JP2023160233A - 偏光方向ディスクリミネータ、デュアル出力レーザ、及び偏光方向弁別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝搬する光の偏光方向に応じて非対称な透過性を示す偏光方向ディスクリミネータを提供すること。
【解決手段】偏光方向ディスクリミネータ１０は、一端に設けられた第１ポートＰＯ１と、他端に設けられた第２ポートＰＯ２との間であって、第１ポートＰＯ１側に配置される第１ファラデーローテータ１１と、第１ポートＰＯ１と第２ポートＰＯ２との間であって、第２ポートＰＯ２側に配置される第２ファラデーローテータ１２と、第１ファラデーローテータ１１と第２ファラデーローテータ１２との間に配置される光学要素としての偏光板１４を含み、偏光板１４に入射する第１中間偏光Ｐ１２，Ｐ２３と第２中間偏光Ｐ２２，Ｐ１３とのうち一の通過を制限する偏光選択デバイス１５とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏光方向及び伝搬方向に応じた可逆的透過性を有する偏光方向ディスクリミネータ、これを用いたデュアル出力レーザ、並びに偏光方向弁別方法に関する。

偏光方向ディスクリミネータに関連する光学装置として、一方向に伝搬する光のみを通過させるアイソレータが存在する。この種のアイソレータとして、例えば偏光方向を４５°回転させるファラデーローテータの外側に一対の直交する偏光方向に設定された一対のポーラライザを配置した構造を有するものが存在する。なお、偏光方向を維持するため、ファラデーローテータと一のポーラライザとの間に１／２波長板を配置することもある。

上記のようなアイソレータは、一方向からの光を透過させ、他方向からの光を遮断するものであるため、他方向からの光を利用することができなくなる。

高強度の短パルスを発生するモード同期レーザとして、直交する２種の偏光を成分とするデュアル非同期パルスすなわちデュアル周波数コムを形成するものが公知となっている（例えば、非特許文献１及び２参照）。

しかしながら、非特許文献１では、ファイバ共振器リングに一般的なアイソレータを組み込んでおり、デュアル周波数コムを安定して効率的に取り出すことは容易でない。

Xin Zhao et al., "Polarization-multiplexed, dual-comb all-fiber mode-locked laser", PP853-857, Vol. 6, No. 9 / September 2018 / Photonics Research Yoshiaki Nakajima et al., "All-polarization-maintaining, polarization-multiplexed, dual-comb fiber laser with a nonlinear amplifying loop mirror", PP853-857, Vol. 27, No. 10 | 13 May 2019 | OPTICS EXPRESS 14648

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、伝搬する光の偏光方向に応じて非対称な透過性を示す偏光方向ディスクリミネータを提供することを目的とする。

本発明は、上記のような偏光方向ディスクリミネータによって、デュアル周波数コムを効率的に取り出すことができるデュアル出力レーザを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る偏光方向ディスクリミネータは、偏光依存デバイスであり、一端に設けられた第１ポートと、他端に設けられた第２ポートとの間であって、第１ポート側に配置される第１ファラデーローテータと、第１ポートと第２ポートとの間であって、第２ポート側に配置される第２ファラデーローテータと、第１ファラデーローテータと第２ファラデーローテータとの間に配置される光学要素を含み、光学要素に入射する第１中間偏光と第２中間偏光とのうち一の通過を制限する偏光選択デバイスとを備える。

上記偏光方向ディスクリミネータでは、偏光選択デバイスが光学要素に入射する第１中間偏光と第２中間偏光とのうち一の中間偏光の通過を制限するので、第１ポート側から入射した第１偏光を選択的に通過させ、かつ、第２ポート側から入射した第２偏光を選択的に通過させるといった動作が可能になり、２種の偏光を互いに逆方向に伝搬させる状態を強制的に実現することが容易になる。

本発明の具体的な側面では、上記偏光方向ディスクリミネータにおいて、偏光選択デバイスは、光学要素として、第１中間偏光と第２中間偏光とのうち一の中間偏光の通過を相対的に抑制する偏光板を備える。この場合、偏光選択デバイス、延いては偏光方向ディスクリミネータを簡単な構造とすることができる。

本発明の別の側面では、第１ファラデーローテータと第２ファラデーローテータとは、反対方向に４５°偏光方向を回転させる。この場合、第１ポート側から入射した第１偏光や第２ポート側から入射した第２偏光の透過率を高めることができる。

本発明のさらに別の側面では、偏光板の偏光軸は、第１ファラデーローテータと第２ファラデーローテータとに入射させる第１偏光の偏光方向と第２偏光の偏光方向とに対して４５°傾いている。

本発明のさらに別の側面では、偏光選択デバイスは、光学要素である複屈折素子と、第１ポートとして第１ファラデーローテータより外側に配置される第１絞りと、第２ポートとして第２ファラデーローテータより外側に配置される第２絞りとを備える。この場合、第１絞りや第２絞りを用いた確実な遮光が可能となり、偏光方向ディスクリミネータの精度を向上させることが容易となる。

本発明のさらに別の側面では、第１ファラデーローテータと第２ファラデーローテータとは、反対方向に４５°偏光方向を回転させる。

上記目的を達成するため、本発明に係るデュアル出力レーザは、偏波保持型のリング状の共振器と、共振器中に配置される光利得部と、共振器に第１周回方向に伝搬するように第１偏光を供給する第１光供給部と、共振器に第２周回方向に伝搬するように第２偏光を供給する第２光供給部と、上述した偏光方向ディスクリミネータとを備える。

上記デュアル出力レーザでは、共振器中で一方に伝搬する第１偏光と共振器中で他方に伝搬する第２偏光とを高効率で併存させることによって、偏波クロストークを低減することができ、高出力のデュアルタイプの光源を提供することができる。

本発明の具体的な側面では、上記デュアル出力レーザにおいて、共振器に結合され第１偏光と第２偏光とを取り出す出力カプラをさらに備え、第１光供給部及び第２光供給部が出力カプラを挟んで対称的に配置され、光利得部が出力カプラを挟んで対称的に配置されている。この場合、発振状態を安定化することができ、第１偏光と第２偏光とを高効率で発生させ取り出すことができる。

なお、デュアル出力レーザは、偏光方向が異なる一対の光コムを出力するもの、つまり、デュアルコムレーザとすることができる。また、デュアル出力レーザは、受動型のモード同期動作を行うモード同期レーザとすることができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る偏光方向弁別方法は、一対のファラデーローテータ及び偏光選択デバイスを介して第１偏光と第２偏光とを透過させる偏光方向弁別方法であって、一方から入射した第１偏光を通過させつつ第２偏光の通過を制限し、かつ、他方から入射した第２偏光を通過させつつ第１偏光の通過を制限する。

本発明の具体的な側面では、上記偏光方向弁別方法において、偏光選択デバイスは、一対のファラデーローテータの間に配置される光学要素を含み、光学要素に一方から入射する第１中間偏光と他方から入射する第２中間偏光とのうち一の中間偏光の通過を制限する。

（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施形態の偏光方向ディスクリミネータを説明する概念的な平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施形態の偏光方向ディスクリミネータを説明する概念的な斜視図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、第２実施形態の偏光方向ディスクリミネータを説明する概念的な平面図である。 第３実施形態のモード同期レーザを説明する概念図である。 図４に示すモード同期レーザに組み込まれた偏光方向ディスクリミネータを説明する図である。 図４に示すモード同期レーザの出力の光スペクトルを示すチャートである。 出力のパルス列を示すチャートである。

〔第１実施形態〕
以下、図１（Ａ）、図２（Ａ）等を参照して、本発明に係る偏光方向ディスクリミネータの第１実施形態について説明する。図１等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、全体の座標系を示し、ｘ及びｙは着目する箇所の局在的な座標系を示している。特にＸ及びＹは、光の入射方向に対して直交する２方向に相当し、Ｚは、光の入射方向に相当する。ｘ及びｙは、光軸ＡＸ上の点における座標を与えるものであり、光軸ＡＸに対して直交する２方向に相当し、ｚは、光軸ＡＸに平行な方向に相当する。

図１（Ａ）は、偏光方向ディスクリミネータ１０において、左側から第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が入射する場合を示し、図１（Ｂ）は、偏光方向ディスクリミネータ１０において、右側から第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が入射する場合を示している。図１（Ａ）及び１（Ｂ）の上部領域ＡＲ１は、偏光方向ディスクリミネータ１０を通過する各位置での偏光状態又は偏光方向を紙面左側から光軸ＡＸに沿って見た状態として説明するものである。

図２（Ａ）は、偏光方向ディスクリミネータ１０において、左側から第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が入射する場合を示し、図２（Ｂ）は、偏光方向ディスクリミネータ１０において、右側から第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が入射する場合を示している。

図１（Ａ）、１（Ｂ）等に示す偏光方向ディスクリミネータ１０は、非相反型の光学素子であり、より詳細には偏光依存非相反型のディスクリミネータである。偏光方向ディスクリミネータ１０を偏光依存デバイスと呼ぶこともできる。偏光方向ディスクリミネータ１０は、左側つまり－Ｚ側の第１ポートＰＯ１と、右側つまり＋Ｚ側の第２ポートＰＯ２との間に、第１ファラデーローテータ１１と、偏光板１４と、第２ファラデーローテータ１２とを備える。第１ファラデーローテータ１１は、第１ポートＰＯ１側に配置され、第２ファラデーローテータ１２は、第２ポートＰＯ２側に配置される。偏光板１４は、第１ファラデーローテータ１１と第２ファラデーローテータ１２との間に配置される光学要素であり、単独で偏光選択デバイス１５として機能する。

図示の例では、第１ポートＰＯ１は、独立した部材ではなく、第１ファラデーローテータ１１の端面１１ａがその機能を兼ねている。第１ポートＰＯ１は、第１ファラデーローテータ１１の端面１１ａに隣接して配置される絞りであってもよい。また、第１ポートＰＯ１において、光の集光状態を調整するレンズを付加してもよい。

第２ポートＰＯ２は、独立した部材ではなく、第２ファラデーローテータ１２の端面１２ａがその機能を兼ねている。第２ポートＰＯ２は、第２ファラデーローテータ１２の端面１２ａに隣接して配置される絞りであってもよい。また、第２ポートＰＯ２において、光の集光状態を調整するレンズを付加してもよい。

第１ファラデーローテータ１１は、ブロック状の強磁性体結晶１１ｉと、強磁性体結晶１１ｉに磁場Ｂ１を形成する磁石１１ｊとを備える。強磁性体結晶１１ｉ中に形成された磁場Ｂ１は、－Ｚ方向に向かっている。強磁性体結晶１１ｉには、一対の平面である端面１１ａ，１１ｂが形成され、直線偏光が強磁性体結晶１１ｉを通過すると、直線偏光の偏光方向が、入射時の偏光方向の角度にかかわらず４５°回転する。具体的には、第１偏光Ｐ１や第２偏光Ｐ２が左側の端面１１ａから入射して強磁性体結晶１１ｉを通過すると、偏光方向が－Ｚ側から見て反時計方向に４５°回転する。図示を省略するが、第１偏光Ｐ１や第２偏光Ｐ２が強磁性体結晶１１ｉを逆方向から通過しても、偏光方向が－Ｚ側から見て反時計方向に４５°回転する。

第２ファラデーローテータ１２は、ブロック状の強磁性体結晶１２ｉと、強磁性体結晶１２ｉに磁場Ｂ２を形成する磁石１２ｊとを備える。強磁性体結晶１２ｉ中に形成された磁場Ｂ２は、＋Ｚ方向に向かっている。強磁性体結晶１２ｉには、一対の平面である端面１２ａ，１２ｂが形成され、直線偏光が強磁性体結晶１２ｉを通過すると、直線偏光の偏光方向が、入射時の偏光方向の角度にかかわらず４５°回転する。具体的には、第１偏光Ｐ１や第２偏光Ｐ２が右側の端面１２ａから入射して強磁性体結晶１２ｉを通過すると、偏光方向が－Ｚ側から見て時計方向に４５°回転する。図示を省略するが、第１偏光Ｐ１や第２偏光Ｐ２が強磁性体結晶１２ｉを逆方向から通過しても、偏光方向が＋Ｚ側から見て時計方向に４５°回転する。

偏光板１４は、吸収型のポーラライザであり、偏光板１４を通過する光を特定の偏光方向の直線偏光に制限する。偏光板１４は、例えばヨウ素化合物や染料を含有させた高分子材料を特定方向に延伸することによって得た偏光膜を平行平板の基板上に接着したものである。偏光板１４の偏光軸は、－ｘ方向と＋ｙ方向との間に設定され、－ｘ方向に対しても＋ｙ方向に対しても４５°をなしている。偏光板１４の偏光軸は、第１ファラデーローテータ１１及び第２ファラデーローテータ１２に入射させる第１偏光Ｐ１の偏光方向と第２偏光Ｐ２の偏光方向とに対して４５°傾いている。偏光板１４は、吸収型に限らず、例えば誘電体多層膜を組み込んだ偏光ビームスプリッタに置き換えることができ、この場合、不要光は光路外に分岐される。

以上では説明を省略したが、一方の第１ファラデーローテータ１１の端面１１ａ，１１ｂには、反射防止膜を形成することができ、他方の第２ファラデーローテータ１２の端面１２ａ，１２ｂには、反射防止膜を形成することができる。また、偏光板１４の表面にも、反射防止膜を形成することができる。

図２（Ａ）及び２（Ｂ）を参照して、偏光方向ディスクリミネータ１０の動作について説明する。図２（Ａ）及び２（Ｂ）において、第１ファラデーローテータ１１中や第１ファラデーローテータ１１の前後に描かれたサイン波形Ｅ１は、第１偏光Ｐ１やこれに由来する偏光の電場の振動を示し、サイン波形Ｅ２は、第２偏光Ｐ２やこれに由来する偏光の電場の振動を示す。

図２（Ａ）の場合、第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が、偏光方向ディスクリミネータ１０の左側から入射する。ここで、第１偏光Ｐ１は、Ｙ方向すなわちｙ方向に平行な偏光面を有する直線偏光であり、第２偏光Ｐ２は、Ｘ方向すなわちｘ方向に平行な偏光面を有する直線偏光であり、第１偏光Ｐ１の偏光方向と第２偏光Ｐ２の偏光方向とは直交する。第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２は、第１ファラデーローテータ１１を通過することで、偏光面が反時計方向に４５°回転する。つまり、第１偏光Ｐ１は、＋ｙ方向を基準として反時計方向に４５°回転した－４５°傾斜方向に偏向面を有する状態となっている。この状態を第１中間偏光Ｐ１２と呼ぶ。一方、第２偏光Ｐ２は、＋ｙ方向を基準として時計方向に４５°回転した＋４５°傾斜方向に偏向面を有する状態となっている。この状態を第２中間偏光Ｐ２２と呼ぶ。第１偏光Ｐ１に由来する第１中間偏光Ｐ１２と、第２偏光Ｐ２に由来する第２中間偏光Ｐ２２とは、偏光板１４に入射する。第１偏光Ｐ１に由来する第１中間偏光Ｐ１２の偏光方向は、偏光板１４の偏光軸と一致しており、偏光板１４を低損失で通過する。一方、第２偏光Ｐ２に由来する第２中間偏光Ｐ２２の偏光方向は、偏光板１４の偏光軸と直交しており、偏光板１４で吸収され遮断される。偏光板１４は、第１中間偏光Ｐ１２と第２中間偏光Ｐ２２とのうち一つである第２中間偏光Ｐ２２の通過を相対的に抑制する役割を有する。第１中間偏光Ｐ１２は、偏光板１４を通過した後に、第２ファラデーローテータ１２に端面１２ｂ側から入射する。第１中間偏光Ｐ１２は、第２ファラデーローテータ１２を通過することで、偏光面が時計方向に４５°回転する。つまり、第１中間偏光Ｐ１２は、－４５°傾斜方向から＋ｙ方向に平行な偏向面を有する状態となり、元の第１偏光Ｐ１に戻されている。結果的に、第１偏光Ｐ１は、偏光状態を保ちつつ、偏光方向ディスクリミネータ１０を一方向である＋Ｚ方向に通過する。第２偏光Ｐ２は、偏光方向ディスクリミネータ１０を通過できず遮断される。

図２（Ｂ）の場合、第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が、偏光方向ディスクリミネータ１０の右側から入射する。第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２は、第２ファラデーローテータ１２を通過することで、偏光面が時計方向に４５°回転する。つまり、第１偏光Ｐ１は、＋ｙ方向を基準として時計方向に４５°回転した＋４５°傾斜方向に偏向面を有する状態となっている。この状態を第２中間偏光Ｐ１３と呼ぶ。一方、第２偏光Ｐ２は、＋ｙ方向を基準として反時計方向に４５°回転した－４５°傾斜方向に偏向面を有する状態となっている。この状態を第１中間偏光Ｐ２３と呼ぶ。第１偏光Ｐ１に由来する第２中間偏光Ｐ１３と、第２偏光Ｐ２に由来する第１中間偏光Ｐ２３とは、偏光板１４に入射する。第２偏光Ｐ２に由来する第１中間偏光Ｐ２３の偏光方向は、偏光板１４の偏光軸と一致しており、偏光板１４を低損失で通過する。一方、第１偏光Ｐ１に由来する第２中間偏光Ｐ１３の偏光方向は、偏光板１４の偏光軸と直交しており、偏光板１４で吸収され遮断される。偏光板１４は、第１中間偏光Ｐ２３と第２中間偏光Ｐ１３とのうち一つである第２中間偏光Ｐ１３の通過を相対的に抑制する役割を有する。第１中間偏光Ｐ２３は、偏光板１４を通過した後に、第１ファラデーローテータ１１に端面１１ｂ側から入射する。第１中間偏光Ｐ２３は、第１ファラデーローテータ１１を通過することで、偏光面が反時計方向に４５°回転する。つまり、第１中間偏光Ｐ２３は、＋ｙ方向を基準とする－４５°傾斜方向から－ｘ方向に平行な偏向面を有する状態となり、元の第２偏光Ｐ２に戻されている。結果的に、第２偏光Ｐ２は、偏光状態を保ちつつ、偏光方向ディスクリミネータ１０を他方向である－Ｚ方向に通過する。第１偏光Ｐ１は、偏光方向ディスクリミネータ１０を通過できず遮断される。

以上で説明した第１実施形態の偏光方向ディスクリミネータ１０は、一端に設けられた第１ポートＰＯ１と、他端に設けられた第２ポートＰＯ２との間であって、第１ポートＰＯ１側に配置される第１ファラデーローテータ１１と、第１ポートＰＯ１と第２ポートＰＯ２との間であって、第２ポートＰＯ２側に配置される第２ファラデーローテータ１２と、第１ファラデーローテータ１１と第２ファラデーローテータ１２との間に配置される光学要素としての偏光板１４を含み、偏光板１４に入射する第１中間偏光Ｐ１２，Ｐ２３と第２中間偏光Ｐ２２，Ｐ１３とのうち一の通過を制限する偏光選択デバイス１５とを備える。

上記偏光方向ディスクリミネータでは、偏光選択デバイス１５が偏光板１４に入射する一方の第２中間偏光Ｐ２２，Ｐ１３の通過を制限するので、第１ポートＰＯ１側から入射した第１偏光Ｐ１を選択的に通過させ、かつ、第２ポートＰＯ２側から入射した第２偏光Ｐ２を選択的に通過させるといった動作が可能になり、２種の偏光Ｐ１，Ｐ２を互いに逆方向に伝搬させる状態を強制的に実現することが容易になる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の偏光方向ディスクリミネータについて説明する。なお、第２実施形態の偏光方向ディスクリミネータは、第１実施形態の装置を変形したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様である。

図３（Ａ）は、偏光方向ディスクリミネータ１０において、左側から第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が入射する場合を示し、図３（Ｂ）は、偏光方向ディスクリミネータ１０において、右側から第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が入射する場合を示している。図２（Ａ）及び２（Ｂ）の上部及び下部の領域ＡＲ１，ＡＲ２は、偏光方向ディスクリミネータ１０を通過する各位置での偏光状態又は偏光方向を紙面左側から光軸ＡＸに沿って見た状態として説明するものである。この場合、紙面は、Ｚ軸に平行で、Ｘ方向とＹ方向とに対して４５°をなす中間方向に平行に延びる。

偏光方向ディスクリミネータ１０は、第１ファラデーローテータ１１と第２ファラデーローテータ１２との間に、光学要素として、偏光板１４の代わりに複屈折素子１４ａを有する。偏光方向ディスクリミネータ１０は、第１ファラデーローテータ１１より外側に配置される第１絞り１４ｂと、第２ファラデーローテータ１２より外側に配置される第２絞り１４ｃとを備える。複屈折素子１４ａは、第１絞り１４ｂと第２絞り１４ｃと組み合わせることで、偏光選択デバイス１１５として機能する。

複屈折素子１４ａは、紙面に平行で光軸ＡＸに対して所定角度だけ傾いた方向に光学軸１４ｐが延びる複屈折プリズムである。複屈折素子１４ａの第１面１４ｇに紙面左側から垂直に入射したＳ偏光（紙面に垂直な偏光方向成分）は、常光線として第１面１４ｇに垂直な方向に直進するように伝搬し、複屈折素子１４ａの第１面１４ｇに紙面左側から垂直に入射したＰ偏光（紙面に平行な偏光方向成分）は、異常光線として第１面１４ｇに対して傾斜した方向に光軸ＡＸから逸れるように伝搬する。複屈折素子１４ａの第２面１４ｈに紙面右側から垂直に入射したＳ偏光は、常光線として第１面１４ｈに垂直な方向に直進するように伝搬し、複屈折素子１４ａの第２面１４ｈに紙面右側から垂直に入射したＰ偏光は、異常光線として第２面１４ｈに対して傾斜した方向に光軸ＡＸから逸れるように伝搬する。

第１絞り１４ｂは、開口１４ｏを有し、光軸ＡＸ及びその近傍に沿って紙面左側から入射する第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２を通過させる。第２絞り１４ｃは、開口１４ｏを有し、光軸ＡＸ及びその近傍に沿って紙面右側から入射する第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２を通過させる。

図３（Ａ）の場合、第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が、偏光方向ディスクリミネータ１０の左側から入射する。ここで、第１偏光Ｐ１は、Ｙ方向すなわちｙ方向に平行な偏光面を有する直線偏光であり、第２偏光Ｐ２は、Ｘ方向すなわちｘ方向に平行な偏光面を有する直線偏光であり、第１偏光Ｐ１の偏光方向と第２偏光Ｐ２の偏光方向とは直交する。第１絞り１４ｂの開口１４ｏを通過した第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２は、第１ファラデーローテータ１１を通過することで、偏光方向が反時計方向に４５°回転する。つまり、第１偏光Ｐ１は、反時計方向に４５°回転した－４５°傾斜方向に偏向方向を有する第１中間偏光Ｐ１２となる。一方、第２偏光Ｐ２は、第１ファラデーローテータ１１を通過することで、偏光方向が反時計方向に４５°回転する。つまり、第２偏光Ｐ２は、反時計方向に４５°回転した＋４５°傾斜方向に偏向方向を有する第２中間偏光Ｐ２２となる。第１偏光Ｐ１に由来する第１中間偏光Ｐ１２と、第２偏光Ｐ２に由来する第１中間偏光Ｐ２２とは、複屈折素子１４ａに入射する。第１偏光Ｐ１に由来する第１中間偏光Ｐ１２の偏光方向は、紙面に垂直であり、複屈折素子１４ａを直進する。一方、第２偏光Ｐ２に由来する第２中間偏光Ｐ２２の偏光方向は、紙面に平行であり、光軸ＡＸから逸れる。複屈折素子１４ａから射出された第１中間偏光Ｐ１２は、そのまま光軸ＡＸに沿って直進して第２ファラデーローテータ１２に入射し、複屈折素子１４ａから射出された第２中間偏光Ｐ２２は、光軸ＡＸに平行な方向に屈折されて第２ファラデーローテータ１２に入射する。第１中間偏光Ｐ１２は、第２ファラデーローテータ１２を通過することで、偏光面が時計方向に４５°回転する。つまり、第１中間偏光Ｐ１２は、＋ｙ方向を基準として－４５°傾斜方向から＋ｙ方向に平行な偏向面を有する状態となり、元の第１偏光Ｐ１に戻されている。結果的に、第１偏光Ｐ１は、偏光状態を保ちつつ、偏光方向ディスクリミネータ１０を一方向である＋Ｚ方向に通過する。第２中間偏光Ｐ２２は、第２偏光Ｐ２に戻されるが、第２絞り１４ｃの開口１４ｏ外に入射し、第２絞り１４ｃによって遮られる。つまり、第２偏光Ｐ２は、偏光方向ディスクリミネータ１０を通過できず遮断される。

図３（Ｂ）の場合、第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２が、偏光方向ディスクリミネータ１０の右側から入射する。第２絞り１４ｃの開口１４ｏを通過した第１偏光Ｐ１及び第２偏光Ｐ２は、第２ファラデーローテータ１２を通過することで、偏光方向が時計方向に４５°回転する。つまり、第１偏光Ｐ１は、時計方向に４５°回転した＋４５°傾斜方向に偏向方向を有する第２中間偏光Ｐ１３となる。一方、第２偏光Ｐ２は、第２ファラデーローテータ１２を通過することで、偏光方向が時計方向に４５°回転する。つまり、第２偏光Ｐ２は、反時計方向に４５°回転した－４５°傾斜方向に偏向方向を有する第１中間偏光Ｐ２３となる。第１偏光Ｐ１に由来する第２中間偏光Ｐ１３と、第２偏光Ｐ２に由来する第１中間偏光Ｐ２３とは、複屈折素子１４ａに入射する。第１偏光Ｐ１に由来する第２中間偏光Ｐ１３の偏光方向は、紙面に平行であり、光軸ＡＸから逸れる。一方、第２偏光Ｐ２に由来する第１中間偏光Ｐ２３の偏光方向は、紙面に垂直であり、複屈折素子１４ａを直進する。複屈折素子１４ａから射出された第１中間偏光Ｐ２３は、そのまま光軸ＡＸに沿って直進して第１ファラデーローテータ１１に入射し、複屈折素子１４ａから射出された第２中間偏光Ｐ１３は、光軸ＡＸに平行な方向に屈折されて第１ファラデーローテータ１１に入射する。第１中間偏光Ｐ２３は、第１ファラデーローテータ１１を通過することで、偏光面が反時計方向に－４５°回転する。つまり、第１中間偏光Ｐ２３は、＋ｙ方向を基準とする－４５°傾斜方向から＋ｘ方向に平行な偏向面を有する状態となり、元の第２偏光Ｐ２に戻されている。結果的に、第２偏光Ｐ２は、偏光状態を保ちつつ、偏光方向ディスクリミネータ１０を一方向である－Ｚ方向に通過する。第２中間偏光Ｐ１３は、第１偏光Ｐ１に戻されるが、第１絞り１４ｂの開口１４ｏ外に入射し、第１絞り１４ｂによって遮られる。つまり、第１偏光Ｐ１は、偏光方向ディスクリミネータ１０を通過できず遮断される。

以上で説明した第２実施形態の偏光方向ディスクリミネータ１０において、偏光選択デバイス１１５は、光学要素である複屈折素子１４ａと、第１ポートＰＯ１として第１ファラデーローテータ１１より外側に配置される第１絞り１４ｂと、第２ポートＰＯ２として第２ファラデーローテータ１２より外側に配置される第２絞り１４ｃとを備える。第２実施形態の場合、第１絞り１４ｂや第２絞り１４ｃを用いた確実な遮光が可能なり、偏光方向ディスクリミネータ１０の精度を向上させることが容易となる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態のモード同期レーザについて説明する。なお、第３実施形態のモード同期レーザは、第１実施形態又は第２実施形態の偏光方向ディスクリミネータを組み込んだものである。

図４に示すモード同期レーザ１００は、デュアル出力レーザである。モード同期レーザ１００は、より詳細にはデュアルコムレーザであり、２つの光周波数コムを単一の光共振器内で発生させるデュアルコム光源である。モード同期レーザ１００は、受動モード同期レーザであり、共振器１００ａと、偏光方向ディスクリミネータ１０と、光増幅部２０と、第１透過調整部３１と、第２透過調整部３２と、出力カプラ５０とを備える。モード同期レーザ１００は、偏波保持型のリング状の共振器１００ａに、光増幅部２０と、第１透過調整部３１と、第２透過調整部３２と、偏光方向ディスクリミネータ１０と、出力カプラ５０とを備え、これらを融着等によって接合したものである。

モード同期レーザ１００のうち、共振器１００ａは、光ファイバ２によってリング状に形成されている。光ファイバ２は、偏波保持型の光ファイバ（ＰＭＦ：Polarization Maintaining Fiber）である。

図５に示すように、偏光方向ディスクリミネータ１０は、コネクタ３ａ，３ｂを介して共振器１００ａの光ファイバ２の光路上に挿入されている。コネクタ３ａ，３ｂには、レンズ等を含ませることができ、周回光ＯＬ１，ＯＬ２をコリメートすることができる。偏光方向ディスクリミネータ１０は、図１（Ａ）等に例示する構造を有する。偏光方向ディスクリミネータ１０を構成する第１ファラデーローテータ１１と、偏光板１４と、第２ファラデーローテータ１２とは、遮光性を有するホルダ１８中に位置決めされた状態で固定されている。

図４に戻って、光増幅部２０は、共振器１００ａに付随して共振器１００ａ中に配置され、第１光供給部２１と、第２光供給部２２と、ゲインファイバ２３とを有する。

第１光供給部２１は、第１励起光源２１ａと第１合波カプラ２１ｂとを有する。第１光供給部２１は、共振器１００ａに一方向から第１偏光Ｐ１の励起光ＰＬを供給する。第１偏光Ｐ１すなわち励起光ＰＬは、第１周回方向（具体的には共振器１００ａのループの時計方向）に伝搬する。第１励起光源２１ａは、例えば半導体レーザで構成され、例えば波長９８０ｎｍの励起光を出力する。第１合波カプラ２１ｂは、共振器１００ａにおいて例えば波長１５５０ｎｍの光が伝搬し周回することを妨げないものとなっている。第１光供給部２１から共振器１００ａに導入された励起光は、ゲインファイバ２３であるドープファイバに添加されたドーパントを励起し、出力用の共振光の波長での誘導放出を可能にする。

第２光供給部２２は、第２励起光源２２ａと第２合波カプラ２２ｂとを有する。第２光供給部２２は、ゲインファイバ２３に他方向から第２偏光Ｐ２の励起光ＰＬを供給する。第２偏光Ｐ２すなわち励起光ＰＬは、第２周回方向（具体的には共振器１００ａのループの反時計方向）に伝搬する。第１励起光源２１ａは、第１励起光源２１ａと同様のものであり、例えば波長９８０ｎｍの励起光を出力する。第２合波カプラ２２ｂは、共振器１００ａにおいて例えば波長１５５０ｎｍの光が伝搬し周回することを妨げないものとなっている。第２励起光源２２ａと第２合波カプラ２２ｂとの間に延びる光ファイバは、スプライス接続部２２ｓを有し、第２励起光源２２ａから出力される励起光ＰＬについて偏光方向の回転を可能にしている。第２光供給部２２から共振器１００ａに導入された励起光は、ゲインファイバ２３であるドープファイバに添加されたドーパントを励起し、出力用の共振光の波長での誘導放出を可能にする。

ゲインファイバ２３は、共振器１００ａ中に配置される光利得部である。ゲインファイバ２３は、共振器１００ａを構成する光ファイバ２にインラインで接続される。ゲインファイバ２３は、増幅機能を備えるようにドープされた偏波保持型の光ファイバである。具体的には、ゲインファイバ２３は、エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素を添加したドープファイバであり、共振器１００ａを時計回りに周回する第１周回光ＯＬ１と、反時計回りに周回する第２周回光ＯＬ２とを増幅する。

第１透過調整部３１及び第２透過調整部３２は、共振器１００ａ中に配置され、非線形に透過率が変化する可飽和吸収特性によって超短パルスの生成を可能にする。第１透過調整部３１及び第２透過調整部３２は、可飽和吸収体３０ａを光路上に配置したものであり、可飽和吸収体３０ａとして、カーボンナノチューブ、グラフェン等を用いることができる。

出力カプラ５０は、共振器１００ａに結合され第１偏光Ｐ１と第２偏光Ｐ２とを取り出す。出力カプラ５０は、２つの出力ポート５１ａ，５１ｂを有し、共振器１００ａに結合されている。出力カプラ５０の第１出力ポート５１ａから第１アイソレータ６１を介して、第２偏光Ｐ２のパルス光として第１出力光Ｑ１が出力され、出力カプラ５０の第２出力ポート５１ｂから第２アイソレータ６２を介して、第１偏光Ｐ１のパルス光として第２出力光Ｑ２が出力される。

図示の偏光方向ディスクリミネータ１０において、第１光供給部２１及び第２光供給部２２が出力カプラ５０を挟んで対称的に配置され、光利得部であるゲインファイバ２３が出力カプラ５０を挟んで対称的に配置されている。また、第１透過調整部３１及び第２透過調整部３２が出力カプラ５０を挟んで対称的に配置されている。

図６は、図４に示すモード同期レーザ１００の第１出力光Ｑ１及び第２出力光Ｑ２の光スペクトルを示すチャートである。また、図７は、第１出力光Ｑ１及び第２出力光Ｑ２のパルス列を示すチャートである。

図６は、分解能帯域幅を０．０５ｎｍに設定した光スペクトラムアナライザを用いて測定した結果である。第１出力光Ｑ１のOutput 1と第２出力光Ｑ２のOutput 2との３－ｄＢ光帯域幅は、それぞれ４．１３ｎｍと４．５２ｎｍとである。図７は、オシロスコープによる時間波形を測定したものであり、繰り返し周波数は２０．６７２９６８ＭＨｚと２０．６７８４６８ＭＨｚとが観測された。

図４に示すモード同期レーザ１００は、デュアルコム光源として用いることができ、分光や測距に応用することができる。デュアルコム分光は、スマート農業やバイオ分野に応用され、実装サイズを小さくすることができ、測定速度の高速化を可能にする。デュアルコム測距は、自動運転やドローンの分野に応用が期待され、測定精度を高くすることができ、装置価格を抑えることを可能にする。

図５において、偏光方向ディスクリミネータ１０は、一体的な装置として表現されているが、これを構成する第１ファラデーローテータ１１と偏光板１４と第２ファラデーローテータ１２とが光ファイバ、コネクタ、レンズその他の導光部材を介して離間していても、導光部材の通過に際して偏光状態が維持されるならば、偏光に関する非相反型の光学素子として所期の機能を発揮する。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１ファラデーローテータ１１や第２ファラデーローテータ１２による偏光方向の回転は、±４５°に限らず、±４５°＋１８０°×ｎ（ｎは自然数）とすることができる。また、ファラデーローテータ１１，１２よる偏光方向の回転は、厳密に±４５°でなくてもよい。

また、上記実施形態において、第１ファラデーローテータ１１や第２ファラデーローテータ１２による偏光方向の回転は、結果的な偏光方向の回転量が±４５°であれば、反対方向に限らず同一回転方向とすることができる。

第１ファラデーローテータ１１や第２ファラデーローテータ１２は、光ファイバ状とすることができ、偏光板１４を含めた偏光選択デバイス１５を光ファイバ２中に一体的に組み込むことができる。

第１透過調整部３１及び第２透過調整部３２は、偏波依存を持たせることができる。例えば、第１透過調整部３１に第１偏光Ｐ１に適合する透過特性を持たせ、第２透過調整部３２に第２偏光Ｐ２に適合する透過特性を持たせることができる。

第１実施形態や第２実施形態で説明した偏光方向ディスクリミネータ１０は、モード同期レーザ１００に限らず、モード同期以外の手法によって光コムを形成するデュアルコムレーザ、例えば非線形効果を持つ導波路の共振器を備えるデュアルコムレーザに組み込むことができる。具体的には、異なる波長を持つ連続光を導波路に入射させることで光コムの形成させること、或いは、単一の連続光を導波路に入射させ、カー効果に似た過程を経て光コムを発生させることが考えられる。

偏光方向ディスクリミネータ１０は、連続発振型のデュアル出力レーザに組み込むことができる。この場合、双方向送偏波の連続発振のレーザ出力を得ることができる。

また、上記実施形態において、共振器１００ａが光ファイバ２を含む構成であるとしたが、モード同期レーザ１００は、光ファイバを用ない他の導波路式光デバイスにも適通用することができる。導波路式光デバイスとしては、例えば、ＰＬＣ（Photonics Lightwave Circuits）、シリコンフォトニクス導波路（Silicon Photonics Waveguides）、半導体式導波路（ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等）が挙げられる。

２…光ファイバ、３ａ，３ｂ…コネクタ、１０…偏光方向ディスクリミネータ、１１…ファラデーローテータ、１１，１２…ファラデーローテータ、１１ａ…端面、１１ａ，１１ｂ…端面、１１ｂ…端面、１１ｉ…強磁性体結晶、１１ｊ…磁石、１２…ファラデーローテータ、１２ａ…端面、１２ａ，１２ｂ…端面、１２ｂ…端面、１２ｉ…強磁性体結晶、１２ｊ…磁石、１４…偏光板、１４ａ…複屈折素子、１４ｇ…面、１４ｈ…面、１４ｏ…開口、１４ｐ…光学軸、１５…偏光選択デバイス、１８…ホルダ、２０…光増幅部、２１…第１光供給部、２１ａ…第１励起光源、２２…第２光供給部、２２ａ…第２励起光源、２３…ゲインファイバ、３０ａ…可飽和吸収体、３１…第１透過調整部、３２…第２透過調整部、５０…出力カプラ、５１ａ，５１ｂ…出力ポート、６１，６２…アイソレータ、１００…モード同期レーザ、１００ａ…共振器、ＡＸ…光軸、Ｂ１…磁場、Ｂ２…磁場、ＯＬ１，ＯＬ２…周回光、Ｐ１…第１偏光、Ｐ２…第２偏光、Ｐ１２，Ｐ２３…第１中間偏光、Ｐ２２，Ｐ１３…第２中間偏光、Ｐ２３…中間偏光、ＰＯ１…ポート、ＰＯ２…ポート

Claims (14)

1. 一端に設けられた第１ポートと、他端に設けられた第２ポートとの間であって、前記第１ポート側に配置される第１ファラデーローテータと、
   前記第１ポートと前記第２ポートとの間であって、前記第２ポート側に配置される第２ファラデーローテータと、
   前記第１ファラデーローテータと前記第２ファラデーローテータとの間に配置される光学要素を含み、前記光学要素に入射する第１中間偏光と第２中間偏光とのうち一の中間偏光の通過を制限する偏光選択デバイスと
   を備える偏光方向ディスクリミネータ。
2. 前記偏光選択デバイスは、前記光学要素として、前記第１中間偏光と前記第２中間偏光とのうち一の中間偏光の通過を相対的に抑制する偏光板を備える、請求項１に記載の偏光方向ディスクリミネータ。
3. 前記第１ファラデーローテータと前記第２ファラデーローテータとは、反対方向に４５°偏光方向を回転させる、請求項２に記載の偏光方向ディスクリミネータ。
4. 前記偏光板の偏光軸は、前記第１ファラデーローテータと前記第２ファラデーローテータとに入射させる第１偏光の偏光方向と第２偏光の偏光方向とに対して４５°傾いている、請求項３に記載の偏光方向ディスクリミネータ。
5. 前記偏光選択デバイスは、前記光学要素である複屈折素子と、前記第１ポートとして前記第１ファラデーローテータより外側に配置される第１絞りと、前記第２ポートとして前記第２ファラデーローテータより外側に配置される第２絞りとを備える、請求項１に記載の偏光方向ディスクリミネータ。
6. 前記第１ファラデーローテータと前記第２ファラデーローテータとは、反対方向に４５°偏光方向を回転させる、請求項５に記載の偏光方向ディスクリミネータ。
7. 偏波保持型のリング状の共振器と、
   前記共振器中に配置される光利得部と、
   前記共振器に第１周回方向に伝搬するように第１偏光を供給する第１光供給部と、
   前記共振器に第２周回方向に伝搬するように第２偏光を供給する第２光供給部と、
   請求項１～６のいずれか一項に記載の偏光方向ディスクリミネータと
   を備えるデュアル出力レーザ。
8. 前記共振器に結合され前記第１偏光と前記第２偏光とを取り出す出力カプラをさらに備え、
   前記第１光供給部及び第２光供給部が前記出力カプラを挟んで対称的に配置され、
   前記光利得部が前記出力カプラを挟んで対称的に配置されている、請求項７に記載のデュアル出力レーザ。
9. 偏光方向が異なる一対の光コムを出力する、請求項８に記載のデュアル出力レーザ。
10. 前記共振器中に配置された透過調整部を備え、
    透過調整部を構成する第１透過調整器及び第２透過調整器が前記出力カプラを挟んで対称的に配置され、
    受動型のモード同期動作を行うモード同期レーザである、請求項９に記載のデュアル出力レーザ。
11. 一対のファラデーローテータ及び偏光選択デバイスを介して第１偏光と第２偏光とを透過させる偏光方向弁別方法であって、
    一方から入射した第１偏光を通過させつつ第２偏光の通過を制限し、かつ、他方から入射した第２偏光を通過させつつ第１偏光の通過を制限する偏光方向弁別方法。
12. 前記偏光選択デバイスは、前記一対のファラデーローテータの間に配置される光学要素を含み、前記光学要素に一方から入射する第１中間偏光と他方から入射する第２中間偏光とのうち一の中間偏光の通過を制限する、請求項１１に記載の偏光方向弁別方法。
13. 前記偏光選択デバイスは、前記光学要素として、前記第１中間偏光と前記第２中間偏光とのうち一の中間偏光の通過を相対的に抑制する偏光板を備える、請求項１２に記載の偏光方向弁別方法。
14. 前記偏光選択デバイスは、前記光学要素である複屈折素子と、第１ポートとして前記一対のファラデーローテータの一方より外側に配置される第１絞りと、第２ポートとして前記一対のファラデーローテータの他方より外側に配置される第２絞りとを備える、請求項１２に記載の偏光方向弁別方法。

Images