JP2010062568A - 超短パルス発生用の８の字型ファイバレーザ - Google Patents

Abstract

【課題】偏波保持構成の利点を維持しながら、かつ多くの用途に必要とされる超短出力パルスを生成できる８の字型ＰＭＦＥファイバレーザを構築する方法を提供することにより従来技術の不都合を克服する。
【解決手段】偏波保持８の字型（ＰＭＦＥ）ファイバレーザはファイバレーザの双方向ループ中に意図的に（位相のバイアスの形で）非対称を挿入することにより、超短（フェムト秒）出力パルスを発生させるように構成される。（非対称の結合器、接合、減衰器、ファイバの曲げ、多重増幅部、あるいは類似のものによる）非対称の導入はモードロックを生成し、超短出力パルスを発生させるために十分な双方向ループ内への位相差の蓄積を可能にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、８の字型モードロックファイバレーザ、より具体的には所望のスペクトル幅の超短（ｆｓ（フェムト秒））パルスを発生するために双方向ループに導入される追加的な偏向を有する偏波保持８の字型（ＰＭＦＥ）レーザに関する。

超短光パルスは光情報処理、データ通信、時間解像度が高い光探針法、レーザ手術、および物質処理を含む数多くの用途に使われる。特に、データ転送速度が２．５Ｇｂｉｔ／ｓあるいはそれ以上の光データ通信における最近の進歩はメンテナンスの必要性が少なく、信頼性が高く、かつ低コストである小型の超高速光源を要求している。

ファイバレーザは新世代の小型で費用がかからず、耐久性の高い光源として発達してきた。基本的には、ファイバレーザは利得媒体としてドープされたファイバ部を有する光学的にポンプアップされた共振器である。利得が共振器の全光損失を越えると、レーザ発振が生起される。異なる波長でレーザ発振を達成するために多くの異なるドーパントが使われる。希土類イオンの原子遷移が可視波長から遠赤外波長（つまり、０．４５μｍ−３．５μｍ）までのレーザを生起するために使われる。一般的に使われるシリカファイバの光損失はは約１．５５μｍで最小であるので、１．５５μｍで光パルスを生成するためにエルビウムをドープしたファイバレーザが光ファイバ通信のために特に有用である。

モードロックファイバレーザはリニア、リング、および８の字形状などいろいろな空胴共振器構成を使うことが出来る。例えば、１９９１年４月１６日にＫａｆｋａ他に交付された米国特許第５，００８，８８７号明細書、および１９９６年４月３０日にＴａｍｕｒａ他に交付された米国特許第５，５１３、１９４号明細書を参照のこと。しかし組み立てられる際、モードロックファイバレーザは同時に発振する多数の縦モードを持つように構成される。いずれかの二つの隣接するモード間の位相差が一定であるように異なるモードの位相を同期させるために、モードロック機構が共振器に組み込まれる。短パルスを生成するために、これらの位相ロックモードが互いに積極的に加わる。

二つの共通するモードロッキング機構は「能動的」モードロッキングおよび「受動的」モードロッキングである。能動的モードロッキングは、モード間隔の一つあるいはその多数倍に等しい周波数で空胴共振器内の光の場の振幅あるいは位相のいずれかを変調する。能動的モードロッキングは空胴共振器内の電気−光、および音響−光変調器を用いることにより組み込まれる。

それに対して、受動的モードロッキングは非線形要素を出る光パルスのパルス幅が低減されるように、強度に依存する応答を光パルスに生じるように共振器の内部に少なくとも一つの非線形光学要素を用いる。能動的モードロックに比較して、受動的モードロックは超短光源を作り出すために便利に使われる。一般的に使われる受動的モードロック技術は飽和吸収体、８の字型レーザ、および強度依存型非線形偏光回転を含む。８の字型レーザの場合、強度依存型の応答をする非線形要素は非線形の光学的環状型ミラーの形態を取る。

一般にモードロックファイバレーザは超短パルスを達成するために「正常」（つまり、負）および「異常」（つまり、正）分散ファイバのバランスを必要とする。この出願の譲受人に譲渡され、参照のためここに引用される米国特許出願第１１／９８５，４４２号は超短パルスを生成するために分散管理を利用する最初に公知となったＰＭＦＥレーザを開示している。レーザプロセスを起動するために外部変調信号源（位相あるいは振幅）がこのＰＭＦＥの装置に利用されている。いったん励起されると、外部信号源が取り除かれ、ＰＭＦＥレーザはモードロックされて動作し続ける。

米国特許第５，００８，８８７号明細書 米国特許第５，５１３，１９４号明細書 米国特許出願第１１／９８５，４４２号

譲受人のこのＰＭＦＥは従来技術の多くの問題を克服することに成功したが、装置の中で偏波保持ファイバだけを使うことは、これまで偏波状態を保持するためだけでなく、超短光パルスを生成するために必要な光学的なバイアスを導入するために使われてきている偏波を制御するための構成要素を必要としない。その結果として、双方向ループのバイアスを調整できないことが信頼性と再現性がよいＰＭＦＥレーザを構成することを難しくしている。したがって、偏波保持構成の利点を維持しながら、かつ多くの用途に必要とされる超短パルスを生成できるＰＭＦＥファイバレーザに対する必要性がいまだに残っている。

従来技術の制約が本発明により対処され、それはＰＭＦＥファイバレーザ、より具体的には約１００フェムト秒のオーダーの超短出力パルスを生成するために反対方向に伝播する信号の間に必要なズレを生じさせるための追加的な光学的バイアスを双方向ループにかけるＰＭＦＥファイバレーザに関する。

本発明により、超短光パルスを発生させるために十分な光学的バイアス条件を生成するため、双方向ループ内に追加的な可変損失構成要素を組み入れるべくＰＭＦＥファイバレーザが変調される。ＰＭＦＥレーザの双方向ループは強度に依存する伝播をさせることによって受動的モードロックにつながる超高速の可飽和吸収をもたらす。このループにバイアスをかけることにより、ループ内で反対方向に伝播する場の間に所望の超短出力パルスを発生させるために十分な位相差が蓄積する。

一実施例において、バイアスはレーザの二つのループの間に非対称のスプリッタの形で導入される。更なる損失要素（可変光減衰器（ＶＯＡ）、あるいは類似の減衰要素のように、調節可能であってよい）がバイアス構成要素として双方向ループに挿入され得る。動作時には、最適なモードロックが得られるまで組み立て中に減衰の程度が調整されてよい。他の実施例において、従来型のＰＭＦＥレーザ用の入力／出力カプラが双方向ループの方に移動させられ、それによって装置に必要なバイアスを加える。いろいろな接合、および／あるいは曲げ損失を双方向ループに組み込むと超短パルスを発生させることが十分可能になる。

双方向ループにバイアスを導入するために使われるその他の構成は、それに限定されるものではないが、双方向ファイバに物理的／機械的な変化（歪、応力、温度など）を与えることを含む。

実際に、本発明の他の更なる観点、および実施例が以下の一連の議論の間に、かつ付属する図面の参照によって明らかになるであろう。

伝播する信号の偏波を保持し、超短出力パルスを発生させるために必要なバイアスを導入するために、外部／機械的な偏波コントローラを使う従来技術による８の字型ファイバレーザを図解する図である。 外部の偏波制御要素の必要がないが、超短光パルスを発生させることに関して制約がある従来技術によるＰＭＦＥファイバレーザを図解する図である。 レーザの双方向ループ内に意図的に損失要素を含むことにより超短光パルスを発生させるべく本発明により形成される代表的なＰＭＦＥファイバレーザを示す図である。 光損失要素として非対称のパワースプリッタを利用する本発明の特定の実施例の図解する図である。 本発明による図４の実施例のＰＭＦＥファイバレーザのモードロックスペクトルのプロットを表す図である。 図４の実施例の出力パルスの自己相関関数のプロットを表す図である。 超短パルスを発生させるために双方向ループの中に可変光減衰器（ＶＯＡ）を利用する本発明の他の実施例を表す図である。 ループ構成の中に非対称を生成するために出力カプラを利用する本発明のさらに異なる実施例を表す図である。 双方向ループの中に所望のバイアス状態を生成するために第二のファイバ増幅器が使われる本発明の実施例を図解する図である。

本発明のＰＭＦＥファイバレーザの構成および動作を説明する前に、超短パルスの発生が可能な従来技術による基本的な８の字型ファイバレーザ、および本出願人による以前のＰＭＦＥ装置の両方を説明する。図１において、従来技術による８の字型ファイバレーザ１は増幅機能を備えるようにドープされた（正常分散）ファイバの部分３を含むように形成される、シングルモードファイバからなる第一のループ２を含む。通常、ドープされたファイバ部分３の長さは所望するレーザの中心動作波長に基づいて選択される。エルビウムはこの型のファイバレーザのために一般的に選択される希土類材料の一つである。第一のファイバループ２は５０：５０方向性結合器５により、シングルモードファイバからなる第二のループ４に結合される。一般的に、空胴共振器に使われるシングルモードファイバ（ＳＭＦ）は、通信システムに使われる所望の１５５０ｎｍ動作波長において異常（正の）分散を示す。こうして結合器５によるループ２とループ４の組合せが“８の字型”構造を形成する。構造体に光入力をもたらすために（一つの場合として、波長分割多重要素からなる）結合器７を介してポンプ光源６が第一のループ２に結合される。

その後、第一のループ２の部分３の中で増幅された光はループ２の周りを回転し続け、毎回、通過中にループ４の中に結合される信号パワーの約半分の利得の増加を示す。ループ４のアイソレータ８は反対方向に伝播する信号が第二のループ内に生じることを妨げる。同じく出力用方向性結合器９が第二のループ４に含まれ、モードロックレーザの出力信号の一部を切り離して出力するために使われる。空胴共振器中のファイバの利得、および他の構成要素の損失に依存して、この部分が数パーセントから５０％以上まで変化し、８の字型構造が受動的にモードロックされた状態を保持し、出力信号を出し続けることを可能にする。一対の機械的偏波コントローラ１０および１１がループ２、および４の中に配され、信号を伝播するために安定した偏波状態を維持するために使われる。上に述べられたように、偏波コントローラ１０および１１は、過去においては（１００フェムト秒のオーダーの）超短パルスの発生が可能な方法でループのバイアスを適合させるために使われてきている。

図２は上記で参照される本出願の共同譲受出願中で開示されるように代表的なＰＭＦＥファイバレーザ２０を図解している。この装置においては、ループを形成するために偏波保持ファイバを利用することにより、機械的な偏波コントローラの必要性がなくなっている。さらに、受動的モードロックファイバが適切に動作するために、装置が受動的モードロック状態に入るよう変調（振幅あるいは位相のいずれか）の最初の“補助力”が要求されるように決定されている。ＰＭＦＥのこれらの観点のすべてが図２の装置に詳細に示されている。

ダイアグラムにおいて、受動的にモードロックされたＰＭＦＥファイバレーザ２０は、シングルモードファイバの異常分散特性を示す偏波保持シングルモードファイバ（ＰＭ−ＳＭＦ）の第一のループ２２からなる。エルビウムをドープされた（Ｅｒドープ）偏波保持ファイバ２４の部分は第一のループ２２の形態を完結するためにＰＭ−ＳＭＦに結合される。エルビウムをドープされた偏波保持ファイバ２４は正常分散を示す。（同じく偏波保持である）第一の入力カプラ２６がポンプ光源２８からＥｒドープされたファイバ２４にポンプ光信号を注入するために使われる。ポンプ光源２８の波長、この場合は９８０ｎｍとして図示され、はＥｒドーパントを利用する増幅機能を備えるように選択される。

さらに、レーザ２０は（これもまた異常、正分散特性の）同じく偏波保持シングルモードファイバで形成される。偏波保持５０：５０光スプリッタ３８が第一のループ２２を第二のループ３６に結合し、それによって二つのループの間に伝播する信号を導くために使われる。システムを経て信号が逆方向に伝播することを妨げるために、偏波保持のインライン型光アイソレータ４０が第二のループ３６内に含まれる。偏波保持５０：５０出力結合器４２がファイバレーザ２０からモードロックパルス信号を切り離すために備えられる。偏波保持変調器４４が第二のループ３６に沿って配され、外部の駆動源４６によって駆動される。外部信号の導入はレーザ２０の安定状態の条件を微小変動させ、モードロックを開始させるために十分である。いったんモードロックが保持されると、駆動源４６はシステムから切り離され、非線形の増幅ループミラー２２のケル（Ｋｅｒｒ）非線形効果によって受動的モードロック動作が継続する。

しかし、すべてのレーザ構造が−図２のレーザ２０のように−偏波保持構成要素で形成されると、ループバイアスを適合させられる柔軟性がなくなる。この理由により、第一のループ２２の固定されたバイアスがレーザの動作範囲を制限するので、空胴共振器の配置の広い範囲にわたって容易にモードロックする「全」ＰＭＦＥを信頼性よく構築することに困難さが残る。

実際、同じ構成の二つの全ＰＭＦＥレーザを構築することは非常に性能のレベルが異なるレーザを生じるということがわかっている。極端な場合、一つのレーザはモードロックして超短パルスを生じる一方、第二のレーザは単に連続波（ＣＷ）モードで動作するだけである。動作の違いはファイバの一部を他と結合することによる光損失と同様、レーザを形成するために使われるいろいろな構成部品に関わる光損失が変わりやすいということによっている。所与の空胴共振器構成でモードロックするＰＭＦＥレーザを信頼性よく、かつ再現性よく構成するために双方向ループのバイアスを適合させるためのよりいっそうの柔軟性が再度付与されねばならない、あるいは出力のスペクトル幅（ＦＷＨＭの値）およびパルス幅の両方が制限されるということが確認されている。

図３は本発明により「光バイアス」をファイバレーザの双方向ループに導入することによって所望の超短パルスを発生させるように形成されるＰＭＦＥファイバレーザ５０を図解している。図２に関連して上に議論された構成のように、レーザ５０を形成するすべての構成要素は「偏波保持」である。簡単にするために、外部の変調源構成要素は示されていないが、そのような構成が本発明のＰＭＦＥファイバレーザの受動的なモードロックを開始させるために有用であることが理解されるべきである。したがって、図３に示されるような本発明の実施例は、従来技術である図２の構成要素４４および４６に類似の位相／振幅変調器、およびＲＦ駆動減を含むように修正されてもよいということが理解されるべきである。

図３において、ＰＭＦＥファイバレーザは、異常（正の）分散を持つ偏波保持ファイバからなり、光スプリッタ／カプラ５６を経て（同じく異常分散を持つ偏波保持ファイバからなる）第二の単一方向ファイバループ５４と結合される第一の双方向性ファイバループ５２を含むとして示される。一実施例において、シングルモードファイバがループ５４および５６の形成に使われてもよい。逆に、マルチモードファイバが使われてもよい。特にこの実施例では従来型の５０／５０スプリッタ５６が使われている。また、双方向性ファイバループ５２は偏波保持エルビウムドープファイバ部分５８を含むとして示される。エルビウムドープファイバ５８は周回する光信号を増幅するために使われる。ポンプ光源６０は光ポンプ信号を（例えば、切片５８のエルビウムドープファイバ部で使われるとき、波長９８０ｎｍで動作する）ドープファイバ５８に導入するために使われ、その場合ＷＤＭ要素６２がポンプ光源６０をドープファイバ５８に結合するために使われてもよい。この特定の実施例はファイバベースの増幅器を含むが、最も一般的な場合には本発明のＰＭＦＥレーザは適切な光増幅利得媒体をレーザ構造の中に利用してもよいということが理解されるべきである。例えば、半導体光増幅器がエルビウムドープファイバ５８の代わりに使われてもよい。他の形式の利得構成が可能であり、そのすべては本発明の範囲内であると考えられる。

本発明により、ＰＭＦＥレーザ５０内の光バイアスを適合させることは双方向ループ５２内に光損失要素７０を導入することによりもたらされる。双方向ループ内に意図的に損失を加えることは反対方向に伝播する信号の間に位相差を生じる。その結果として、反対方向に伝播する場は異なるパワーを示し、したがって位相差を増大させる。そのような強度に依存する反応の生成−そこでは低パワー（ＣＷ）の光は反射され、高パワー（パルス）の光は伝達される−が、本発明による超短パルスの発生に必要な条件を作り出す。

損失要素７０は、強度に依存する反応から超短パルスの生成に必要な所望の位相差増大を生じるために適当な構成要素の形態を取ってもよい。一つの場合、図４に示されるように、要素７０は双方向性ループ５２と単一方向ループ５４との間に配される非線形のスプリッタ７０−１からなってもよい。図４にＸ／Ｙとして示されるループ５２および５４の間の選択されたパワーの分割比は設計上の選択と考えられる。それぞれのループ内を伝播する信号のパワー中に非対称を導入することにより、位相に所望のバイアスを生成するように反対方向に伝播する場の中に非線形が蓄積する。位相のバイアスは、基本的に、出力パルスを「鋭くし」、超短フェムト秒の出力パルスの発生を可能にする。

図４の特別な構成を用いることにより、ＰＭＦＥレーザの構築に顕著な信頼性が達成されている。図４のＰＭＦＥレーザのモードロックスペクトルを図解している図５のプロットに示されるように、４４ｎｍＦＷＨＭの広さのスペクトル幅が達成されている。図６は、１５７ｆｓのパルス幅を示す図４の構成からの出力パルスの自己相関のプロットである。実際、１１０ｆｓという短いパルス幅が図４に示される構成と同じような構成で観察されている。実際問題として、本発明により意図的に損失バイアスを加えることがなければ、図４に示される具体的な構成がモードロックすることは保証されない。

図７は本発明により使われる他の典型的な損失要素７０を示す。この例では、可変光減衰器７０−２が双方向ループ５２内に配される。増幅用構成要素（ドープファイバ部分５８、ポンプ光源６０、およびＷＤＭ６２）はこの特別な実施例では単一方向ループ５４に移動している。一般に、増幅はどちらかのループ（あるいは図９の実施例に関連して以下に議論されるように、両方）で生じてよい。所望する利得は閉じたシステム内のいずれの点においても生じ得るので、増幅用の構成要素をループ５４への移動は双方向ループ５２沿い、およびその周辺に、要素７０−２のサイズにもよるが、ＶＯＡ７０−２を挿入するための追加的なスペースをもたらす。ファイバの曲げ損失、損失の多い接合、および類似のものを挿入するなど、いろいろ、かつよく知られた減衰器が使われてよい。いずれか適当な要素が、強度に依存する超短パルスの発生のために必要な位相差を導入するために使われてよい。

「可変」要素の使用に関して、挿入される減衰量の調節は所望のモードロック動作が得られるまで製造時に行なわれる。したがって、この調節はレーザそれぞれについて行なわれ、（特に接合損失に関して上記の議論のように）製造にともなういろいろな変形に対してＰＭＦＥレーザが信頼性、および再現性がよい形で作られるように補償されることを可能にする。

図８は他の典型的な損失要素７０を示し、この場合は（従来の単一方向ループ５４に沿う配置の代わりに）双方向ループ５２の中に出力結合器７０−３が配される形式である。結合器７０−３の損失は超短光出力パルスにつながる所望の位相蓄積を生じるために十分であるように構成されてよい。ここでもまた増幅要素５８、６０、および６２は、単に設計上の選択として単一方向ループ５４に沿って配されるように示されている。

一つ以上の「損失要素」が本発明のＰＭＦＥレーザに使われることも意図されている。図９は単一方向５４と双方向ループ５２との間に非対称のスプリッタ７０_Ａ、および単一方向ループ５４に沿って位置される第二の増幅用構成７０_Ｂを利用する典型的なＰＭＦＥレーザを図解している。この実施例において、上記のような増幅用要素５８、６０および６２は双方向ループ５２の中に配される。図９において、第二の増幅用構成７０_Ｂは（９８０ｎｍで動作する）ポンプ光源６０Ｂからのポンプ入力信号を受けるエルビウムドープファイバ５８_Ｂ部分を含むとして示される。波長分割多重器（ＷＤＭ）６２_Ｂのような結合器はドープファイバ部５８_Ｂにポンプ信号を導入する。

この実施例において二つの増幅器の間の利得の比率を（それらの相対的なポンプパワーを調節することによって得られる）変えることによって、所望のパルスエネルギーを保持しながら双方向ループに導入されるバイアスが変化させられる。

本発明の精神あるいは範囲から逸脱することなくさまざまな修正および変形が本発明になされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は上記実施例の修正および変形をカバーするものであり、それらのすべては以下に明示される請求の範囲により規定される発明の精神および範囲内に含まれるものであると考えられるべく意図される。

１ 従来技術による８の字型ファイバレーザ
２、２２ 第一のループ
３ ドープファイバ
５ ５０：５０方向性結合器
６、２８、６０、６０_Ｂ ポンプ光源
７ 結合器
８ アイソレータ
９ 出力用方向性結合器
１０、１１ 機械的偏波コントローラ
２０、５０ ＰＭＦＥファイバレーザ
２４、５８ エルビウムドープ偏波保持ファイバ
２６ 第一の入力カプラ
３６ 第二のループ
４０ 偏波保持インライン光アイソレータ
４２ 偏波保持５０：５０出力結合器
４４ 偏波保持変調器
４６ 外部駆動源
４８、５８_Ｂ エルビウムドープファイバ
５２ 双方向ファイバループ
５４ 単一方向ファイバループ
５６ 光スプリッタ／カプラ
６２、６２_Ｂ ＷＤＭ要素
７０ 光損失要素
７０−１、７０_Ａ 非線形スプリッタ
７０−２ 光減衰器
７０−３ 出力カプラ
７０_Ｂ 増幅用構成

Claims (9)

1. 超短光出力パルスを発生させるためのモードロック偏波保持８の字型ファイバレーザであって、
   レーザが偏波保持光ファイバからなる双方向ループと、
   偏波保持光ファイバからなる単一方向ループと、
   前記双方向ループおよび前記単一方向ループのいずれか一つに沿って挿入される偏波保持増幅媒体の第一の部分とを含み、前記増幅媒体は、入射する光ポンプ信号に応答して、伝播する光信号の増幅されたものを発生し、さらに、
   前記偏波保持ファイバの双方向および単一方向ループの両方の間に配されかつ結合された偏波保持方向性結合器を含み、前記伝播する光信号の保持された偏波状態が、安定かつ一定であるモードロック状態を提供するものであり、さらに、
   前記超短光出力パルスを発生させるのに十分な、前記伝播する信号の間に位相差の蓄積を生成する、前記双方向ループに沿って配される光損失要素を含むことを特徴とするファイバレーザ。
2. 前記偏波保持増幅媒体が偏波保持ファイバ増幅器からなることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。
3. 前記偏波保持ファイバ増幅器がエルビウムドープファイバ増幅器からなることを特徴とする請求項２に記載のファイバレーザ。
4. 前記偏波保持増幅媒体が半導体光増幅器からなることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。
5. さらに前記レーザが伝播する光信号に微小変動を導入し、モードロックを開始させるために外部の微小変動源からなることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。
6. 前記外部の微小変動源が前記伝播する光信号に変調の微小変動を導入するための偏波保持変調要素、およびそれに入力変調信号を供給するために前記変調要素に結合された外部駆動源とからなることを特徴とする請求項５に記載のファイバレーザ。
7. 前記光損失要素が前記双方向ループおよび前記単一方向ループとの間に配される非対称の方向性結合器からなることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。
8. 前記光損失要素がモードロック条件を生成するために十分な減衰量をもたらすために前記双方向ループに沿って挿入される光減衰器からなることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。
9. 前記光損失要素が前記ファイバレーザに沿って配される前記偏波保持増幅媒体の第二の部分からなり、その場合において、前記偏波保持増幅媒体の第一および第二の部分の利得がモードロックを生成し、かつ前記超短光出力パルスを発生させるために十分な位相差を生成するように調節されることからなることを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ。

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