JP2013546189A - 大きなコム間隔を有する周波数コム源 - Google Patents

Abstract

大きなコム間隔を提供する周波数コム・レーザを開示する。少なくとも１つの実施形態は、モード同期導波路レーザ・システムを含む。モード同期導波路レーザは、導波路を有するレーザ共振器および共振器内の分散制御ユニット（ＤＣＵ）を含む。ＤＣＵは共振器内を伝搬するビームに角度分散、群速度分散（ＧＶＤ）および空間チャープを付与する。ＤＣＵは、正の値から負の値の範囲にある正味のＧＶＤを生成することができる。一部の実施形態おいて、光周波数シンセサイザとして構成される可変ファイバ周波数コム・システムが提供される。少なくとも１つの実施形態において、約１ＧＨｚよりも大きなコム間隔を有するファイバ・コム・レーザを用いて低位相雑音マイクロ波源を実装することができる。本レーザ・システムは、大きなコム間隔および低雑音を有する大量生産可能なファイバ・コム源に適する。用途には、高分解能分光が含まれる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は２０１０年９月３０日に出願された「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ」という名称の米国特許出願第１２／８９５，１２７号と関連する。

本出願は、２００９年１２月３日に出願された「Ｈｉｇｈｌｙ ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ−ｄｏｐｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｆｏｒ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」という名称の米国特許出願第１２／６３０，５５０号と関連する。

本出願は、２００９年３月６日に出願された「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｕａｌ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願第１２／３９９，４３５号と関連する。

本出願は、２００６年１０月１３日に出願された「Ｌａｓｅｒ ｂａｓｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」という名称の米国特許出願第１１／５４６，９９８号、現在は米国特許第７，８０９，２２２号と関連する。

本出願は、２００６年３月１０日に出願された「Ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ」という名称の米国特許出願第１１／３７２，８５９号、現在は米国特許第７，６４９，９１５号と関連する。

出願番号第１２／８９５，１２７号、第１２／６３０，５５０号、第１２／３９９，４３５号、第１１／５４６，９９８号、および第１１／３７２，８５９号の開示は、参照によってそれらの全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、繰り返し周波数および搬送波位相の制御が可能であり、高精度の計測学に応用可能な大きなコム間隔を有するファイバ・コム源および増幅器に関する。

ファイバ・レーザをベースとしたコム源は、高精度分光での用途向けにますます好まれるレーザとなりつつある。多くのそうした用途では、１ＧＨｚまたは数ＧＨｚ程度の大きなコム間隔、調節可能な繰り返し周波数による高精度のコム制御、ならびに搬送波位相制御が求められる。さらに、そうしたファイバ・コムのタイミング・ジッタおよび搬送波位相雑音は最小であるべきである。

コム源に対する多くの用途が実際に確認され、例えば、高精度周波数合成、すべての光学時計（Ｔ．Ｕｄｅｍらによる「Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」、Ｎａｔｕｒｅ、第４１６巻、２３３ページ（２００２）に記載されている）、および分光器較正のための周波数物差し（Ｃ．Ｈ．Ｌｉらによる「Ａ ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｔｈａｔ ｅｎａｂｌｅｓ ｒａｄｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ １ ｃｍ／ｓ」、Ｎａｔｕｒｅ、第４５２巻、６１０ページ（２００８）に記載されている）を含むことができる。他の用途は、Ｉ．ＨａｒｔｌおよびＭ．Ｅ．Ｆｅｒｍａｎｎによる米国特許第７，８０９，２２２号「Ｌａｓｅｒ ｂａｓｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」において確認される。

別の重要な用途には、Ａ．Ｂａｒｔｅｌｓらによる「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ−ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｔａｂｌｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３０巻、第６号、６６７〜６６９ページ（２００５）に記載されているような、原子周波数標準、レーダおよびリモート・センシング用の低位相雑音マイクロ波源または無線周波数源が含まれる。

米国特許出願第１２／６３０，５５０号 米国特許第６，８８５，６８３号 米国特許第７，７８２，９１０号 米国特許第６，７２４，７８８号 米国特許第５，４７９，４２２号

Ｔ．Ｕｄｅｍら、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」、Ｎａｔｕｒｅ、第４１６巻、２３３ページ（２００２） Ｃ．Ｈ．Ｌｉら、「Ａ ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｔｈａｔ ｅｎａｂｌｅｓ ｒａｄｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ａ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ １ ｃｍ／ｓ」、Ｎａｔｕｒｅ、第４５２巻、６１０ページ（２００８） Ａ．Ｂａｒｔｅｌｓら、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ−ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｔａｂｌｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第３０巻、第６号、６６７〜６６９ページ（２００５） Ｐ．Ｄｅｌ’Ｈａｙｅら、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ａ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ」、Ｎａｔｕｒｅ、第４５０巻、１２１４〜１２１７ページ（２００７） Ｂ．Ｒ．Ｗａｓｈｂｕｒｎ ｅｔ ａｌ．「Ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｗｉｔｈ ａ ｔｕｎａｂｌｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ、第１２巻、４９９９ページ（２００４） Ｓ．Ｂａｒｔａｌｉｎｅら、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、第７２２２巻、７２２２０ＣＩ−１〜７２２２０ＣＩ−１０ページ Ｓ．Ｄｉｄｄａｍｓら、「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ａ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ」、Ｎａｔｕｒｅ、第４４５巻、６２７ページ（２００７） Ｊ．ミッロら、「Ｕｌｔｒａ−ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ、第３４巻、３７０７ページ（２００９）

ファイバ・コム技術における数多くの実際的な進歩にもかかわらず、大きなコム間隔を有するファイバ・コム源は、製造するのが依然として困難であり、大量生産には容易に適用可能ではない。さらに、広い間隔のコム・ラインを有する広い周波数スペクトルの生成は、難易度が高い。中間赤外のスペクトル領域で使用される実際的なコム源の開発は、依然として特に困難な状態にある。

一態様において、本発明は、大きなコム間隔および低雑音を有する大量生産可能なファイバ・コム源、ならびにそれらの用途を対象とする。コム源は、モード同期導波路発振器に基づく。

少なくとも１つの実施形態は、レーザ共振器内に小型の分散制御ユニット（ＤＣＵ）を有するモード同期導波路コム・レーザを含む。ＤＣＵは、正の値から負の値の範囲にある正味のＧＶＤを生成可能であってよく、好ましくは分散の連続的な調節を行う。様々な実施態様において、ＤＣＵは、ファイバ・ブラッグ回折格子に基づいた分散補償器を用いて達成可能な損失よりもはるかに低い損失を実現することができる。

様々な実施形態において、単一の角度分散光学素子を使用することにより、非常に小型で、容易に調節可能な分散補償素子を提供する。分散素子を、モード同期導波路共振器内に組み込むことができ、これによって繰り返し周波数および搬送波位相の両方の制御、ならびに低搬送波位相雑音が可能になる。加えて、高いパルス・エネルギーを有するパルス源の構築にとって有益な低損失帯域幅制御が組み込まれる。

高い繰り返し周波数のモード同期導波路共振器内部で大きな負の分散値を選択することによって、良好なパルス安定性が得られる。

導波路発振器の出力を振幅変調することにより、広帯域のスーパー・コンティニュウムの生成が低減された所要パワーでさらに容易になる。

導波路発振器の出力を振幅変調することにより、差周波生成も低減された所要パワーでさらに容易になる。

個々のコム・ラインは、共振器長調整の実施によって高速に調整可能である。ファイバ・レーザの出力は、量子カスケード・レーザなどの単一周波数レーザにさらにロックされて、中間赤外スペクトル領域で動作する高速可変光周波数シンセサイザを生成することができる。高速可変周波数シンセサイザは、吸収分光においてさらに使用可能である。

大きなコム間隔は、標準の分光技術を使用して個々のコム・ラインの分解を行い、広帯域の吸収分光を実施する。

光学参照とコム・レーザ間のマイクロ波ビート信号を使用してコム・レーザを高精度の光学参照周波数にロックすることによって、大きなコム間隔を有するファイバ・コム・レーザを使用して低位相雑音マイクロ波源を構築することができる。ビート信号周波数は、測定されたコム・レーザの搬送波エンベロープ・オフセット周波数とさらに混合され、コム・レーザの搬送波エンベロープ・オフセット周波数変動に依存しない第２のビート周波数を生成することができる。マイクロ波源の雑音特性は、コム・レーザのポンプ・パワーに接続されたフィードバック回路を用いてコム・レーザの出力パワーを積極的に安定化させることによってさらに改善される可能性がある。

デュアル波長出力を有するモード同期レーザを使用してマルチ・ヘテロダイン分光を行なうことができる。

可変コム間隔を有するモード同期導波路コム・レーザの概略図である。 導波路と共に使用される小型の分散制御素子の概略図である。 図１Ａの小型の素子の分散を示すグラフである。 導波路と共に使用される低損失分散制御素子の一般的な構成要素の概略図である。 小型の分散制御素子を備えるモード同期ファイバ・コム・レーザの概略図である。 低減された所要パワーで、スーパー・コンティニュウムおよび差周波を発生させるための外部変調器を含む、大きなコム間隔を有するモード同期ファイバ・コム・レーザ・システムの概略図である。 単一周波数レーザにコヒーレントに結合する繰り返し周波数可変レーザ・システムの概略図である。 広帯域、高精度の分光において使用される繰り返し周波数可変コム・レーザ・システムの概略図である。 大きなコム間隔を有するファイバ・レーザに基づく低位相雑音マイクロ波源の概略図である。 ２つの波長で同時に動作するモード同期レーザを使用するマルチ・ヘテロダイン分光システムの概略図である。

図１は、導波路レーザ・システムにおいて使用される大きなコム間隔を有する繰り返し周波数可変導波路レーザ１００の例示的な実施形態を表す。また、可変導波路レーザ１００は、繰り返し周波数および搬送波位相の制御、ならびに分散制御ユニット（ＤＣＵ）の両方を含むこともできる。この例において、２つの共振器ミラーを有するファブリ・ペロー共振器の設計が示されており、第１の共振器ミラー（右側）は、ピストン式の制御が可能な圧電トランスデューサ上に取り付けられている。もう一方の共振器ミラー（左側）は、出力結合に使用され、この例においては、導波路に隣接している。また、第１の共振器ミラーは、分散制御ユニットの一部でもあり、このユニットにより全体的な共振器群速度分散の設定が可能であり、全体的な共振器群速度分散は、負の値から正の値に連続的に設定できるのが好ましい。搬送波位相は、例えば、導波路レーザに対する光学的なポンプ・パワーを制御することによって制御されてよい。光学ポンプを、適切なビーム・スプリッタを介して組み込むことができ、別個には示されていない。様々な実施形態において、搬送波位相を制御するための他の技術を、単独でまたはポンプ制御と組み合わせて利用することができる。例えば、米国特許第７，６４９，９１５号、図８〜１０、および関連する文章は、共振器内素子の圧力制御および／または温度制御を行う構成を含むいくつかの技術について記載する。

図１Ａは、導波路と併せて使用される小型の分散制御サブシステムの例示的な実施形態を表す。バルク回折格子、プリズム、またはグリズムなどの角度分散をもたらすバルク光学素子１０３を含むことができる、そうした分散制御ユニット（ＤＣＵ）が提供される。一構成において、システムは、２つのレンズ１０１、１０５、およびミラー１０７をさらに含む。左側のレンズ１０１は、導波路（図示せず）の出力をほぼ平行にする。次に、バルク光学素子、この例では回折格子１０３は、平行化されたビームの青スペクトル部１１３（点線）および赤スペクトル部１１１（一点鎖線）をそれぞれ、異なる角度方向に回折させ、したがって角度分散をもたらす。集束レンズ１０５は、ビームをミラー１０７上に集束させ、このミラー１０７が、ビームを回折格子１０３へ、さらに集束レンズ１０１を通って導波路入力部に戻す。導波路に向かって戻されるビームは、空間チャープを有するので、導波路に再入力するビームは、帯域幅が制限されている。しかし、そうした帯域幅制限は、そうした分散制御をモード同期導波路レーザ共振器の一部として使用する場合レーザの安定度を向上させるのに非常に有用になることがある。

図１の例においては、負の群速度分散、または単に負の分散を生成する構成が示されている。この構成によって導入される群速度分散は、第１近似で、１）回折格子の溝密度、および２）集束レンズ１０５の後焦点面（赤ビームと青ビームが回折格子と集束レンズの間で交差する点１１５）と回折格子面の離隔距離によって決まる。簡単にするため、この距離を実効的な回折格子離隔距離（ＥＧＳ）と呼ぶ。ここで、ビーム交差点が回折格子面の右側にある場合、ＥＧＳ＞０と呼び、ビーム交差点が回折格子面の左側にある場合、ＥＧＳ＜０と呼ぶ。

その場合、実効的な回折格子離隔距離によって導入される群速度分散の近似値は、同じ離隔距離を有する古典的な回折格子ペアによって導入される群速度分散の値に近いことを示すことができる。この実効的な回折格子離隔距離を調節することによって、正から負まで分散を調節することができ、ＥＧＳ＜０の場合は正の分散が得られ、ＥＧＳ＞０に対しては負の分散が得られる。しかし、（古典的な回折格子ペアに対して）単一回折格子を使用する長所は、中心波長での損失がより少なくなるということであり、このことは、Ｑの高い共振器においてファイバ周波数コムを構築する際に非常に重要である。同様に、Ｑの高い共振器は、低雑音動作にとって必要である。

この例において、および、図１Ｂに示すように、１０５０ｎｍの波長において６００ｌ／ｍｍの回折格子が使用され、これによって、５ｍｍの実効的な回折格子離隔距離に対して約−７０００ｆｓ²の往復分散が生成される。回折格子は９８〜９９％の回折効率を有することができ、レンズでの反射が損失の主因を占め、そうした可変分散制御素子は、損失がわずか５〜１０％となりうる。

レンズをミラーに置き替え、または回折格子をＺｎＳなどの材料で作られたプリズムに置き替えると、さらに一層低い損失を実現することができる。レンズおよびミラーの等価性、および群速度分散補償用途向けの回折格子およびプリズムは、古典光学から知られており、これ以上の説明を必要としない。

さらに、一部の実施形態において、２つのレンズを使用する代わりに、角度分散導入素子またはプリズムと併せて、１つのレンズまたはミラーのみを使用して、共振器内へ制御された量の分散を導入することができる。最も単純な構成では、ある角度で劈開または研磨された導波路を１つまたは２つのレンズもしくはミラーと併せてプリズムとして使用して、共振器内に制御可能な分散を導入することができる。

低損失分散制御ユニットのいくつかの構成要素を、図２にさらに例示する。この例において、導波路の出力に示される分散制御ユニットの素子には、少なくとも１つの平行化または集束光学素子、および角度分散を生成する単一の光学素子が含まれる。さらに、任意で、空間チャープを、導波路の端面で逆反射させて導入することができる。角度分散を生成する任意の適切な光学構造を用いて、共振器内に群速度分散を導入することができ、この光学構造は、（概略的に示されているような）プリズム、回折格子、あるいは、バルク光学材料内におよび／または表面上にもしくは表面近くに構成された、バルクおよび／または一体化された構成の回折、反射、もしくは屈折構造の任意の適切な組合せであってよい。

大きなコム間隔を有する小型の周波数コム・レーザにおいて使用されるような分散制御素子を、図３にさらに示す。例示的な実施形態において、Ｙｂをドープしたファイバを使用することができる。例を挙げると、「Ｈｉｇｈｌｙ ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ−ｄｏｐｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ ｆｏｒ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ」という名称の米国特許出願第１２／６３０、５５０号は、ＧＨｚの繰り返し周波数のファイバ・レーザに適したいくつかの高利得のファイバ・レーザおよび増幅器構成を開示する。このファイバは、４μｍのコア径を有することができ、９７６ｎｍにおいて約５０ｄＢ／ｃｍの吸収を提供するＹｂドーピングレベルによって設計することができる。そうしたファイバは、９７６ｎｍにおいて数百ｍＷでポンプされたとき、１０３０ｎｍにおいて最大５ｄＢ／ｃｍの利得を生成することができる。ファイバのポンプ側は、９７６ｎｍにおいてほぼ１００％の透過率、および１０５０ｎｍにおいて約０．１〜１０％の反射率を提供する誘電体被膜で直接被覆することができる。ファイバの角度研磨または角度劈開された側部を、反射防止被膜することができる。過飽和吸収体ミラーを、Ｊｉａｎｇらによる米国特許第６，９５６，８８７号「Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓａｔｕｒａｂｌｅ ａｂｓｏｒｂｅｒｓ ａｎｄ ｔｗｏ ｐｈｏｔｏｎ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｌｉｍｉｔｅｒｓ」に開示されているような改善された２フォトン吸収を有する分布構造として、レーザのＱスイッチングからの損傷を抑えるように設計することができる。半導体をベースとする過飽和吸収体ミラーが実装されるのが好ましいが、現況技術でよく知られているようなカーボン・ナノチューブまたはグラフェンを主成分とする過飽和吸収体を使用することもできる。

左側のレンズ３０３は、ファイバの出力を平行にし、０．４５ｍｍの焦点距離を有することができ、右側のレンズ３０５は、過飽和吸収体ミラー上に出力を集束させ、約１．１２ｍｍの焦点距離を有することができる。４分の１波長板は、共振器内部で起こりうるあらゆる偏光損失を補償する。低応力のファイバ取り付けを使用すると、共振器内ファイバにおける偏光消失をなくすことができ、４分の１波長板も省くことができる。あるいは、当技術分野で知られているように、外部応力を加えることによってファイバ内部の偏光を適切に調節することができる。

１０５０ｎｍにおいて９８％を超える回折効率を有し、１０００ｌ／ｍｍの溝密度を有する透過型回折格子を、分散制御のために使用することができる。レンズ３０３、３０５は、合わせて７ｍｍの複光路光路長を有するが、回折格子は、３ｍｍの往復光路長を有する。リトロー構成において、回折格子は、実効的な回折格子離隔距離１ｍｍ当たり約−６７００ｆｓ²の分散を生成する。したがって、１０５０ｎｍで動作する約４ｃｍのシリカファイバの往復分散を補償するためには、わずか０．５ｍｍの実効的な回折格子離隔距離が必要である。

上記の例の０．５ｍｍの実効的な回折格子離隔距離に対する典型的な自由空間往復光路長は、したがって１５ｍｍと計算される。５ｍｍのファイバ長を仮定すると、全体の往復光路長は３０ｍｍとなりうる。したがって、最大約１０ＧＨｚの繰り返し周波数のモード同期ファイバ・レーザを、このようにして構築することができる。モード同期ファイバ・レーザは、さらに負の分散領域で動作する。全体の往復共振器損失をわずか１０％以下とすることができる。

図示するような分散制御素子を使用する１つの恩恵は、共振器内損失が低く、高いＱの共振器および低い搬送波位相雑音を生成する一方、調節のための柔軟性を備えているということである。搬送波エンベロープ・オフセット周波数は、過飽和吸収体を含有するミラーを傾けることにより、または２つのレンズのうちの１つを図１の図面の面内でビーム方向と垂直に移動させることによって容易に調節することができる。あるいは、スリットまたはエッジを同じ方向に沿って移動させてもよい。繰り返し周波数は、過飽和吸収体ミラーにピストン式運動を適用することによってさらに調節することができる。さらに、繰り返し周波数および搬送波位相制御の他の手段は、例えば、Ｆｅｒｍａｎｎらによる米国特許第７，６４９，９１５号、およびＨａｒｔｌらによる米国特許第７，８０９，２２２号に記載されるように実施することができる。

図１および３に示す概略図に従って、モード同期コム・レーザを構築したところ、４ｃｍのＹｂファイバ長で１．５ＧＨｚの繰り返し周波数が得られ、共振器内損失が約３０〜４０％であった。このシステムは、４００ｆｓのパルス幅で、モード・ロックしきい値において約７５Ｗの共振器内ピーク・パワーで動作した。モード・ロックを実現するための自己位相変調の対応する最小量は、０．０６と見積もられた。このレーザは、約−２０００ｆｓ²の共振器内分散で動作し、ソリトン・パルスを生成した。対応するファイバ分散は、約＋３２００ｆｓ²であった。１０ＧＨｚにおいて同じ自己位相変調およびピーク・パワー要求を仮定すると、安定したモード同期のために必要なそうしたレーザにおける１０ＧＨｚでの必要なピーク共振器内パワーは、６００Ｗと計算され、これは２．４Ｗの平均共振器内パワーに相当し、単一モード・ダイオード・レーザ・ポンプ源を用いてポンプした場合に達成可能である。一般に、１ＧＨｚを超える繰り返し周波数で安定したソリトン・パルスを生成するためには、全体的な共振器分散は、−０．１ＦＤ＜−ＦＤ＜−１０ＦＤ、好ましくは−０．３ＦＤ＜−ＦＤ＜−６ＦＤの範囲にあるのが望ましく、ここでＦＤは、ファイバ分散の絶対値である。下限（絶対値での）は、レーザ安定性の考慮によって支配され、上限は、引き続いてコヒーレントのスーパー・コンティニュウム発生が可能となる最短パルスを生成する目的によって決定される。後で参照するために、これらの値をソリトン安定性領域と呼ぶ。

Ｙｂドープ・ファイバに加えて、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｈｏ／Ｔｍ、Ｈｏ、ＮｄまたはＰｒなどのドーパントを使用する他の希土類元素ドープ・ファイバも、大きなコム間隔を有するファイバ周波数コムを構築するために組み込むことができる。分散制御に対してここで示すようなバルク光学装置の代わりに、チャープ・ミラー、ギレス・トールノイス・ミラーならびに分散過飽和吸収体ミラーも、共振器内へ調節可能な量の分散を提供するために使用することができる。ＧＨｚ繰り返し周波数での適切な分散および搬送波エンベロープ・オフセット周波数制御のスキームは、例えば、米国特許第７，６４９，９１５号において論じられている。全体的に負の分散を有するファイバを使用する場合は、分散補償は、必要ではなく、自由空間光学部品を用いずに、またはほとんど用いずに１０ＧＨｚを超える繰り返し周波数を得ることができる。

図１の小型の分散制御ユニットは、高い繰り返し周波数のレーザの設計において価値があることに加えて、正の分散領域で動作するファイバ・レーザ、および、例えば、米国特許第６，８８５，６８３号および第７，７８２，９１０号に開示されているようなシミラリトン（ｓｉｍｉｌａｒｉｔｏｎ）ファイバ・レーザの設計における帯域幅制限デバイスとして使用することもできる。図１の分散制御ユニットは、光学フィルタまたはファイバ・ブラッグ回折格子とは対照的に、ゼロ分散または調節可能な分散を有する滑らかに調節可能な帯域通過フィルタを提供するために使用することができる。そうした装置は、高エネルギー・パルスの生成にとって有利である。そうした帯域通過フィルタは、ファブリ・ペロー共振器の端部に、またはリング共振器の一部として、あるいは適切な光学部品を使用するさらに一層複雑な共振器設計に組み込むことができる。また、偏光を維持する設計も可能である。ファブリ・ペロー共振器の場合には、図３に示すような共振器設計を実施することができる。リング・共振器の場合には、小型の分散制御ユニットを適切に挿入された偏光ビーム・スプリッタを介して組み込むことができる。モード同期レーザまたは受動モード同期レーザに対する多くの共振器設計が当技術分野で知られており、本設計を、それらのレーザのいずれかに組み込むことができる。

大きなコム間隔を有するコム・レーザに関する１つの問題は、コムまたはモード同期レーザの繰り返し周波数がマルチＧＨｚ領域にまで増加すると生じる、非線形のスペクトルまたは周波数広がりのために平均所要パワーが増加することである。そうした制限を回避する方法が図４に示されている。ここでは、振幅変調器が、周波数コム源の後に挿入され、コム・レーザ出力を、ゆっくりと振幅変調する。例えば、そうした振幅変調器は、１ｋＨｚの周波数で動作することができ、１対１０のマーク対スペース比を生成することができ、すなわち、約１００μｓの間、送信を開き、約９００μｓの間、送信をブロックする。変調器の下流に、１つまたは複数のファイバ増幅器を配置することができる。ファイバ・パワー増幅器がある一定のピーク・パワーを有するパルスを生成するためのポンプ所要パワーは、したがって約１０分の１に低減される。増幅した後、次に、パルスを、例えば、スーパー・コンティニュウム生成および差周波生成を備えることができる１つまたはいくつかの非線形周波数拡大段へ結合させることができる。様々な実施形態において、高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）を１つまたは複数の段において利用することができる。そうした構成は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１２／８９５，１２７号および他の出願明細書において論じられている。本実施態様において平均所要パワーが低減されるため、全体アセンブリの温度管理も極めて簡略化することができる。任意の振幅変調器を実装することができ、ファイバ・パワー増幅器の時間変化する応答を補償するようにさらに制御することができる電気光学変調噐が特に有用であり、すなわち、適切に抑制された変調によって、パワー増幅器の出力において矩形パルスを生成することができ、ファイバ増幅器におけるリンギングおよびオーバーシュートを回避することができる。そうした設計は従来のファイバ増幅器技術においてよく知られており、さらなる説明を必要としない。

実現可能な個々のコム帯域幅は送信窓のほぼ逆数になるので、比較的低い振幅変調周波数および比較的長い開口窓を実施することによって、個々のコム・ラインのスペクトル帯域幅は、最小限の影響を受けるだけである。１００μｓの送信窓に対して、約１０ｋＨｚのコム・ライン幅をこうして達成することができる。コム・レーザの繰り返し周波数ならびに搬送波エンベロープ・オフセット周波数を、例えば、少なくとも１つのｃｗ参照レーザを使用して制御することができる。そうしたスキームは、現況技術でよく知られている。

あるいは、ｆ−２ｆ干渉計（図示せず）を、非線形周波数拡大段の後にビーム・スプリッタを介して挿入することができる。搬送波エンベロープ・オフセット周波数をこうして直接測定することができ、さらに、搬送波エンベロープ・オフセット周波数を、発振器ポンプ電流に対する適切な電子的フィードバック、または図１に関して論じたような他の共振器内構成要素を使用して制御することができる。低雑音コム・レーザは、振幅変調器の別々の時間的な送信窓間での搬送波位相変動を最小にするので、そうしたスキームにとって有益である。任意の適切な希土類元素の増幅器も、そうしたスキームにおいて実施することができ、さらに固体、半導体をベースとした、またはマイクロ・リング共振器をベースとしたマルチＧＨｚ発振器を、ファイバ増幅器と併せてここで実装することができる。適切なマイクロ・リング共振器は、例えば、Ｐ．Ｄｅｌ’Ｈａｙｅらによる「Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ａ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ」、Ｎａｔｕｒｅ、第４５０巻、１２１４〜１２１７ページ（２００７）に記載されている。そうしたファイバ・コム源を、例えば、天文学の分光器の較正において必要な周波数物差しとして幅広く応用することができる。

一部の用途は、さらに一層高い繰り返し周波数を必要とする場合があり、これらの周波数は、例えば、繰り返し周波数逓倍共振器、すなわち発振器の往復経路長の正確な倍数の光学往復経路長で構成される共振器を組み込むことによって生成されうる。その場合、２〜１００倍の繰り返し周波数逓倍は、現況技術でよく知られているように容易に実現することができ、例えば、Ｔ．Ｓｉｚｅｒによる「Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｂｙ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、第２５巻、９７〜１０３ページ（１９８９）、およびＦｅｒｒｎａｎｎらによる米国特許出願第１２／８９５，１２７号「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ」において提案されており、ここではさらに説明しない。

図３および４に示すシステムを組み合わせることにより、高速可変周波数シンセサイザの構築が可能である。そうした設計が、図５に概略的に示されている。図５を参照すると、シンセサイザ・システムは、繰り返し周波数制御用のコム・コントローラに結合する可変ＧＨｚコム・レーザ５００を含む。可変マルチＧＨｚファイバ・コム・システムは、レーザの繰り返し周波数を変調するピストン制御を有する圧電トランスデューサ（図示せず）上に過飽和吸収体ミラーを置くことによって、図３に示すような設計を使用して構築することができる。過飽和吸収体上のビームの空間チャープにより、そうしたスキームは、搬送波エンベロープ・オフセット周波数になんらかの変動を生成する可能性もある。

あるいは、繰り返し周波数制御および搬送波エンベロープ・オフセット周波数における低変動を有するモード同期ファイバ・レーザを、空間チャープがない共振器ミラーにピストン式制御を適用することによって、図３に示す設計から得ることができる。例えば、図３に示すようにファイバの左側のダイクロイック被膜を取り除き、これをバルク光学ダイクロイック・ビーム・スプリッタと置き換えることによって、ポンプ光を、ドープした光ファイバ内へ結合させることができる。その場合、ポンプ光を、ビーム・スプリッタを介してファイバ内へ結合させ、共振器内の光を、ピストン制御を有する別のミラー上に向けることができる。追加のビーム・スプリッタを出力結合のために挿入することができ、または単に、共振器内回折格子の残りのゼロ次出力を出力結合のために使用することができる。他の共振器設計は、例えば、Ｆｅｒｒｎａｎｎらによる米国特許出願第１２／８９５，１２７号「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ」の図１７ａおよび１７ｂにおいて論じられており、ここではこれ以上説明しない。他の実施態様および変形形態が可能である。

図５を再び参照すると、可変コム発生器５００の後に、スペクトルがカバーする範囲を増大するために、（図４に関して上で論じられたような）任意選択の非線形のスペクトルまたは周波数拡大段が含まれている。次に、広帯域スペクトル出力の単一のラインを、波長可変単一周波数のスレーブ・レーザ、例えば、量子カスケード・レーザの出力と混合させる。量子カスケード・レーザは、中間赤外から遠赤外のＩＲ波長域に公称波長を有することができる。コム出力および量子カスケード・レーザ出力を検出器に向け、検出器／フィルタ構成（例えば、光検出器およびＲＦフィルタ）を用いて検出器の検出帯域幅を制限することによって、図示するように特定のコム・ラインを選択することができる。コム・ラインを選択するために、または検出器のショット雑音を低減するために、追加の光学フィルタを実装することもできる。ＲＦおよび光学フィルタリング技術は、現況技術においてよく知られており、ここではこれ以上説明しない。単一周波数レーザの光周波数を可変コム・レーザの出力にロックすることにより得られる可変単一周波数レーザについては、例えば、「Ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒ−ｂａｓｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｗｉｔｈ ａ ｔｕｎａｂｌｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ」、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ、第１２巻、４９９９ページ（２００４）において、Ｂ．Ｒ．Ｗａｓｈｂｕｒｎらによって論じられている。しかし、５０ＭＨｚのコム間隔のみが使用された。

検出器／フィルタ・モジュールからの出力を、フィードバック構成においてスレーブ・レーザを制御するために利用することができる。その場合、拡大段からのコンティニュウム出力と、好ましくは量子カスケード・レーザとすることができるスレーブ単一周波数レーザとのビート信号を、図５に示すような単一周波数スレーブ・レーザの波長を制御するためにフィードバック・ループにおいて使用することができる。アナログおよび／またはディジタル信号処理（図示せず）も、様々なパラメータをモニターおよび／または制御するためにフィードバック・システムにおいて利用することができる。例えば、コム・レーザの繰り返し周波数を調整しながら、単にビート信号周波数を一定に維持することによって、量子カスケード・スレーブ・レーザの出力波長を調整することもできる。このことは、例えば、現況技術でよく知られているように、量子カスケード・レーザに対する駆動電流を適切に制御することによって、またはその温度を制御することによって行うことができる。量子カスケード・レーザの波長を調整するための他のスキームは、例えば、Ｓ．Ｂａｒｔａｌｉｎｅらによる「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒｓ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、第７２２２巻、７２２２０ＣＩ−１〜７２２２０ＣＩ−１０ページにおいて論じられており、ここではこれ以上論じない。

大きなコム間隔を有するファイバ・コム・レーザの１つの利点は、スペクトル・ライン数が低減するために波長較正が簡略化されるということであり、さらに、ある一定の周波数偏移δｆのために必要なピストン移動δＬは、コム・レーザの繰り返し周波数の２乘に比例し、すなわちδｆ＝ｃｆ²δＬである。低雑音高繰り返し周波数コム・レーザを使用することにより、量子カスケード・レーザとの高速周波数合成が可能となり、コム・レーザの搬送波エンベロープ・オフセット周波数安定化に対する要件を最小限にすることができる。１０〜１００ＭＨｚの適度の周波数分解能のみが必要な用途については、搬送波エンベロープ・オフセット周波数の絶え間ない制御をなくすことさえできる。量子カスケード・レーザとの周波数合成に対して１ＧＨｚを超えるコム・レーザの繰り返し周波数が、特に望ましく、一部の用途では、２５０ＭＨｚを超える繰り返し周波数で、十分な場合がある。量子カスケード・レーザの近傍でスペクトル出力を生成するために差周波数混合を使用する場合、現況技術でよく知られているように、および、例えばＨｏｌｚｗａｒｔｈらよる米国特許第６，７２４，７８８号において論じられているように、搬送波エンベロープ・オフセット周波数をゼロに設定する。これにより、単にコム・レーザの繰り返し周波数ならびに周波数コムの次数から単一周波数レーザの光周波数を決定することができる。

図６に示すように、大きなコム間隔を有する周波数コム・レーザを、従来の分光素子と組み合わせて、高分解能分光用途においてさらに実施することができる。ここでは、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、またはＨｏ、あるいはＨｏ／Ｙｂなどの希土類元素ドーパントに基づく１ＧＨｚを超えるコム間隔を有する繰り返し周波数可変ファイバ周波数コム・レーザが示されている。コム・レーザは、例えば図１および図３に関して論じたように、繰り返し周波数および搬送波エンベロープ・オフセット周波を制御するための手段をさらに含むことができる。さらに、図６に示すように、検出器Ｄ１は、参照レーザおよび可変コム・レーザからの出力を受け取り、周波数をモニターするために、またはフィードバック・ループ（図示せず）を介して可変ＧＨｚレーザを制御するために有用なビート信号を取り出す。光学参照は、例えば、２つのビーム・スプリッタＢＳ１およびＢＳ２、ならびにビート信号検出用の検出器Ｄ１を使用して、図６にも示すようにコムと固定連続波参照レーザとの干渉を含むことができる。その場合、観察されるビート周波数は、周波数空間におけるコム・ラインと単一周波数レーザとの間の距離に正比例する。

図６に示すように、光周波数またはスペクトル拡大段を使用することができ、振幅変調器の下流に配置することができる。このスペクトル拡大段は、コム出力における搬送波エンベロープ・オフセット周波数の不確定性を除去するために差周波数混合を用いることができる。非線形スペクトル拡大に対する平均所要パワーを低減するために図４に関して論じたような追加の振幅変調器を使用することもできる。また、図４に関して論じたように振幅変調器の後に追加のファイバ増幅器（図示せず）を実装することもできる。

その後、パルス源からの出力は、試験体、例えばガスセルを通り抜けた後、現況技術でよく知られているように１つの回折格子分光計およびＶＩＰＡ（ｖｉｒｔｕａｌｌｙ ｉｍａｇｅｄ ｐｈａｓｅ ａｒｒａｙ）により１次元または２次元に分散される。その後、十分なコム間隔で、個々のコム・ラインは、１次元または２次元に分解され、１次元または２次元検出器アレイ上にそれぞれ投影される。検出器の１ピクセル当たり約１〜１０ＧＨｚの光学分解能を、こうして実現することができる。

固体レーザに基づくマルチＧＨｚ繰り返し周波数コム・システム、および２次元角度分散素子、ならびに２次元検出器アレイを有するスキームは、Ｓ．Ｄｉｄｄａｍｓらによる「Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｍｏｄｅｓ ｏｆ ａ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ」、Ｎａｔｕｒｅ、第４４５巻、６２７ページ（２００７）にすでに記載されている。しかし、ファイバ・レーザに基づくマルチＧＨｚ繰り返し周波数コム・レーザを有するシステムは、考慮されていない。本明細書に記載されるような進歩にともない、そうしたスキームを非常に魅力的にする１０ＧＨｚ以上の繰り返し周波数で動作する低雑音周波数コム・レーザを構築することができる。さらに、検出器アレイの個々のピクセル上の信号の変調を検出しながら、周波数コム・レーザの繰り返し周波数をゆっくりと走査することによって、コム・ライン幅と等価な周波数分解能を得ることができる。約１０ＧＨｚよりも大きな周波数コム間隔に対しては、例えば、従来の回折格子を２つ以上直列に使用して、または単一の回折格子を複数回通過もしくは反射させることにより、個々のコム・ラインを分解できるため、２次元検出器アレイも必要としない。１次元検出器アレイを使用することにより、全体的に検出システムのコストを下げ、取得速度を増加させることができる。

加えて、複数の吸収帯上で同時に広帯域差分吸収分光を可能にするために、コム・ラインの位置をゆっくりと走査し、同時に周波数空間において高周波で変調することができる。そうしたスキームは、単一レーザ分光でよく知られている。他の多くの分光技術を、本質的な要件が個々のコム・ラインの光学分解能である広帯域検出に適合させることができる。

そうした検出スキームの一般的な構成には、複数のコム・ラインの周波数解析が含まれ、この周波数解析では、可変ファイバ周波数コム発生器が提供され、サンプルが複数のコム・ラインで照射され、個々のコム・ラインがサンプルを透過しまたはサンプルから反射されて、光学的に分解され、１次元または２次元検出器アレイ上に投影され、サンプルの物理的特性がサンプルの物理的特性に対する検出器アレイの応答から決定される。

個々のコム・ラインの個々の周波数は、例えば、現況技術においてよく知られているようなｆ−２ｆ干渉計（図示せず）を使用して、周波数コムの瞬時繰り返し周波数ならびに瞬時搬送波エンベロープ・オフセット周波数を測定することによって求められ、または制御されうる。また、コム・ラインの瞬時周波数を求める他の方法も可能であり、例えば、光学参照を含むことができる。上で論じたように、光学参照は、例えば、２つのビーム・スプリッタＢＳ１およびＢＳ２、ならびにビート信号検出用の検出器Ｄ１を使用する、図６にも示すようなコムと固定連続波参照レーザの干渉を含むことができる。その場合、観察されるビート周波数は、周波数空間におけるコム・ラインと単一周波数レーザとの間の距離に正比例する。コム・ラインがｃｗレーザのどちら側に位置するかを判断するために、（現況技術において知られているような）光学ハイブリッドをさらに実装することができる。周波数空間における走査コムの絶対的な位置を測定するために、２つ以上のｃｗ参照レーザをさらに実装することができる。光学参照は、実際の搬送波エンベロープ・オフセット周波数または可変コム・レーザの繰り返し周波数の正確な制御が必要でないという長所を有する。光学参照は、例えば、Ｆｅｒｍａｎｎらによる米国特許出願第１２／８３５，１２７号「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ」において論じられている。周波数掃引される単一周波数レーザの瞬時光周波数を測定するいくつかの他のスキームが、Ｆ．Ｒ．Ｇｉｏｒｇｅｔｔａらによる「Ｆａｓｔ ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅｓ」、Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ（２０１０）において論じられており、ここではこれ以上論じない。これらの方法を適用した場合、例えばファイバ回折格子を使用することによって、幅広く離間したコム・ラインによって、個々のコム・ライン１つ１つを容易にフィルタ除去することが可能であることが有益である。

大きなコム間隔を有するファイバ周波数コム・レーザの別の魅力的な用途は、低位相雑音マイクロ波源としてである。低位相雑音ファイバ・コムをベースとするマイクロ波源の例示的な実施形態を、図７に示す。図７の例において、光路は破線で、電気的なフィードバック信号経路は実線で描かれている。

１ＧＨｚを超えるコム間隔を有するファイバ・コム・レーザが、図７に示されている。例えば、コム・レーザからのコム・ラインのうちの１つが光学的な連続波参照レーザの出力と混合されて、例えば図５に関して前に論じたように検出器Ｄ１を用いて検出される。図７の検出器Ｄ１は、対応する第１のビート周波数Ｓ１を生成する。

また、コム・レーザの搬送波エンベロープ・オフセット周波数は、（現況技術においてよく知られている）ｆ−２ｆ干渉計を用いて検出される。Ｊ．Ｍｉｌｌｏらによる「Ｕｌｔｒａ−ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ、第３４巻、３７０７ページ（２００９）に記載されているように、搬送波エンベロープ・オフセット周波数を、ＲＦ源に位相ロックすることができ、または自励発振したままにすることができる。Ｊ．Ｍｉｌｌｏらが述べているように、測定された搬送波エンベロープ・オフセット周波数は、第１のビート周波数とさらに混合されて、搬送波エンベロープ・オフセット周波数変動に依存しない第２のビート周波数を生成することができる。図７は、ｆ−２ｆ干渉計出力（ＣＥＯ）および検出器Ｄ１出力（Ｓ１）の両方からのフィードバック信号を有するフィードバック構成を概略的に示す。ＲＦミキサ７０５は、第２のビート周波数Ｓ２を出力し、この第２のビート周波数Ｓ２が、少なくともコム・レーザの繰り返し周波数を制御するように構成されたコム制御モジュールに送信される。次に、第２のビート周波数（Ｓ２）は、低雑音ＲＦ参照信号（図示せず）に位相ロックされ、そうすることで、搬送波エンベロープ・オフセット周波数変動と無関係にコム・レーザの繰り返し周波数を安定化させる。結果として、コム・レーザの光学出力を検出器Ｄ２上に向けることによって、低位相雑音マイクロ波信号を抽出することができる。また、他の変更形態も可能である。

マイクロ波源の位相雑音をさらに低減するために、レーザ・ポンプ（図示せず）に接続された第２のフィードバック・ループを介してファイバ・コム・レーザの出力パワーを安定化させることによって、レーザの振幅変動を最小化することができる。ＹｂおよびＴｍファイバ・レーザの大きな変調帯域幅のために、ポンプ・パワー制御による振幅雑音の最小化は、Ｊ．Ｍｉｌｌｏらが用いたようなＥｒファイバ・レーザと比較して、はるかにより効果的となりうる。さらに、１ＧＨｚを超える繰り返し周波数は、検出器のショット雑音を最小化するため、検出器Ｄ２からの低位相雑音マイクロ波信号の検出にとってさらに非常に有益である。１０ＧＨｚのマイクロ波参照に対しては、１０ＧＨｚのコム間隔を有する光コム・レーザを使用することが好ましく、約１ＧＨｚ以上が適切である。

周波数コム・ラインの光学分離は、一部の用途には魅力的であるが、例えば、Ｆｅｒｍａｎｎらによる米国特許出願第１２／８９５，１２７号「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ」に記載されているようなマルチ・ヘテロダイン分光において行われているような、すべてのコム・ラインを同時に検出して、それらをビート信号によって識別することが、様々な他の用途に一層役に立つ。そうしたシステムの一般的な設計制約は、互いにゆっくり走査し、それによって時間の関数として変化するパルス分離を生成するコヒーレントなパルス・ペアを必要とすることである。そうしたコヒーレント走査遅延線は、好都合なことに、例えば、わずかに異なる繰り返し周波数で動作する２つのコム・レーザを使用して、または別法として不平衡のマッハ・ツェンダー干渉計と併せて繰り返し周波数可変コム・レーザを使用して生成される。両方のシステムは、比較的複雑であり、後者のシステムは、一部の用途においては許容されない機械的な可動部をさらに必要とする。

しかし、他方では、例えば、Ｆｅｒｍａｎｎらによる米国特許第５，４７９，４２２号「Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｄｕａｌ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ」に記載されているように、１つのレーザのみを走査遅延線として構成できることが長く知られている。本明細書の図３に関して説明したようなコム・レーザ・システムは、図１に関して説明したようにそうした走査遅延線の構造を大幅に簡略化する。図１Ａに示すような構成を用いて、共振器内回折格子によって回折されたビームを角度分離し、集束させた後、光学パルス・スペクトルの赤色および青色部分を、過飽和吸収体上でうまく分離することができる。したがって、単に過飽和吸収体ミラー上に適切な溝を組み込むことによって、または過飽和吸収体ミラーの前に細いワイヤーを配置することによって、デュアル波長動作を導入することができる。さらに、それぞれの色の繰り返し周波数は、過飽和吸収体を半分に分割して、２等分した一方をピストン運動を組み込んだ圧電コントローラ上に設置することによって、別々に制御することができる。

例示的なデュアル波長コム・システムを図８に示す。これは、図３に示す設計に非常に似ているが、ここでは分割された過飽和吸収体ミラーを含み、半分が固定され、他の半分が、２波長間の繰り返し周波数の差を調節するためのピストン式制御を有する圧電トランスデューサ上に取り付けられている。２つの波長は、過飽和吸収体ミラーの前にある集束レンズと過飽和吸収体ミラーそのものとの間に挿入される細いワイヤーを含むことによってさらに分離することができ、このワイヤーは可動ミラーと固定ミラーの交差部にまたがる。

例えば、２波長レーザに基づく他のコヒーレント走査遅延線も構築することができ、例えば、図１Ａに示すような角度分散構成要素および他の光学素子を、過飽和吸収体を含有しない通常の共振器内ミラーの前に挿入することができる。また、バルク回折格子ペアなどの従来の分散補償素子を波長分離するために使用することができる。さらに、米国特許第５，４７９，４２２号に記載されているように、Ｎｄなどの不均質に広がる利得媒質は、交差飽和効果を最小化するため、デュアル波長動作にとって特に魅力的である。しかし、図８に示すような設計は、構成要素の数が少ないため特に魅力的であり、長期の安定動作を保証することができる。

次に、発振器の出力間にスペクトルのオーバーラップを生成する追加のスペクトル拡大段を発振器の後に実装することによって、わずかに異なる繰り返し周波数で動作するそうしたデュアル波長レーザをマルチ・ヘテロダイン分光用に使用することができる。２つのコム間にスペクトルのオーバーラップが存在すると、２つの異なる繰り返し周波数に属するコム・ペア間のビート信号を検出することができ、マルチ・ヘテロダイン分光用に使用することができる。さらに、相対的な搬送波エンベロープ・オフセット周波数の相対的な変動を最小にしながら２つの繰り返し周波数を互いにロックすることができる。あるいは、２つのコム間の繰り返し周波数変動を正確に測定するため、光学参照を実施することができる。そうしたスキームは、例えば、Ｆｅｒｍａｎｎらによる米国特許出願第１２／８９５，１２７号「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｉｔｈ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ」において論じられており、ここではこれ以上説明しない。

したがって、発明者らは、少なくとも１つの実施形態が、例えば、ファイバ・レーザを含むモード同期導波路レーザ・システムを含む発明を開示した。導波路レーザは、導波路を有するレーザ共振器を含む。共振器内ビームは、導波路から放射される。分散制御ユニット（ＤＣＵ）は、共振器内に、および共振器内ビームの光路に配置される。レーザ共振器は、共振器内ビームが少なくともＤＣＵを横切った後に導波路に向きを変えるように構成される。ＤＣＵは、共振器内の伝搬中に共振器内ビームに角度分散および群速度分散（ＧＶＤ）を付与する。また、ＤＣＵは、向きを変えたビームに空間チャープを付与する。ＤＣＵは、正の値から負の値の範囲にある正味のＧＶＤを生成することができる。

モード同期導波路レーザは、モード同期ファイバ・レーザを含むことができる。

ＤＣＵは、回折格子およびレンズ系を含むことができる。

ＤＣＵは、レンズ系を含むことができ、プリズムまたはグリズムを含むことができる。

ＤＣＵは、回折格子、プリズム、グリズム、および角度付けされた導波路端面のうちの１つまたは複数を含むことができ、光学レンズおよびミラーのうちの１つまたは複数を含むことができる。

レーザの搬送波エンベロープ・オフセット周波数を制御するための手段を含むことができる。

搬送波エンベロープ・オフセット周波数制御のための手段は、光学素子および光学素子を軸に沿って平行移動させるためのメカニズムを含むことができる。一部の実施形態において、共振器内素子に対する圧力および／または温度制御システムを、１つまたは複数のフィードバック・ループを用いて実装することができる。

モード同期導波路レーザは、ソリトン・レーザとして構成されてもよい。

モード同期導波路レーザは、約１ＧＨｚよりも高い繰り返し周波数で動作することができる。

モード同期導波路レーザ・システムは、デュアル波長で同時に動作するように構成されてもよく、ＤＣＵは、デュアル波長の波長分離を行うように構成されてもよい。

導波路レーザは、ファイバ・レーザを含むことができ、２つの波長のそれぞれに異なる繰り返し周波数を提供するように構成されてもよい。

モード同期レーザ・システムは、マルチ・ヘテロダイン分光用に構成されてもよい。

モード同期導波路レーザは、分割ミラーを含むことができる。

モード同期導波路レーザ・システムは、スペクトル拡大段を含むことができる。

モード同期導波路レーザ・システムは、繰り返し周波数逓倍器を含むことができる。

モード同期導波路レーザ・システムは、２を超えるマーク／スペース比を有するパルス列を提供する光変調器と、少なくとも１つのファイバ増幅器と、モード同期導波路レーザの下流に１つまたは複数のスペクトル拡大段とを含むことができる。

モード同期導波路レーザは、モード同期導波路レーザの一時的な帯域幅が、空間チャープによって少なくとも一部制限されるように構成されてもよい。

ＤＣＵは、正味のＧＶＤを範囲内の値に調節するようにＤＣＵの少なくとも１つの光学素子を変位させるように構成されてもよい。

少なくとも１つの実施形態は、光周波数シンセサイザとして構成された可変ファイバ周波数コム・システムを含む。可変コム・システムは、ファイバ・コム・レーザと、コム・レーザを制御し可変コム間隔を提供するためのコム・コントローラとを含む。システムは、単一周波数レーザ、例えば量子カスケード・レーザを含み、このレーザは、実質的に、中間赤外から遠赤外波長域にある波長に相当する単一の光周波数の光学出力を生成する。周波数拡大段は、ファイバ・コム・レーザの出力を受け取り、この周波数拡大段は、量子カスケード・レーザの光学出力のスペクトルとのスペクトルのオーバーラップを生成するように構成されてもよい。ファイバ・コム・レーザから少なくとも１つのコム・ラインを選択し、分離するためにコム・ライン・セレクタを含むことができ、このコムが約２５０ＭＨｚよりも大きなコム間隔を有する。フィードバック・ループは、量子カスケード・レーザの出力光周波数を選択されたコム・ラインにロックする。量子カスケード・レーザの光周波数は、可変コム間隔の関数になる。

コム・ライン・セレクタは、ＲＦフィルタおよび光学フィルタのうちの１つまたは両方を含むことができる。

フィードバック・ループは、量子カスケード・レーザの温度または動作電流を選択的に調節するように構成されてもよい。

少なくとも１つの実施形態は、高分解能分光システムを含む。システムは、約１ＧＨｚよりも大きな高い繰り返し周波数を有するファイバ・コム・レーザを含む。光学サブシステムを、ファイバ・コム・レーザの下流に配置することができ、コム・システムからの個々のコム・ラインを光学的に分解するように構成することができる。光学サブシステムは、回折格子およびＶＩＰＡのうちの少なくとも１つまたは両方、ならびに１次元または２次元検出器アレイを含むことができる。検出器アレイの個々の素子は、それぞれの素子がコム・ライン間隔にほぼ等しい光周波数帯に感度があるように離間して配置されてよい。

高分解能分光システムは、可変コム間隔、可変搬送波エンベロープ・オフセット周波数、またはその両方を有するファイバ周波数コム・システムを含むことができる。

高分解能分光システムは、少なくとも１つの参照レーザ、およびコム・システムの瞬時光周波数を測定するように構成された少なくとも１つの検出器を含むことができる。

少なくとも１つの実施形態は、低位相雑音マイクロ波源を含む。システムは、約１ＧＨｚよりも大きなコム間隔を有するファイバ・コム・レーザ、参照レーザ、およびコム・レーザのラインと光学参照レーザとの第１のマイクロ波ビート信号（Ｓ１）を測定するための第１の検出器を含む。また、システムは、ファイバ・コム・レーザの搬送波エンベロープ・オフセット周波数を測定するためのサブシステムであって、コム・レーザからの出力を受け取り、搬送波エンベロープ・オフセット周波数を表す出力信号（ＣＥＯ）として生成するサブシステムも含む。ミキサは、第１のマイクロ波ビート信号および出力信号（ＣＥＯ）を受け取り、第２のビート信号（Ｓ２）を生成する。コム・コントローラは、コム・レーザ、例えば繰り返し周波数および搬送波位相を制御する。また、コム・コントローラは、第２のビート信号を受け取り、コム・コントローラの一部は、第２のビート信号を、コム・レーザ間隔の変調によりマイクロ波参照へ位相ロックするように構成される。第２の検出器出力は、低位相雑音マイクロ波出力信号を提供する。

モード同期導波路レーザ・システムおよび／または低位相雑音マイクロ波源の一部の実施形態は、コム・レーザ出力パワーを安定化させるように構成された追加の電子フィードバック回路（複数可）を含むことができる。

モード同期導波路レーザ・システムおよび／または低位相雑音マイクロ波源の一部の実施形態は、高度に希土類元素をドープした利得ファイバを含むことができる。

一部の実施形態において、モード同期導波路レーザは、リング・レーザとして、またはファブリ・ペロー共振器で構成されてもよい。

このように、本明細書ではある実施形態のみについて具体的に記載したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、数多くの変更を行うことができることは明らかであろう。さらに、頭字語は、単に明細書および特許請求の範囲の読みやすさを向上させるために使用されている。これらの頭字語は使用される用語の一般性を狭めるようには意図されておらず、それらの頭字語は本明細書に記載される実施形態に対する特許請求の範囲を限定すると解釈されるべきでないことに留意されたい。

Claims (30)

1. 導波路を有するレーザ共振器を備えるモード同期導波路レーザと、
   前記導波路から放射される共振器内ビームと、
   前記共振器内に、および前記共振器内ビームの光路に配置された分散制御ユニット（ＤＣＵ）であって、前記共振器内ビームが少なくとも前記ＤＣＵを横切った後に前記導波路へ向きを変えるように前記レーザ共振器が構成されるＤＣＵとを備え、
   前記ＤＣＵが、前記共振器内の伝搬中に前記共振器内ビームに角度分散および群速度分散（ＧＶＤ）を付与し、前記向きを変えたビームに空間チャープを付与し、前記ＤＣＵが、正の値から負の値の範囲にある正味のＧＶＤを生成することができる、モード同期導波路レーザ・システム。
2. 前記モード同期導波路レーザがモード同期ファイバ・レーザを備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
3. 前記ＤＣＵが回折格子およびレンズ系を備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
4. 前記ＤＣＵがレンズ系を備え、プリズムまたはグリズムをさらに備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
5. 前記ＤＣＵが回折格子、プリズム、グリズムおよび角度付けされた導波路端面のうちの１つまたは複数を備え、光学レンズおよびミラーのうちの１つまたは複数をさらに備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
6. 前記モード同期導波路レーザの搬送波エンベロープ・オフセット周波数を制御するための手段をさらに備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
7. 搬送波エンベロープ・オフセット周波数制御のための前記手段が、光学素子および前記光学素子を軸に沿って平行移動させるためのメカニズムを備える、請求項６に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
8. 前記モード同期導波路レーザがソリトン・レーザとして構成される、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
9. 前記モード同期導波路レーザが約１ＧＨｚよりも大きな繰り返し周波数で動作する、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
10. 前記モード同期導波路レーザがデュアル波長で同時に動作するように構成され、前記ＤＣＵが前記デュアル波長の波長分離を行うように構成される、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
11. 前記導波路レーザがファイバ・レーザを備え、前記導波路レーザが前記デュアル波長のそれぞれに対して異なる繰り返し周波数を提供するように構成される、請求項１０に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
12. 前記モード同期レーザがマルチ・ヘテロダイン分光用にさらに構成される、請求項１１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
13. 前記モード同期導波路レーザが分割ミラーを備える、請求項１１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
14. スペクトル拡大段をさらに備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
15. 繰り返し周波数逓倍器をさらに備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
16. ２を超えるマーク／スペース比を有するパルス列を提供する光変調器と、少なくとも１つファイバ増幅器と、前記モード同期導波路レーザの下流に１つまたは複数のスペクトル拡大段とをさらに備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
17. 前記モード同期導波路レーザが、前記モード同期導波路レーザの一時的な帯域幅が前記空間チャープによって少なくとも一部分制限されるように構成される、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
18. 前記ＤＣＵが、前記正味のＧＶＤを前記範囲内の値に調節するように、前記ＤＣＵの少なくとも１つの光学素子を変位させるように構成される、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
19. 光周波数シンセサイザとして構成される可変ファイバ周波数コム・システムであって、
    ファイバ・コム・レーザと、
    前記コム・レーザを制御し、可変コム間隔を提供するコム・コントローラと、
    中間赤外から遠赤外の波長域にある波長に相当する実質的に単一の光周波数で光学出力を生成する量子カスケード・レーザと、
    前記ファイバ・コム・レーザの出力を受け取る周波数拡大段であって、前記量子カスケード・レーザの前記光学出力スペクトルとのスペクトルのオーバーラップを生成するように構成された周波数拡大段と、
    前記ファイバ・コム・レーザから少なくとも１つのコム・ラインを選択し分離するコム・ライン・セレクタであって、前記コムが約２５０ＭＨｚより大きなコム間隔を有するコム・ライン・セレクタと、
    前記量子カスケード・レーザの前記出力光周波数を前記選択されたコム・ラインにロックし、それによって前記量子カスケード・レーザの前記光周波数が前記可変コム間隔の関数になるフィードバック・ループとを備える、可変ファイバ周波数コム・システム。
20. 前記コム・ライン・セレクタがＲＦフィルタおよび光学フィルタのうちの１つまたは両方を備える、請求項１９に記載の光周波数シンセサイザとして構成された可変ファイバ周波数コム・システム。
21. 前記フィードバック・ループが前記量子カスケード・レーザの温度または動作電流を選択的に調節するように構成される、請求項１９に記載の光周波数シンセサイザとして構成された可変ファイバ周波数コム・システム。
22. 約１ＧＨｚよりも大きな繰り返し周波数を有するファイバ・コム・レーザと、
    前記ファイバ・コム・レーザの下流に配置され、前記コム・システムからの前記個々のコム・ラインを光学的に分解するように構成された光学サブシステムと備え、前記光学サブシステムが、回折格子およびＶＩＰＡのうちの少なくとも１つまたは両方、ならびに１次元または２次元検出器アレイを備え、前記検出器アレイの個々の素子がそれぞれの素子が前記コム・ライン間隔とほぼ等しい光周波数帯に感度があるように離間して配置されている、高分解能分光システム。
23. 前記周波数コム・システムが、可変コム間隔、可変搬送波エンベロープ・オフセット周波数、またはその両方をさらに備える、請求項２２に記載の高分解能分光学システム。
24. 前記コム・システムの瞬時光周波数を測定するように構成された少なくとも１つの参照レーザおよび少なくとも１つの検出器をさらに備える、請求項２２に記載の高分解能分光学システム。
25. 約１ＧＨｚよりも大きなコム間隔を有するファイバ・コム・レーザと、
    参照レーザと、
    前記コム・レーザのラインと前記光学参照レーザとの間の第１のマイクロ波ビート信号を測定する第１の検出器と、
    前記ファイバ・コム・レーザの搬送波エンベロープ・オフセット周波数を測定するサブシステムであって、前記コム・レーザからの出力を受け取り、前記搬送波エンベロープ・オフセット周波数を表す出力信号（ＣＥＯ）を生成するサブシステムと、
    前記第１のマイクロ波ビート信号および前記出力信号（ＣＥＯ）を受け取り、第２のビート信号を生成するミキサと、
    前記第２のビート信号を受け取り、前記コム・レーザを制御するコム・コントローラであって、前記コム・コントローラの一部が前記第２のビート信号を前記コム・レーザ間隔の変調によりマイクロ波参照に位相ロックするように構成されるコム・コントローラと、
    低位相雑音マイクロ波出力信号を提供する第２の検出器とを備える、低位相雑音マイクロ波源。
26. 前記コム・レーザの出力パワーを安定化させるように構成された追加の電子フィードバック回路を備える、請求項２５に記載の低位相雑音マイクロ波源。
27. 前記モード同期導波路レーザが高度に希土類元素をドープした利得ファイバを備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
28. 前記ファイバ・コム・レーザが高度に希土類元素をドープした利得ファイバを備える、請求項２５に記載の低位相雑音マイクロ波源。
29. 前記導波路レーザがリング・レーザとして、またはファブリ・ペロー共振器で構成される、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。
30. 前記コム・レーザ出力パワーを安定化させるように構成された追加の電子フィードバック回路を備える、請求項１に記載のモード同期導波路レーザ・システム。

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