JP2010093246A - カーボン・ナノチューブを使用する受動モード同期ファイバ・レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、受動モード同期ファイバ・レーザ、特に、ファイバ統合カーボン・ナノチューブ可飽和吸収体を利用して、パルス幅の短い、高繰返し周波数のファイバ・レーザを生成するファイバ・レーザを提供する。
【解決手段】受動モード同期ファイバ・レーザは、利得媒質として希土類ドープ・ファイバ区間を利用し、これは、相対的に高い吸収（たとえば、ピーク・ポンプ吸収＞５０ｄＢ／ｍ）および相対的に低い分散（たとえば、−２０ｐｓ／ｋｍ−ｎｍ＜Ｄ_ｇ＜０）を示す。一定区間の非ドープ・ファイバの端面部分上に形成された単層カーボン・ナノチューブ（ＳＷＮＴ）可飽和吸収体によって、受動モード同期が実現する。残りの構成部品（入力／出力カプラ、アイソレータ）は、単一の構成部品に統合され、非ドープ光ファイバに結合されることが好ましい。
【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００８年９月２５日出願の米国仮出願第６１／０９９，９７８号の利益を主張し、これを参照によって本明細書に組み込む。

本発明は、受動モード同期ファイバ・レーザに関し、より詳細には、ファイバ統合カーボン・ナノチューブ可飽和吸収体を利用して、パルス幅の短い、高繰返し周波数のファイバ・レーザを生成するファイバ・レーザに関する。

受動モード同期ファイバ・レーザは、超短パルス（たとえば、ピコ秒よりも短い幅のパルス）の信頼性の高いレーザ源であることが分かってきている。超短パルス幅に加えて、高パルス繰返し周波数（たとえば、数百ＭＨｚ）を有するレーザでは、周波数計測および高速光サンプリングなどの用途での使用法が見つかっている。実用的なものにするには、これらのレーザ源は、コンパクトで、信頼性が高く、必要とする消費電力が最小でなければならない。モード同期したＥｒドープファイバ・レーザは、広い光学帯域幅、高い強度およびパワー、短いコヒーレンス長、ならびに大幅なタイミング安定性などの、変調された連続波（ＣＷ）源を上回るいくつかのキーとなる利点を有する、潜在的に魅力的なショート・パルス・レーザ源を実現する。

高繰返し周波数の要件が提示する１つの難しさは、きわめて短い空胴長を必要とすることである。しかし、空胴長が短いと、分散補償が実行できなくなり、その結果、生成されるパルス幅は相対的に長くなる（およそ数ピコ秒程度）。したがって、相対的に高いパルス繰返し周波数（１００ＭＨｚ以上）を達成することと、超短パルス幅（およそ１ピコ秒未満程度）との間には必然的な対立が存在する。

高繰返し周波数レーザにおいては、１方向リング空胴には、基本パルス繰返し周波数が、同じファイバ長での線形空胴の周波数の２倍になるという利点がある。一例として、２００ＭＨｚの繰返し周波数を達成することができるファイバ・リング・レーザがある。しかし、このレーザはファイバの非線形性を利用して受動モード同期を生成し、高繰返し周波数レーザのより低いパルス・エネルギーにより、不可能ではないにしても、こうしたレーザがより高い周波数に移行できにくくなる。

一般には、ファイバ・レーザ空胴が示す総合的な分散を管理することにより、生成されるパルス幅をある程度にまで圧縮することが可能になる。エルビウムドープ・ファイバ（ファイバ・レーザ内で利得媒質として使用される）は、通常の正常分散（たとえば、波長１５５０ｎｍでのエルビウムドープ・ファイバにおいて−１７ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ）を示すが、レーザ空胴の残りの部分を形成するのに使用される標準の単一モード・ファイバは、この同じ波長において異常分散特性（たとえば、＋１７ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ）を有する。これらの分散値は例示的なものに過ぎない。確かに、利得ファイバ・ドーパントとしてイッテルビウム（Ｙｂ）を使用するとき、１０３０〜１１００ｎｍの波長範囲内で増幅が生じ、利得ファイバおよび単一モード・ファイバの両方が、正常（負の）分散を示す。次いで、正の分散を示す他の構成部品／ファイバは、異常分散を生成することが必要である。どんな場合でも、レーザ空胴を形成する様々なファイバの相対的な長さは、「短い」総合的な空胴長（高パルス繰返し周波数向け）と「長い」空胴長（分散管理および／またはレージング帯域幅向け）との要求のバランスをとることによって決定される。

高速可飽和吸収体に基づく受動モード同期ファイバ・レーザは、原則として、高繰返し周波数で構築することができる。しかし、こうしたモード同期機構に基づくレーザでのパルス幅では、１００ｆｓの動作有効期間でのパルス幅を生成することができない。

パルス幅がサブピコ秒で繰返し周波数が少なくとも１００ＭＨｚである光学出力パルスを生成することのできる受動モード同期ファイバ・レーザを提供することが、依然として望ましい。

本発明により、従来技術に残されている必要な課題に取り組む。本発明は、受動モード同期ファイバ・レーザに関し、より具体的には、ファイバ統合カーボン・ナノチューブ可飽和吸収体を利用して、パルス幅が短い、高繰返し周波数のファイバ・レーザを生成するファイバ・レーザに関する。

本発明によれば、サブピコ秒のパルス幅を維持しながら、ほぼ１００ＭＨｚ以上の繰返し周波数を生成する能力は、（１）伝送モードで動作し、リング空胴設計が可能になるファイバベースの可飽和吸収体を利用すること、ならびに（２）利得ファイバおよび残りの空胴ファイバの長さを制御することにより空胴分散を管理することによって得られてきた。さらに、他のいくつかの必要な構成部品（アイソレータ、カプラ）を一体構造のユニットに統合することにより、構成部品間の接続の全長を低減し、それにより、パルス幅に悪影響を及ぼすことなく、さらに空胴長を低減し、繰返し周波数を増大させる。

一実施形態では、本発明のファイバ・レーザは、相対的に高いポンプ吸収、たとえば、ほぼ５０ｄＢ／ｍよりも大きいピーク吸収、および相対的に低い分散、たとえば、ほぼ−２０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍよりも大きく、ただし対象となるレージング波長範囲で０よりも小さい利得ファイバの分散を示すエルビウムドープ・ファイバ区間などの、希土類ドープ・ファイバ区間を利得媒質として利用する。イッテルビウム（Ｙｂ）は、別の適切な希土類ドーパントである。ファイバ・レーザの可飽和吸収体は、希土類ドープ・ファイバの端面に接続された一定区間の非ドープ・ファイバの端面部分上に配置されることが好ましい単層カーボン・ナノチューブ（ＳＷＮＴ）構成として形成される。あるいは、ＳＷＮＴ構成は、希土類ドープ・ファイバの端面に配置することができる。入力／出力カプラおよびアイソレータなど他のファイバ・レーザ構成部品は、単一の構成部品に統合でき、非ドープ・ファイバに結合できることが好ましい。この組合せは、ほぼ＋１ｐｓ／ｎｍ−ｋｍからほぼ＋１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの範囲の、わずかに異常な総合分散を有するレーザ空胴をもたらし、この空胴は、ソリトン発生、および高繰返し周波数におけるサブピコ秒幅のパルスの生成にとって好ましい。

有利には、ファイバ統合ＳＷＮＴ吸収体を使用することにより、光ファイバに入出力結合するためのバルク光学レンズなどの個別の構成部品を、レーザ構造体の内部に組み込む必要がなくなり、このことにより、結合損失および反射の可能性が低減し、重要なことには、レーザ空胴長が著しく低減し、それによりサブピコ秒のパルス幅を実現することができる。さらに、ＳＷＮＴ吸収体は、（反射と比較して）伝送においては容易に動作し、リング空胴設計と互換性がある。このことは、高繰返し周波数の用途にとっては好ましい。しかし、本発明の実施形態は、線形空胴レーザとして形成されてもよい。

本発明の他の実施形態および利点は、以下の議論の過程で、また添付図面を参照することによって明らかになるであろう。

次に各図を参照する。

本発明に従って形成される例示的なファイバ・リング・レーザの図である。 それぞれの実施形態が互いに長さの異なる単一モード・ファイバを有する（したがって、互いに異なる総合的な空胴分散値および繰返し周波数を有する）、図１のレーザの３つの異なる実施形態に対する、モード同期したスペクトルをプロットした図である。 繰返し周波数２００ＭＨｚでの、本発明のファイバ・リング・レーザからの１２４ｆｓのパルス出力の自己相関を示す図である。 この場合にはマルチコンポーネント装置を使用して結合機能および隔離機能を実行し、したがって個別のファイバ構成部品の数を低減させ、レーザ空胴をさらに一層短くすることができる、本発明の一代替実施形態を示す図である。 それぞれの実施形態が、互いに長さの異なる単一モード・ファイバまたはドープ利得ファイバ（したがって、互いに異なる総合的な空胴分散値および繰返し周波数）を有する、図４のレーザの３つの異なる実施形態に対する、モード同期したスペクトルをプロットした図である。 ４１５ＭＨｚの繰返し周波数に関連する、単一パルス生成を示すパルス列のグラフである。 レーザが繰返し周波数４４７ＭＨｚで動作したときの、測定された自己相関パルス（２７０ｆｓ）を示す図である。 この場合には偏波保持ファイバを備える、本発明のさらに別の実施形態の図である。 様々な長さのエルビウムドープ・ファイバおよび単一モード・ファイバを使用することによって得ることのできる性能の様々な範囲を示し、所望の性能が図中の影のない領域で示してある図である。 利得媒質としてイッテルビウムドープ・ファイバを使用し、また別個のファイバベースの分散補償要素を備える、本発明の別の実施形態を含む図である。 線形空胴レーザ構造体として構成された、本発明のファイバ・レーザを示す図である。

図１は、本発明に従って形成された、例示的な高繰返し超短パルス幅のファイバ・リング・レーザ１０を示す。ファイバ・リング・レーザ１０は、一定区間の希土類ドープ・ファイバ１２を備え、これは、レーザ構造体の増幅素子（この文書内では「利得媒質」または「利得ファイバ」とも呼ばれている）として使用される。利得ファイバ１２はドープされて、５０ｄＢ／ｍよりも大きいピーク・ポンプ信号吸収を示しているが、許容できる増幅を達成するのに必要となるファイバ長を最小限に抑えるために、８０ｄＢ／ｍ、１５０ｄＢ／ｍ、またはさらに一層高い値が必要となる。

ポンプ・レーザ１４で示した入力ポンプ光の光源は、波長分割多重化装置（ＷＤＭ）１６を介して、利得ファイバ１２に結合されている。ポンプ・レーザ１４は、利得ファイバ１２内で増幅するのに適した波長で、入力光ポンプ信号を供給する。ファイバ・リング・レーザ１０の残りの部分は、残りの構成部品との信号経路の入出力接続を提供するのに利用される様々な区間の非ドープ光ファイバ１８を備える。一実施形態では、光ファイバ１８は、単一モード・ファイバを備えてもよいが、他のタイプのファイバを利用してもよい。この具体的な実施形態では、図に示すように、ファイバ１２と１８はリング構成で結合されて、環状のレーザ空胴を形成する。

アイソレータ２０は、レーザ１０に沿って配置されて、反射信号が逆向きに伝搬し、おそらくはポンプ源１４に入り、レーザ空胴内に不安定性をもたらすことがないように防止する。アイソレータ２０は、直列（すなわち、ファイバベース）のアイソレータ構成を含むことが好ましい。ファイバ・リング・レーザ１０とともに偏波制御装置２２を使用して、信号伝搬中の偏波回転を防止することにより、生成されるスペクトルバンド幅を最適化してもよい。１０％の光タップなどの出力カプラ２４を使用して、ファイバ・リング・レーザ１０の出力パルス列として循環信号の一部分を取り出す。他の値の出力カプラを使用してもよく、たとえば５％の光タップを使用することができる。

本発明によれば、受動モード同期は、ファイバベースの単層カーボン・ナノチューブ（ＳＷＮＴ）吸収体３０をレーザ空胴内に組み込むことによって実現される。図１の具体的な実施形態では、ＳＷＮＴ吸収体３０は、単層カーボン・ナノチューブを一定区間の角度のついたファイバ・コネクタの端面に析出することによって形成され、リング・レーザ１０のレーザ空胴に容易に接続できる構成で、ファイバ統合されたＳＷＮＴ吸収体３０を生成する。図１の具体的な実施形態では、ＳＷＮＴ吸収体３０は、光ファイバ１８の各区間の間に形成される。レーザ１０へのＳＷＮＴ吸収体３０の接続が、接合点３２および３４によって示してある。あるいは、ＳＷＮＴ吸収体３０は、利得ファイバ１２の終端部で形成してもよい。ファイバベースのＳＷＮＴ吸収体を形成する例示的な方法は、２００６年１０月２７日出願の筆者の同時係属出願「Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒｓ」に記載されており、その全体を参照により本明細書に組み込む。高分子薄膜中またはファイバ・テーパの外側にＳＷＮＴを埋め込むことなど、ファイバベースのカーボン・ナノチューブ可飽和吸収体を製造する他の方法が実証されてきた。任意の適切な方法を使用して、本発明の構成で使用されるファイバベースのＳＷＮＴ吸収体を生成してもよいことを理解されたい。

図１を参照すると、吸収体３０は、一対の融着接続終端部３２および３４を備えるものとして示してある。重要なことには、ファイバ統合された構成部品としてＳＷＮＴ吸収体３０を形成することができると、ファイバ・リング・レーザにおいて個別の可飽和吸収体を使用する必要がなくなる。レーザ構造体に反射および損失をもたらす個別の装置が知られているので、これらの装置を排除することにより、多くの用途で必要とされる達成可能な繰返し周波数および最小パルス幅が向上する。

当技術分野で知られているように、多くのエルビウムドープ・ファイバ設計は、正常分散（たとえば、１５５０ｎｍでほぼ−１７ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの値）を示すように構成することができるが、ＳＭＦは、この同じ波長で異常分散（ほぼ＋１７ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ）を示す。したがって、これらのファイバの長さは、本発明に従って制御されて、所望の量の分散を実現する（すなわち「分散管理」）。具体的には、光ファイバ１８の合計の物理長は、様々な要素（たとえば、アイソレータ、カプラ）をともに結合するのに使用される接続の数によって規定される。図１でのクロスハッチのマークは、様々な要素間の接続の位置を示す。各ファイバ接続を生成するには、最小長のファイバが必要とされるので（およそ４〜５ｃｍ程度）、複数の接続が必要になることで、結果として光ファイバ１８の合計の物理長は相対的に長くならざるを得ず（約１メートル）、そのことは、相対的に短い空胴長を生成する所望の目的に反する。さらに、利得ファイバ１２の長さは、まず第１にレージング出力を生成するのに必要となる長さよりも短くすることはできず、やはり広い利得ピーク（すなわち１５５０ｎｍ）で、かつ狭い利得ピーク（すなわち１５３０ｎｍ）ではない状態で確実にレージングが発生するのに十分な長さでなければならない。以下で議論するように、１５３０ｎｍでの比較的狭い利得ピークが好ましくないのは、利得ピークが狭い結果として、モード同期スペクトルがより狭くなり、したがってパルス幅がより広くなるからである。

図２は、様々な長さの非ドープ光ファイバ１８を使用する３つの別々の構成について、図１のファイバ・リング・レーザ１０に関連するモード同期スペクトルを示す。これらの測定を実行する際には、利得ファイバ１２としてエルビウムドープ・ファイバが使用され、長さが２５ｃｍになるように選択された。さらに、ポンプ・レーザ１４は、波長が９７５ｎｍのパルスをエルビウムドープ利得ファイバ１２に供給するように構成された。このエルビウム・ファイバは、ピーク・ポンプ吸収がほぼ５５ｄＢ／ｍであり、分散が-１７ｐｓ／ｎｍ−ｋｍであった（両方の値とも波長１５５０ｎｍで測定された）。曲線Ｉは、長さがもっとも長い光ファイバ１８を有する例示的なファイバ・リング・レーザ１０に関連する。具体的には、光ファイバ１８として長さが２５ｃｍの利得ファイバ１２および２．３ｍの単一モード・ファイバを使用して、この構成のレーザは、繰返し周波数８１ＭＨｚで動作した。光ファイバ１８として使用される単一モード・ファイバの長さを短縮することにより、図２の曲線ＩＩで示すように、１６０ＭＨｚの繰返し周波数を達成した。２２ｎｍの最大測定スペクトルＦＷＨＭは、曲線ＩＩＩに示すように、２００ＭＨｚの繰返し周波数に関連していた。この場合、単一モード光ファイバ１８の長さは７８ｃｍであった。利得ファイバおよび単一モード・ファイバが示した分散値に照らして、単一モード・ファイバの量が低減されるので、正味の異常分散もまた低減する。図３は、図２の曲線ＩＩＩに関連するパルスの自己相関を示し、時間帯域幅積０．３４でパルス幅１２４ｆｓを示す。

構成をさらに簡素化し、発明性のあるファイバ・レーザの空胴長を短縮することができるようになり、さらに高い繰返し周波数を達成した。図４は、本発明に従って形成された例示的なファイバ・リング・レーザ５０を示し、これにより、サブピコ秒のパルス幅値を保持しながら４００ＭＨｚを超える繰返し周波数を達成することができた。図４の構成では、光分離、入力結合および出力結合（以前、図１の実施形態では、それぞれ構成部品２０、１６および２４で示した）の各機能が組み合わされて、これらの機能をすべて実行することのできる、利用可能で多機能な既製の構成部品５２になった。単一の多機能構成部品５２を使用することにより、必要となるファイバ接続の数が著しく低減し、さらには実現可能な最短空胴長を実現する助けになる。

図１の構成と同様に、ポンプ源５４は、この場合には多機能構成部品５２を介して、光入力信号をレーザ５０に供給する。その後、信号は一定区間の利得ファイバ５６、偏波制御装置５８、およびＳＷＮＴ吸収体６０を通過する。前述の通り、ＳＷＮＴ吸収体６０は、単層カーボン・ナノチューブを光ファイバ１８の各区間の対向する端面上に析出することにより形成され、その後、ともに接合されてファイバ統合構成部品を形成する。ＳＷＮＴ吸収体６０は、図４に示すように、接続６２および６４により、ファイバ空胴内で適位置に接合される。

図４の実施形態の一構成では、初期の長さが２０ｃｍである、ある長さのエルビウムドープ・ファイバが利得ファイバ５６として使用され、空胴の残りの部分は、非ドープ光ファイバ６６で形成された。図５は、ファイバ・リング・レーザ５０によって生成される、モード同期したスペクトルのプロットを含む。図５に示した別々のトレースは、レーザ空胴内で様々な長さの利得ファイバ５６または光ファイバ６６を使用することに関連する。図５に曲線Ａで示す、この実験においてもっとも長い光ファイバ６６は、３１６ＭＨｚのパルス繰返し周波数を生成することが示されたが、これは、複数の構成部品（図１の構成など）を使用することに関連して、２００ＭＨｚのレベルを超える著しい進歩である。

繰返し周波数を３１６ＭＨｚから４１５ＭＨｚに増大させるために、光ファイバ６６の一部分を取り除くことによって空胴長が短縮された。図５の曲線Ｂは、４１５ＭＨｚの繰返し周波数におけるモード同期したスペクトルを示す。この繰返し周波数における単一のパルス動作は、図６に示す通り、生成されたパルス列によって確認される。

分散管理、さらには、サブピコ秒のパルス幅を維持することにより、このレーザ構造体から光ファイバ６６の任意の追加部分を取り除く可能性が本質的に排除される。したがって、繰返し周波数を４１５ＭＨｚから４４７ＭＨｚまでさらに増大させるために、長さが約２ｃｍの一定区間のエルビウムドープ・ファイバ５６を取り除いた。この構成におけるモード同期したスペクトルが図５に曲線Ｃで示してあるが、図５ではまた、この繰返し周波数での１０ｎｍの最大ＦＷＨＭ値が示してある。図７は、この繰返し周波数における測定されたパルス自己相関を示しており、パルス幅がおよそ２７０ｆｓ程度であることを示している。

しかし、利得ファイバ５６の長さを短縮することにより、図５の曲線Ｃ内のスパイクで示すように、エルビウム・ファイバ内の１５３０ｎｍのピークでレージングを開始することになる。実際には、曲線Ｄで示すように、利得ファイバ５６をさらに２ｃｍ除去することで、結果として、モード同期したスペクトルは、１５３０ｎｍが中心となる（望ましくない、より狭いスペクトル）。したがって、利用可能な出力エネルギーのうちの増加部分は、この比較的低い未使用の波長に存在し、超短パルスの生成を制限することになるので、利得ファイバ５６の長さをさらに短縮することは得策ではない。したがって、空胴長をさらに短くするには、現在の市販製品に使用されているドーパント濃度よりも高いドーパント濃度のエルビウム・ファイバを使用することが提案されている。実際には、８０ｄＢ／ｍ、１５０ｄＢ／ｍ以上のピーク・ポンプ吸収値を生じるより高いドーパント濃度により、大幅に短い空胴長を使用して、（出力パルスをサブピコ秒のパルス幅に保持しながら）４００ＭＨｚを十分超える繰返し周波数を生成することが可能になる。

図８は、本発明のさらに他の実施形態を示しており、この場合、偏波保持ファイバを使用してレーザ空胴を形成する。実際、空間制限のある用途ではこの実施形態が望ましいことがあり、外部の偏波制御装置（図１および図４の各実施形態で示す）を追加することには問題が多いはずである。図８を参照すると、ポンプ・レーザ源７４からのポンプ信号を増幅するための一定区間のエルビウムドープ偏波保持ファイバ７２を含む、偏波保持ファイバ・リング・レーザ７０が示してある。

マルチコンポーネント要素７６（やはり偏波保持用）を使用して、ポンプ信号をファイバ・リング・レーザ７０に結合し、分離し、生成パルスを出力結合する。一定区間の偏波保持光ファイバ７８を使用して、前述のように、ＳＷＮＴ吸収体８０がそれに沿って形成された状態でリング構成を完成する。具体的には、吸収体８０は、偏波保持光ファイバ・コネクタ上にＳＷＮＴを析出することによって形成され、このように偏波保持吸収体を形成する。この偏波保持ファイバの分散特性は、前述した従来のファイバと同様であり、様々な区間の長さを制御して、所望のわずかに異常な正味分散値を生成する。

エルビウムドープ・ファイバの長さをさらに短縮することで、発振が１５３０ｎｍ（望ましくない出力）まで低減することが分かった。レーザ空胴の分散バランスに悪影響を及ぼすことになるので、長さがより短い非ドープ光ファイバを使用することもできない。４５０ＭＨｚの繰返し周波数では、２０ｃｍのエルビウムドープ・ファイバと２６ｃｍの非ドープ光ファイバとの組合せにより、ほぼ＋２．２ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの総合的な空胴分散が得られる。

ファイバ長に関するこれらの考察は、図９に概略的にまとめてあるが、図９では、本発明のリング・レーザ構造体で使用されているエルビウムドープ・ファイバと非ドープ・ファイバの両方の長さをプロットしている。網掛け領域は、望ましくない動作区域を示す。非ドープ光ファイバの最小長（Ｌ_{ｕｎ．ｍｉｎ}で示す）は、可飽和吸収体、偏波制御装置、アイソレータ、およびカプラといった必要な構成部品を形成するのに必要とされる長さとして定義される。エルビウムドープ・ファイバの最小長（Ｌ_{ｇ．ｍｉｎ}で示す）は、長い波長でレージングするための十分な飽和を実現するのに必要とされる長さとして定義される。実現可能なもっとも高い繰返し周波数を実現するために、非ドープ・ファイバの長さとエルビウムドープ・ファイバの長さの総計も、最小限に抑えなければならない。

他の制約条件は、エルビウムドープ・ファイバの分散が、所望の動作平均空胴分散で定義されるラインの傾斜が図９の網掛け領域内に収まるような分散でなければならないということである。具体的には、平均空胴分散Ｄ_ａｖｇは以下の通り定義される。

上式で、Ｄ_ｇおよびＤ_ｕｎは、それぞれ利得ファイバおよび非ドープ・ファイバの分散値であり、Ｌ_ｇおよびＬ_ｕｎは、ファイバのこれら区間の関連する合計物理長である。この状態は、図９の点線で示してある。Ｄ_ｇの値が低すぎるまたは高すぎる場合、このラインは、所望の網掛けではない動作領域を横切ることにはならない。モード同期した空胴についての前述の結果から、たとえば＋１〜＋１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの領域において、平均空胴分散はわずかに異常でなければならないことが明白である。

前述の通り、エルビウム以外のドーパントを使用して、本発明のファイバ・リング・レーザを生成することが可能である。図１０は、具体的な実施形態を示しており、イッテルビウム（Ｙｂ）ドープ・ファイバ８２は、利得媒質（以下に「Ｙｂドープ利得ファイバ８２」と呼ばれている）として使用される。ポンプ源８４を使用して、多機能構成部品８６を介してＹｂドープ利得ファイバ８２にポンプ信号を導く。イッテルビウム・ドーピングにより、レージング出力における動作波長範囲は、１０３０〜１１００ｎｍになり、入力ポンプ信号は、９１５ｎｍまたは９７５ｎｍのいずれかの波長を有することができる。前述のその他の構成のように、各区間の非ドープ光ファイバ８８を使用して、ファイバ・リング構造体の残りの要素を形成する。図１０を参照すると、ＳＷＮＴ吸収体９０が、一定区間の非ドープ光ファイバ８８に沿って接続されており（接合部９１および９３が接続位置を示している）、偏波制御装置９２が、非ドープ光ファイバ８８の別個の部分に沿って配置されている。

Ｙｂドープ利得ファイバ８２および非ドープ光ファイバ８８は両方とも、この動作波長範囲で正常分散を示すことになる。したがって、出力のサブピコ秒のパルス幅に対して所望の異常分散をもたらすために、そうでなければ正常分散になるはずの分散を補償するのに十分な異常分散のレベルを示す追加の要素を必要とすることになる（要素９４として示す）。たとえば、一定区間の高次モード（ＨＯＭ）ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、またはフォトニック・バンドギャップ・ファイバなどの諸要素が、１μｍの波長範囲で異常分散を示すものとして知られている。使用されている具体的な構成部品に応じて、広範囲の異常分散値が利用可能である。たとえば、ＨＯＭファイバは、約５０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍと高い分散値を示すように構成することができるが、フォトニック・バンドギャップ・ファイバは、ほぼ８００ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ、またはそれよりはるかに高い分散値で形成することができる。

本発明の様々な実装形態はリング・レーザの形態でもよいが、線形レーザ構成が好ましい状況がある。図１１は、ファイバ統合ＳＷＮＴ吸収体を利用して受動モード同期を生成するための、本発明に従って形成される例示的な線形ファイバ・レーザ１００を示す。図に示すように、ファイバ・レーザ１００は、ある長さの非ドープ光ファイバ１２０に接合された一定区間の希土類ドープ・ファイバ１１０（「利得ファイバ１１０」）を備える。入力光ポンプ信号は、ポンプ源１３０によって供給され、ＷＤＭ１４０を介して非ドープ・ファイバ１２０に結合される。本発明によれば、ＳＷＮＴ吸収体１５０は、光信号経路に沿って配置され、この場合には非ドープ・ファイバ１２０の一部分に結合される。前述の各実施形態のように、ＳＷＮＴ吸収体１５０は、ファイバベースの構成部品であり、ＳＭＦ１２０の端面部分に直接融着される。

線形ファイバ・レーザ１００は、第１の反射端面１６０と、対向する第２の反射端面１７０との間で仕切られた、長さＹの空胴によってさらに画定される。第１の端面１６０は、ＷＤＭ１４０を介して伝搬信号を戻して、利得ファイバ１１０で再度増幅するために、本質的に１００％の反射率になるように形成される。第２の端面１７０は、増幅された出力信号の一部分がレーザ１００から抜け出て、残りの部分をレーザ空胴に戻すことを可能にするために、１００％をいくぶん下回る反射率（たとえば９０％）になるように形成される。前述のリング構成のように、利得ファイバ１１０および非ドープ・ファイバ１２０の長さ、ならびに／または利得ファイバ１１０内でのドーパントの選択および濃度を制御することにより、サブピコ秒のパルス幅に必要とされる所望の異常分散特性が実現する。

要約すれば、本発明に従って形成されるファイバ・レーザは、希土類ドープ利得ファイバおよび非ドープ・ファイバ好ましくは単一モード非ドープ・ファイバとともに使用される、ファイバ統合されたＳＷＮＴ吸収体および多機能構成部品を備えるように構成された。

当業者なら、本発明の他の様々な修正形態を思いつくであろう。当技術分野がそれらを通して進歩してきた原理およびそれらの均等物を利用する本明細書の具体的な教示および実施形態からのずれはすべて、説明されたまた特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内にあると考えられる。

Claims (9)

1. 長さＬ_ｇと選択された動作波長における知られた分散Ｄ_ｇとを有する、一定区間のドープ・ファイバと、
   長さＬ_ｕｎと前記動作波長における知られた分散Ｄ_ｕｎとを有する、一定区間の非ドープ・ファイバとを含み、前記一定区間の非ドープ・ファイバは前記一定区間のドープ・ファイバに結合されてレーザ空胴を形成し、前記一定区間のドープ・ファイバおよび非ドープ・ファイバの前記長さと前記分散とは、前記ファイバ・レーザにおいて約＋２０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ以下の正味の異常分散を生成するように選択され、サブピコ秒のパルス幅および約１００ＭＨｚを超える繰返し周波数を有する出力パルスを実現するものであり、さらに、
   光ポンプ信号を前記レーザ空胴に導く入力カプラとを含み、前記光ポンプ信号は、前記一定区間のドープ・ファイバにおいて前記選択された動作周波数でレージングを実現し、そして、レージング出力信号を生成するポンプ波長で動作するものであり、さらに、
   前記レーザ空胴に沿って結合されて受動モード同期を生成する、ファイバ統合単層カーボン・ナノチューブ可飽和吸収体と、
   前記ファイバ・レーザから前記レージング出力信号の一部分を取り出す出力カプラと、
   を含む受動モード同期光ファイバ・レーザ。
2. 前記ファイバ・レーザはファイバ・リング・レーザを含む、請求項１に記載の受動モード同期光ファイバ・レーザ。
3. 前記ファイバ・リング・レーザは、逆向きに伝搬する反射信号が前記一定区間のドープ・ファイバに再び入らないよう防止する、リング構成に沿って配置された光アイソレータをさらに含む、請求項２に記載の受動モード同期光ファイバ・レーザ。
4. 前記光アイソレータは、前記入力カプラ内に統合されて単一の多機能構成部品を形成する、請求項３に記載の受動モード同期光ファイバ・リング・レーザ。
5. 前記レーザは、前記循環するレージング出力信号の偏波モードを維持する、前記リング構成に沿って配置された偏波制御装置をさらに含む、請求項２に記載の受動モード同期光ファイバ・リング・レーザ。
6. 前記リング・レーザは、サブピコ秒のパルスおよび１００ＭＨｚを超える繰返し周波数を達成し、前記リング・レーザは、前記入力カプラと、前記出力カプラと、前記光アイソレータとの機能を組み込む多機能構成部品を含むように構成される、請求項３に記載の受動モード同期光ファイバ・リング・レーザ。
7. 前記一定区間のドープ・ファイバの利得媒質と前記一定区間の非ドープ・ファイバとの前記長さは、ほぼ１５５０ｎｍの動作波長において約１２ｐｓ／ｎｍ−ｋｍ未満の、負でない平均分散値を生成するように選択される、請求項１に記載の受動モード同期光ファイバ・レーザ。
8. 前記一定区間のドープ・ファイバと前記非ドープ・ファイバとの前記長さについての分散の組合せは、約＋１ｐｓ／ｎｍ−ｋｍから約＋１０ｐｓ／ｎｍ−ｋｍの範囲内にある、請求項１に記載の受動モード同期光ファイバ・レーザ。
9. 前記一定区間のドープ・ファイバと前記一定区間の非ドープ・ファイバ、前記入力カプラと出力カプラ、及び前記ファイバ統合単層カーボン・ナノチューブ可飽和吸収体は、すべて偏波保持構成部品として形成される、請求項１に記載の受動モード同期光ファイバ・レーザ。

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