップカプラ１８と、アウトプットカプラ１９と、偏波保持光ファイバー２０と、制御回路２１と、を備えて構成される。過飽和吸収部１６及び変調器１７は、モードロッカー部１６１を構成する。また、図１に示すの各部の構成により光ファイバー型モードロックレーザー１のレーザー共振器が構成される。また、図１の各部の順序は任意に変更可能とする。

光増幅部１１は、偏波保持エルビウム添加ファイバー１１Ａにより構成される。
偏波保持エルビウム添加ファイバー１１Ａは、連続波の光及び種パルスを増幅する。また、偏波保持エルビウム添加ファイバー１１Ａは、モードロックが開始された後は、光パルスを増幅する。連続波の光とはモードロック発振開始前におけるレーザー共振器内部に発生する光スペクトル（例えば、１５５８．２nmにピーク構造を持つスペクトル）のことをいう。種パルスとは、短パルス光を生成するための種となる光パルスのことをいう。光パルスとは、種パルスから生成された短パルス光のことをいう。モードロックとは、短パルス光である光パルスを生成することをいう。以下、モードロックが開始されるまでのパルスを種パルス、モードロック開始後のパルスを光パルスと定義する。

光アイソレータ１２は、特定方向のみ種パルスを通す。また、光アイソレータ１２は、モードロックが開始された後は、特定方向のみ光パルスを通す。

光アッテネータ１３は、種パルスを適切な信号レベルに減衰させる。また、光アッテネータ１３は、モードロックが開始された後は、光パルスを通す。

光フィルタ１４は、種パルスのある特定方向の偏波面を持つ光だけを取り出す。また、光フィルタ１４は、モードロックが開始された後は、光パルスのある特定方向の偏波面を持つ光だけを取り出す。

分散制御部１５は、連続波の光及び種パルスに分散を与え、種パルスのパルス幅の圧縮を行う。また、分散制御部１５は、種パルスを生成するため位相変調された連続波の光から分散を補償し種パルスを生成する。また、分散制御部１５は、モードロックが開始された後は、光パルスに分散を与え、光パルスのパルス幅の圧縮を行う。

過飽和吸収部１６は、連続波の光や種パルスの強度の大きい部分をより透過させ、強度の低い部分をより減衰させる。したがって、連続波の光や種パルスが光増幅器を通って増幅を繰り返しながら過飽和吸収部１６を通過することで、種パルスの強度の大きい部分のみが成長し光パルスとなる。また、過飽和吸収部１６は、モードロックが開始された後、光パルスの生成作用を繰り返すことにより、モードロックを維持する。すなわち、過飽和吸収部１６は、光パルスを生成するモードロック機構に該当する。

変調器１７は、レーザー共振器内部に発生している連続波の光や種パルス及び光パルスを変調する。変調器１７が強度変調器の場合、強度変調器は、共振器内部に発生している連続波の光を変調し、種パルスを生成する。この場合、変調器１７は、種パルスを生成する生成部に該当する。
また、変調器１７が位相変調器の場合、レーザー共振器内部に発生している連続波の光や種パルス及び光パルスを変調する。そして、位相変調された連続波の光が分散制御部１５の分散媒質を通ることにより種パルスが生成される。この場合、変調器１７及び分散制御部１５は、種パルスを生成する生成部に該当する。また、変調器１７は、モードロックを開始させるためのモードロック開始機構に該当する。

タップカプラ１８は、ＰＤ（photo diode）２２で検出するための種パルスを分岐する。また、アウトプットカプラ１９は、レーザー出力する光パルスを分岐する。

偏波保持光ファイバー２０は、連続波の光や種パルスを通過させる。また、モードロック動作が開始された後は、光パルスを通過させる。

制御回路２１は、検出器としてのＰＤ２２と、制御部２３と、電気信号発生器としてのＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）２４と、電気アンプ２５と、を備えて構成される。

ＰＤ２２は、レーザー共振器内の連続波の光及び種パルスの一部を分岐し光電変換し、光強度（パワー）を検出する。また、ＰＤ２２は、モードロックが開始された後は、光パルスのパワーを検出する。

制御部２３は、ＰＤにより検出されたパワーに基づいて、ＶＣＯ２４の電気信号（電圧）を制御する。具体的には、制御部２３は、変調器１７の繰り返し周波数とレーザー共振器の繰り返し周波数とが同期して光パルスが生成されるように、ＶＣＯ２４の電圧を制御する。

ＶＣＯ２４は、制御部２３の指示に基づいて、変調器１７に印加する電圧を出力する。

電気アンプ２５は、ＶＣＯ２４から出力された電圧を増幅し、増幅した電圧を変調器１７に出力する。そして、変調器１７は、電圧が入力されると、入力された電圧に基づいて変調器の繰り返し周波数を変調する。

次に、図２を参照して、動作を説明する。
前提条件として、レーザー共振器内部に連続波の光が発生しているものとする。また、レーザー共振器の共振周波数は３０ＭＨｚであるとする。

先ず、変調器１７によりレーザー共振器内部に発生している連続波の光が変調を受ける。ここで、変調器１７が強度変調器の場合は、強度変調器により連続波の光から種パルスが生成される。また、変調器１７が位相変調器の場合は、位相変調器により連続波の光が位相変調され、位相変調された光が分散制御部の分散媒質を通過することにより種パルスが生成される。そして、生成された種パルスが過飽和吸収部１６を通過することにより、種パルスが急峻となる。

具体的には、種パルスは、図１に示す偏波保持光ファイバー２０のループを繰り返し通過する。すなわち、種パルスは光増幅部１１を通って増幅を繰り返しながら過飽和吸収部１６を通過することで、強度の大きい部分が成長し、光パルスとなる。

この際、変調器１７により出力された種パルスは、タップカプラ１８により分岐される。そして、分岐された種パルスは、ＰＤ２２に入力され、ＰＤ２２により種パルスのパワーが検出される。そして、ＰＤ２２により検出されたパワーが制御部２３に出力される。

そして、入力されたパワーに基づいて、制御部２３によりＶＣＯ２４の電気信号（電圧）が制御される。ここで、レーザー共振器の共振周波数と変調器の繰り返し周波数とが異なる場合、レーザー共振器内を何度も伝播している種パルスは異なるタイミングで変調器１７からの変調を受けるため、種パルスは成長しなくなる（すなわち、種パルスが急峻とならない）。したがって、レーザー共振器の共振周波数と変調器１７の繰り返し周波数とは高精度に同期する必要がある。このため、制御部２３により変調器１７の繰り返し周波数とレーザー共振器の共振周波数とが同期して光パルスが生成されるように、ＶＣＯ２４の出力電圧が制御される。例えば、レーザー共振器の共振周波数が３０ＭＨｚの場合、変調器１７の繰り返し周波数が３０ＭＨｚに同期するように、ＶＣＯ２４の出力電圧が制御される。

そして、変調器１７の繰り返し周波数が３０ＭＨｚとなると（すなわち、変調器１７の繰り返し周波数とレーザー共振器の共振周波数とが同期すると）モードロックが開始される。このとき、ＰＤ２２により検出されるパワーは増加する。

ＰＤ２２により検出されるパワーは、発振条件や出力にもよるが、約３ｄＢ増加する。本構成の偏波保持光ファイバーで構成されるモードロックレーザー共振器の場合、モードロック発振後に変調器の駆動を停止させてもモードロック発振は維持される。本構成のモードロック発振開始時において、パワーの増加（３ｄＢの増加）がＰＤ２２により検知されると、制御部２３により光パルスの生成が確認され（すなわち、モードロックの開始が確認され）、ＶＣＯ２４及び変調器１７の動作が停止される。具体的には、制御部２３によりＶＣＯ２４から出力される電圧がＯＦＦになるように（ＶＣＯ２４から電圧が出力されないように）に制御される。

モードロックが開始されると、光パルスは、依然として過飽和吸収部１６と光増幅器１１とを繰り返し通過する。このとき光パルスは、過飽和吸収部１６の過飽和吸収特性（光パルスの強度の大きい部分をより透過させ、強度の低い部分をより減衰させる特性）によりモードロックが維持される。
一連のモードロック発振開始過程の例を図２〜図７において説明する。図２（Ａ）（Ｂ）はモードロック発振前の光出力をＰＤにより電気変換した際に測定されるＲＦスペクトルを示し、図３は光スペクトルを示す。図２において、位相変調器を駆動する電気信号の繰返し周波数は３６．００ＭＨｚである。このとき、図２（Ａ）において、高調波の成分はランダムに変動する。また、図３において、光スペクトルは、１５５８．２ｎｍに鋭いピーク構造をもつ連続波発振であることを示している。続いて、位相変調器を駆動する電気信号の繰返し周波数をレーザーの共振器周波数の３８．６２ＭＨｚに一致させるとモードロック発振を開始する。図４（Ａ）（Ｂ）にＲＦスペクトルを、図５に光スペクトルを示す。図４（Ａ）において、モードロック発振開始前にランダムに変動していた高調波成分はモードロック開始後に安定する。また、光スペクトルは図５に示すように、スペクトル帯域が拡大する。光スペクトルの拡大に伴い、出力が増加する。安定なモードロック発振を維持するために、励起光の出力を調整する場合がある。この例では、励起光の出力を約半分に低下させている。安定なモードロック発振は、ＲＦスペクトルのエンベロープが平坦に近づくことで判定する。続いて、位相変調器を駆動する電気信号を停止させた時のＲＦスペクトルと光スペクトルをそれぞれ図６（Ａ）（Ｂ）、図７に示す。安定なモードロック発振の場合、図６（Ａ）に示すように、ＲＦスペクトルのエンベロープが平坦になる。図６、図７をもって、位相変調器を駆動する電気信号を停止させても、安定な発振が確認された。

次に、図８を参照して、ＶＣＯ２４から出力される電圧と変調器１７の繰り返し周波数との関係について説明する。図８の縦軸は、変調器１７の繰り返し周波数を表している。図８の横軸は、ＶＣＯ２４から出力される電圧を表している。図８に示すように、ＶＣＯ２４から出力される電圧が上昇するにしたがって、変調器１７の繰り返し周波数も上昇する。これにより、例えば、レーザー共振器の共振周波数３０ＭＨｚに変調器１７の繰り返し周波数を同期させる場合、制御部２３によりＶＣＯ２４から出力される電圧が制御され、変調器１７の繰り返し周波数が３０ＭＨｚとなる。

以上、本実施の形態によれば、種パルスの光強度に基づいて、電気信号を制御し、変調器１７の繰り返し周波数とレーザー共振器の共振周波数とを同期させ、光パルスを生成させ、光パルスの生成を確認して変調器１７の動作を停止させる。これにより、光パルスの生成を確認した後（モードロックの開始が確認された後）は、変調器１７は動作しないので、変調器１７を駆動する高精度のＶＣＯ２４やその同期回路（ＰＬＬ、周波数モニター）を必要とせずにモードロックを実現する技術を提供することができる。したがって、光ファイバー型モードロックレーザー１の小型化やコストの削減を行うことが可能となる。また、偏波保持光ファイバー２０を用いているので、偏波の変化によりモードロックの条件が変わることを防ぐことができる。

また、ＰＤ２２により検出された光強度（パワー）に基づいて、光パルスの生成を確認することができる。

（変形例）
図９を参照して、本発明に係る実施の形態の変形例を説明する。以下、光ファイバー型モードロックレーザー１と同様な部分には同一の符号を付し、その詳細な説明を援用し、異なる部分について説明する。

図９は、ＰＤ２２により検出されるパワーと変調器１７の繰り返し周波数との関係を示した図である。図９中の実線の光パルスは、制御部２３によりＶＣＯ２４から出力される電圧がＦＭ変調された場合、ＰＤ２２により検出された光パルスのパワーを表している。図９に示すように、制御部２３によりＶＣＯ２４から出力される電圧がＦＭ変調されると、ＦＭ変調されなかった光パルス（図９中の破線の光パルス）よりもパルス幅が広くなる。これにより、レーザー共振器の共振周波数（３０ＭＨｚ）に変調器１７の繰り返し周波数を同期させる際、パルス幅が広いので、レーザー共振器の共振周波数を見つけやすくなる。したがって、変調器１７の繰り返し周波数の掃引分解能を下げることができる。

以上、本変形例によれば、電気信号をＦＭ変調させることにより、変調器１７の繰り返し周波数の掃引分解能を下げることができる。

その他、本実施の形態及び変形例における、光ファイバー型モードロックレーザー１の細部構造及び詳細動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明に係る実施の形態の光ファイバー型モードロックレーザーの構成を示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、モードロック発振開始前のレーザー出力をＰＤにより検出したＲＦスペクトルを示す図である。 モードロック発振開始前のレーザー出力の光スペクトルを示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、モードロック発振開始時のレーザー出力をＰＤにより検出したＲＦスペクトルを示す図である。 モードロック発振開始時レーザー出力の光スペクトルを示す図である。 （Ａ）（Ｂ）は、モードロック発振が開始され、位相変調器を駆動する電気信号を停止させた後、レーザー出力をＰＤにより検出したＲＦスペクトルを示す図である。 モードロック発振が開始され、位相変調器を駆動する電気信号を停止させた後のレーザー出力の光スペクトルを示す図である。 ＶＣＯにより出力される電圧と変調器の繰り返し周波数との関係を示す図である。 ＰＤにより検出されるパワーと変調器の繰り返し周波数との関係を示す図である。

符号の説明

１ 光ファイバ型モードロックレーザー
１１ 光増幅器
１１Ａ 偏波保持エルビウム添加ファイバー
１２ 光アイソレータ
１３ 光アッテネータ
１４ 光フィルタ
１５ 分散制御部
１６ 過飽和吸収部
１７ 変調器
１８ タップカプラ
１９ アウトプットカプラ
２０ 偏波保持光ファイバー
２１ 制御回路
２２ ＰＤ
２３ 制御部
２４ ＶＣＯ
２５ 電気アンプ

Claims (6)

1. レーザー共振器を構成する光ファイバー型モードロックレーザーにおいて、
   前記レーザー共振器内部に発生している連続波の光を変調する変調器と、
   前記変調器により変調された光から種パルスを生成する生成部と、
   前記連続波の光及び種パルスを通過させる偏波保持光ファイバーと、
   前記連続波の光及び種パルスを増幅する光増幅部と、
   前記連続波の光及び種パルスを分散制御する分散制御部と、
   前記連続波の光及び種パルスの光強度の弱い成分を減衰させる可飽和吸収部と、
   前記連続波の光及び種パルスの光強度を検出する検出器と、
   前記変調器に印加する電気信号を発生する電気信号発生器と、
   前記検出器により検出された光強度に基づいて、前記電気信号を制御し、前記変調器の繰り返し周波数と前記レーザー共振器の共振周波数とを同期させ、前記光パルスを生成させ、当該生成された光パルスを確認して前記変調器の動作を停止させる制御部と、
   を備える光ファイバー型モードロックレーザー。
2. 前記制御部は、
   前記検出部により検出された光強度に基づいて、前記光パルスの生成を確認する請求項１に記載の光ファイバー型モードロックレーザー。
3. 前記制御部は、
   前記電気信号をＦＭ変調させる請求項１又は２に記載の光ファイバー型モードロックレーザー。
4. レーザー共振器を構成する光ファイバ型モードロックレーザーのモードロック制御方法において、
   前記レーザー共振器内部に発生している連続波の光を変調器により変調する工程と、
   前記変調器により変調された光から種パルスを生成部により生成する工程と、
   前記連続波の光及び種パルスを偏波保持光ファイバーにより通過させる工程と、
   前記連続波の光及び種パルスを光増幅部により増幅する工程と、
   前記連続波の光及び種パルスを分散制御部により分散制御する工程と、
   前記連続波の光及び種パルスの光強度の弱い成分を減衰させる可飽和吸収部により生成する工程と、
   前記連続波の光及び種パルスの光強度を検出器により検出する工程と、
   前記変調器に印加する電気信号電気信号発生器により発生する工程と、
   前記検出器により検出された種パルスの光強度に基づいて、前記電気信号を制御し、前記変調器の繰り返し周波数と前記レーザー共振器の共振周波数とを同期させ、前記光パルスを生成させ、当該生成された光パルスを確認して前記変調器の動作を停止させる制御工程と、
   を含む光ファイバー型モードロックレーザーのモードロック制御方法。
5. 前記制御工程は、
   前記検出部により検出された光強度に基づいて、前記光パルスの生成を確認する請求項４に記載の光ファイバー型モードロックレーザーのモードロック制御方法。
6. 前記制御工程は、
   前記電気信号をＦＭ変調させる請求項４又は５に記載の光ファイバー型モードロックレーザーのモードロック制御方法。

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