JP2683307B2 - 光ファイバリングレ―ザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信システム等にお
いて周波数が安定でスペクトル線幅の狭い光源等として
用いられる光ファイバリングレ−ザに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバリングレ−ザは、光共振器長
を長くできるため、狭いスペクトル線幅で発振し、しか
も進行波型のため単一モ−ド発振が容易となる利点があ
る。これまでに、エルビウムド−プファイバのような均
一性の高いゲイン媒質を用いて単一モ−ド発振を確認し
た例が幾つか報告されている。しかし、モ−ドジャンプ
を抑制した報告は未だなされていない。

【０００３】光ファイバリングレ−ザは、光共振器長が
長いので、共振のフリ−スペクトルレンジが短い。従っ
て、光共振器をレ−ザ発振させることができるゲイン帯
域内に光共振モ−ドが数多く存在する。そのため、この
光共振器に何等かの外乱が加わると、発振モ−ドが別の
モ−ドに不規則にジャンプし、発振波長が不連続的に変
化する。実際に、振動や音響雑音を除去し、温度変動を
十分に防止しても数秒間に１回程度のモ−ドジャンプは
避けられなかった。

【０００４】従来、このモ−ドジャンプを防止する方法
としていくつかの方法が提案されている。これらのう
ち、エルビウムド−プファイバのように広い帯域に亘っ
てゲインが均等なレ−ザ媒質を用いた光ファイバリング
レ−ザのモ−ドジャンプを防止するには、光フィルタを
用いる方法が最も確実である。光フィルタの通過帯域を
最適に設計できれば、これによって、光共振器をレ−ザ
発振させることができるゲイン域に存在する光共振モ−
ドを一本だけにすることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光バンドパスフィルタは、帯域が広いので、単独では上
記した目的には不十分である。これまで報告されている
光バンドパスフィルタの通過帯域は最小で０．１ｎｍ程
度であるが、この通過帯域内には例えば周長５ｍの光フ
ァイバリングレ−ザでは、縦モ−ドが１００本以上存在
し、これらのうちのどのモ−ドでレ−ザ発振するかを確
定することは困難である。このため、何等かのきっかけ
で発振中のモ−ドが別のモ−ドにジャンプすることが避
けられなかった。

【０００６】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、狭いスペクトル線幅で常に単一
の縦モ−ドで発振しモ−ドジャンプ現象が生じることが
ない光ファイバリングレ−ザを提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、光ファイバカップラの二つのポ−トを
光ファイバで接続したファイバリング共振器を有し、当
該ファイバリング共振器をレ−ザ発振させる光ファイバ
リングレ−ザにおいて、前記ファイバリング共振器内
に、特定の周波数の光を出力する狭帯域光フィルタと、
光アイソレ−タと、レ−ザ媒質および励起源と、ファイ
バリング構造を有し、当該ファイバリングへの入力光の
少なくとも一部を取り出して当該ファイバリング内を逆
進させる逆進ファイバル−プと、当該ファイバリングに
設けられ当該ファイバリング内を正逆両方向に進行する
光間に光路長差を付与する双方向光アイソレ−タと、当
該ファイバリングに設けた光増幅器とを備えた光ファイ
バリング型バンドパスフィルタとを有するようにした。

【０００８】

【作用】本発明によれば、励起源により励起されたレ−
ザ媒質より光が発せられ、この光はファイバリング共振
器内を所定方向に進行し、狭帯域光フィルタで、特定の
周波数域のみが取り出され、光アイソレ−タ、光ファイ
バリング型バンドパスフィルタ、レ−ザ媒質の各部を通
過する。これにより、共振器はレ−ザ発振され共振光が
外部へ取り出される。

【０００９】このとき、光ファイバリング型バンドパス
フィルタへの入力光は、フィルタ内のファイバリングに
入射し、光増幅器、双方向光アイソレ−タを経る一方
向、例えば時計回りのル−プを形成する。

【００１０】一方、このル−プ内の光は、逆進ファイバ
ル−プで少なくともその一部が取り出されファイバリン
グに対して反時計回り方向に入射される。この反時計回
り方向に進行する光は、再び双方向光アイソレ−タに入
射する。このとき、双方向光アイソレ−タ内部で光が辿
る経路は、時計回りのル−プにおける経路とは異なる。
この後、反時計回り方向に進行する光は、光増幅器を経
るル−プを形成し、その一部がル−プ外へ出て、ファイ
バリング共振器へと戻る。

【００１１】以上により、キロヘルツ以下の狭いスペク
トル線幅で常に単一の縦モ−ドで発振することができ、
しかもモ−ドジャンプ現象が生じることがない。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明に係る光ファイバリングレ−
ザの基本構成を示す概念図である。図１において、１は
２×２光ファイバカップラ、２は例えば通過帯域が０．
１ｎｍ（１３ＧＨｚ）の狭帯域光フィルタ、３は光アイ
ソレ−タ、４は例えば励起源を含むエルビウムド−プフ
ァイバからなるレ−ザ媒質および励起源、５は光ファイ
バリング型バンドパスフィルタ、６−１は２×２光ファ
イバカップラ、６−２は受光器、６−３は差分器、６−
４は基準電圧、６−５は増幅器、６−６は位相変調器、
Ｏutは光出力である。

【００１３】光ファイバリングレ−ザは、光ファイバカ
ップラ１の互いに対向する二つのポ−トを光ファイバで
接続してファイバリング共振器ＦＢＲを構成し、ファイ
バリング共振器ＦＢＲに、狭帯域光フィルタ２、光アイ
ソレ−タ３、光増幅器４および光ファイバリング型バン
ドパスフィルタ５を配置し、かつ、光ファイバカップラ
６−１の一のポ−トと光ファイバカップラ１の上記とは
異なる他のポ−トとを接続し、光ファイバカップラ６−
１の図中右側の一のポ−トから光出力Ｏutを取り出すよ
うに構成されている。さらに、光ファイバカップラ６−
１の光出力側の他のポ−ト側には受光器６−２を配置し
て、レ−ザ出力の一部を受光器６−２で光／電気変換
し、その変換された電気信号の電圧値を差分器６−３に
おいて基準電圧６−４と比較し、比較の結果得られた差
分を増幅器６−５を経て位相変調器６−６にフィ−ドバ
ックするように構成されている。

【００１４】図２は、図１の光ファイバリング型バンド
パスフィルタの構成例を示す図である。

【００１５】図２に示すように、光ファイバリング型バ
ンドパスフィルタ５は、２×２光ファイバカップラ５１
と、光ファイバカップラ５１の対向する一のポ−ト同士
を光ファイバにより接続してなるファイバリング共振器
ｆｂｒに、逆進ファイバル−プ５２、光増幅器５３およ
び双方向アイソレ−タアッセンブリ５４を配置して構成
されている。

【００１６】逆進ファイバル−プ５２は、二つのポ−ト
がファイバリング共振器ｆｂｒを構成する光ファイバに
接続され、他の一のポ−トが光ファイバカップラ５１の
光入力ポ−トに対向する側のポ−トに接続された光ファ
イバカップラ５２−１と、光ファイバカップラ５２−１
と光ファイバカップラ５１間に光ファイバカップラ５２
−１から光ファイバカップラ５１方向に順方向となるよ
うに挿入された光アイソレ−タ５２−２とから構成され
ている。

【００１７】双方向アイソレ−タアッセンブリ５４は、
ファイバリング共振器ｆｂｒを正方向（図中、時計回り
方向）に旋回する光と逆方向（反時計回り方向）に旋回
する光との間に所定の光路長差を付与し、かつ、両方向
に対するアイソレ−ション機能を有している。

【００１８】この構成の動作概要は次のとおりである。
即ち、入力光ｉn は、光ファイバカップラ５１からファ
イバリング共振器ｆｂｒに入射し、光ファイバカップラ
５２−１、光増幅器５３、双方向アイソレ−タアッセン
ブリ５４を経て、光ファイバカップラ５１に戻る時計回
りのル−プを形成する。

【００１９】一方、このループ内の共振光は、光ファイ
バカップラ５２−１でその一部が取り出され光アイソレ
ータ５２−２を経て光ファイバカップラ５１からファイ
バリング共振器ｆｂｒに対して反時計回り方向に入射す
る。この光は、再び光ファイバカップラ５１から双方向
アイソレータアッセンブリ５４に入射する。このとき、
双方向アイソレータアッセンブリ５４内部で光が辿る経
路は、時計回りのループにおける経路とは異なる。この
後、光増幅器５３、光ファイバカップラ５２−１を経て
光ファイバカップラ５１に戻るループを形成し、その一
部が光ファイバカップラ５２−１からループ外に出て、
光出力ｏｕｔが得られる。

【００２０】また、ファイバリング共振器ｆｂｒ内に光
増幅器５３を設けているので、リング一周の各部で生じ
る一連の光損失と、光ファイバカップラ５１、５２−１
で光分岐されることによる光損失分を補償できる。その
結果、フィネスの高い共振器が実現されている。

【００２１】このようにフィネスの高いファイバリング
共振器ｆｂｒに対して光を正方向に入射し、次にこの出
力を改めて逆方向に入射し、かつ、双方向アイソレ−タ
アッセンブリ５４によって正逆両方向の光路長に差を付
与するようにしているため、僅かに異なったフリ−スペ
クトルレンジを有する二つの共振器を縦続に接続して、
いわゆるタンデムに使用するときに得られるバ−ニア効
果によって、広いダイナミックレンジで狭い通過帯域を
有するバンドパスフィルタを構成できる。

【００２２】図３は、図２の双方向アイソレ−タアッセ
ンブリの具体的な構成例を示す図である。図３に示すよ
うに、双方向アイソレ−タアッセンブリ５４は、入出力
光ファイバ５４−１，５４−２、正立複屈折結晶５４−
３、４５度ファラデ−回転子５４−４、４５度傾斜複屈
折結晶５４−５および互いに長さの異なる光路差付与フ
ァイバミラ５４−６，５４−７から構成されている。

【００２３】また、図４は、図３に示す双方向アイソレ
−タアッセンブリの動作を説明するための図である。

【００２４】図４の(a) では、入出力光ファイバ５４−
１から入射した上下方向の偏光、具体的には複屈折結晶
５４−３，５４−５に対する常光が、４５度ファラデ−
回転子５４−４においてその偏光方向が４５度回転され
る。その結果、４５度傾斜複屈折結晶５４−５に対し常
光として入射し、そのまま直進して端面に配置された光
路差付与ファイバミラ５４−６で反射される。この反射
光は、再び４５度傾斜複屈折結晶５４−５を常光として
通過し、４５度ファラデ−回転子５４−４でさらに偏光
方向が４５度回転される。その結果、正立複屈折結晶５
４−３に対して今度は異常光として入射し、入出力光フ
ァイバ５４−２から出力される経路を示している。

【００２５】一方、図４の(b) では、入出力光ファイバ
５４−２から入射した上下方向の偏光、具体的には複屈
折結晶５４−３，５４−５に対する異常光が、４５度フ
ァラデ−回転子５４−４においてその偏光方向が４５度
回転される。その結果、４５度傾斜複屈折結晶５４−５
に対し異常光として入射し、端面に配置された光路差付
与ファイバミラ５４−７で反射される。この反射光は、
再び４５度傾斜複屈折結晶５４−５を異常光として通過
し、４５度ファラデ−回転子５４−４でさらに偏光方向
が４５度回転される。その結果、正立複屈折結晶５４−
３に対して今度は常光として入射し、入出力光ファイバ
５４−１から出力される経路を示している。

【００２６】このように、入出力光ファイバ５４−１か
ら入射し入出力光ファイバ５４−２から出力される光
と、入出力光ファイバ５４−２から入射し入出力光ファ
イバ５４−１から出力する光とでは辿る経路が異なり、
その光路長も光路差付与ファイバミラ５４−６と光路差
付与ファイバミラ５４−７との長さの差分だけ異なる。
なお、複屈折結晶の中を直進する常光と屈曲して進む異
常光の光路長は、各々の屈折率差を考慮すると一致す
る。

【００２７】このような機能を有する双方向アイソレ−
タアッセンブリを含む光ファイバリング型バンドパスイ
ルタは、前述のバ−ニヤ効果によってフリ−スペクトル
レンジを広げるとともに通過帯域を狭くできる特徴があ
る。次に、このメカニズムを図５を用いて説明する。

【００２８】図５は、光ファイバリング型バンドパスフ
ィルタのスペクトルを示す図である。図５において、白
抜きで示すスペクトルは入射光ｉn を時計回りに入射し
たとき光ファイバカップラ５１の出射端で観測したスペ
クトル、斜線を付したスペクトルは入射光ｉn が上記時
計回りル−プを経由せず直接反時計回りル−プに入射し
たときに光ファイバカップラ５２−１の出力端で観測し
た出力スペクトル、黒抜きで示すスペクトルは入射光ｉ
n が時計回りル−プを経て反時計回りル−プに入り最終
的に光ファイバカップラ５２−１の出力端に現れるとき
観測される出力スペクトルである。

【００２９】これらのフリ−スペクトルレンジは、それ
ぞれＦＳＲ１，ＦＳＲ２，ＦＳＲ(eff) である。なお、
ＦＳＲ(eff) は、最終的に得られる実効的フリ−スペク
トルレンジである。

【００３０】このように僅かに異なる長さのファイバリ
ング共振器に直列に光を通過させることによって、二つ
のフィルタの通過帯域を同時に通過できるスペクトルだ
けを抜き出すことができる。従って、ファイバリング共
振器の長さの差が少ないほど実効的フリ−スペクトルレ
ンジを広げることができる。しかし、複合構成の共振器
の最終的な通過帯域幅は、個々の共振器の通過帯域幅の
積で決まるものである。このような動作原理を考慮する
と、ファイバリング共振器の長さの差が少ないほど実効
的なフィネス（ＦＳＲ(eff) ／Ｂ）が向上することがわ
かる。なお、Ｂはスペクトルの半値全幅である。

【００３１】以上説明した各構成部品を用いて構成した
光ファイバリングレ−ザにおいて、モ−ドジャンプを抑
圧できる状況は以下のとおりである。

【００３２】例えば、周長１０ｍのリングレ−ザを仮定
すると、レ−ザ発振が可能となる縦モ−ド間隔は約２０
ＭＨｚである。このファイバリング共振器ＦＢＲ内部に
使用する狭帯域光フィルタ２の通過帯域を現在得られる
最小の０．１ｎｍ（１３ＧＨｚ）とすると、同じくファ
イバリング共振器ＦＢＲ内に使用する光ファイバリング
型バンドパスフィルタ５のダイナミックレンジ（または
ＦＳＲ）は、これと同程度に選ぶ必要がある。

【００３３】次に、ここに用いる光ファイバリング型バ
ンドパスフィルタ５の片回りの共振器のフリ−スペクト
ルレンジが40.12 ＭＨｚとなるように、図３の光路差付
与ファイバミラ５４−６と光路差付与ファイバミラ５４
−７の長さの差分を設定する。このように設定すること
により、前述のバ−ニア効果によって両回りタンデム構
成のフィルタのフリ−スペクトルレンジＦＳＲ(eff) を
約１３ＧＨｚ｛＝４０ＭＨｚ×（４０ＭＨｚ／１２０ｋ
Ｈｚ）｝とすることができる。

【００３４】上記したように設計した光ファイバリング
型バンドパスフィルタを図１のファイバリング共振器Ｆ
ＢＲ内に配置することによって、狭帯域光フィルタ２の
帯域１３ＧＨｚの中の通過帯域をさらに制限してレ−ザ
発振が可能なモ−ドを一本のみに限定することができ
る。

【００３５】レ−ザ発振が可能なモ−ドが一本のみに限
定できれば、後はバンドパスフィルタの通過帯域内に常
にこの発振可能なモ−ドが存在しつづけるように、共振
器の長さの変化を制御すればよい。このための制御は、
主に温度変化や音響雑音による共振器の長さの遅い変化
の制御であって、従来から周知の実績のあるフィ−ドバ
ック系を利用できる。即ち、図１において示したよう
に、レ−ザ出力をあらかじめ設定した基準と比較してそ
の差分を位相変調器にフィ−ドバックし、共振器の長さ
を外乱に対してロックすればよい。

【００３６】図６および図７は、以上説明した光ファイ
バリングレ−ザの具体的な構成例を示しており、図６は
狭帯域光フィルタ２として透過型ファイバグレ−ティン
グ型フィルタ２１を用いた構成を示しており、また、図
７は狭帯域光フィルタ２として反射型ファイバグレ−テ
ィング型フィルタ２２を用いた構成を示している。な
お、両図においては、図１に示したレ−ザ共振器のフィ
−ドバック系を省略して図示してある。

【００３７】これらの構成においては、キロヘルツ以下
の狭いスペクトル線幅で常に単一の縦モ−ドで発振する
ことができ、しかもモ−ドジャンプ現象が生じることが
ない。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
キロヘルツ以下の狭いスペクトル線幅で常に単一の縦モ
−ドで発振することができ、しかもモ−ドジャンプ現象
が生じることがない。従って、コヒ−レンスが優れた安
定な光源を実現でき、コヒ−レント光通信におけるホモ
ダイン検波用光源として有用である他、長い光路長差を
有する光干渉計や光共振器用の光源として極めて有用で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光ファイバリングレ−ザの基本構
成を示す概念図

【図２】図１の光ファイバリング型バンドパスフィルタ
の構成例を示す図

【図３】図２の双方向アイソレ−タアッセンブリの具体
的な構成例を示す図

【図４】図３の双方向アイソレ−タアッセンブリの動作
を説明するための図

【図５】図１の光ファイバリング型バンドパスフィルタ
の各部におけるスペクトルを示す図

【図６】本発明に係る光ファイバリングレ−ザの具体的
構成例を示す図

【図７】本発明に係る光ファイバリングレ−ザの他の具
体的構成例を示す図

【符号の説明】

１…光ファイバカップラ、２…狭帯域光フィルタ、３…
光アイソレ−タ、４…レ−ザ媒質および励起源、５…光
ファイバリング型バンドパスフィルタ、５１…光ファイ
バカップラ、５２…逆進ファイバル−プ、５３…光増幅
器、５４…双方向アイソレ−タアッセンブリ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバカップラの二つのポ−トを光
   ファイバで接続したファイバリング共振器を有し、当該
   ファイバリング共振器をレ−ザ発振させる光ファイバリ
   ングレ−ザにおいて、 前記ファイバリング共振器内に、特定の周波数の光を出
   力する狭帯域光フィルタと、 光アイソレ−タと、 レ−ザ媒質および励起源と、 ファイバリング構造を有し、当該ファイバリングへの入
   力光の少なくとも一部を取り出して当該ファイバリング
   内を逆進させる逆進ファイバル−プと、当該ファイバリ
   ングに設けられ当該ファイバリング内を正逆両方向に進
   行する光間に光路長差を付与する双方向光アイソレ−タ
   と、当該ファイバリングに設けた光増幅器とを備えた光
   ファイバリング型バンドパスフィルタとを有することを
   特徴とする光ファイバリングレ−ザ。