JP3580488B2 - 周波数シフト帰還型モード同期レーザ及び周波数シフト帰還型再生モード同期レーザ。 - Google Patents
周波数シフト帰還型モード同期レーザ及び周波数シフト帰還型再生モード同期レーザ。 Download PDFInfo
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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モード同期レーザ若しくは再生モード同期レーザに周波数シフト帰還機構を組み入れた周波数シフト帰還型モード同期レーザに関する。モード同期レーザ及び周波数シフト帰還型レーザの特徴を融合させることにより、レーザ計測ならびに光信号処理などの工学上における応用分野が大幅に広がる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、モード同期技術を利用した光ファイバレーザの応用研究が盛んにおこなわれている。
従来のモード同期レーザを図４に示す。
図４において、１は希土類元素を添加した光ファイバ（以下、希土類添加光ファイバと記す）、２は希土類添加光ファイバを励起するための励起光源、３は励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器、４は出力を取り出す光分岐器、５は光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ、６は光強度変調器、７は光フィルタ、８はシンセサイザ（標準信号発生器）、９は電気増幅器である。
【０００３】
図４のモード同期レーザは次のように動作する。
希土類添加光ファイバ１を光結合器３を通して励起光源２で励起すると、光フィルタ７の透過帯域内で、光アイソレータ５の順方向に連続光の発振が起こる。
次に、シンセサイザ８から出力される電気信号を電気増幅器９で電気増幅して、光強度変調器６に印加する。
一般に、共振器長をＬ、屈折率をｎ、光速をｃとすると、共振器長で決まる周波数ｆ０＝ｃ／ｎＬで変調を加えると、基本波でのモード同期が実現され、安定なパルス列が発生できる。
更に、変調周波数をレーザの共振器長で決まる基本周波数のｑ倍、ｑｆ０＝ｑｃ／ｎＬ（ｑは整数）に設定すると、基本波のｑ倍の周波数で発振する高調波の強制モード同期が実現できる。
即ち、レーザの共振器内にｑ個の光パルスが等間隔に作られ、高次の変調周波数に一致した繰り返しをもつパルス列が発生する。
【０００４】
一方、レーザ共振器内に周波数シフト帰還機構を設け、時間に比例して周波数が変化する周波数チャープ光を発振させる光源の研究がおこなわれている。
従来の周波数シフト帰還型レーザを図５に示す。
図５において、１は希土類添加光ファイバ、２は希土類添加光ファイバを励起するための励起光源、３は励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器、４は出力を取り出す光分岐器、５は光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ、１０は音響光学変調器、７は光フィルタ、１１はシンセサイザ、１２は電気増幅器である。
図５において、周波数シフト帰還型レーザは次のように動作する。
希土類添加ファイバ１を光結合器３を通して励起光源２で励起すると、光アイソレータ５の順方向に自然放出光が発生し、この自然放出光は音響光学変調器１０の０次回折光として共振器外部に放射される。その放射光（非回折光）を破線で示した。
【０００５】
次に、シンセサイザ１１から出力される電気信号を電気増幅器１２で電気増幅して、音響光学変調器１０に印加する。
音響光学変調器１０により変調を受けた１次回折光は、ドプラー効果により音響光学変調器１０の変調周波数ｆＦＳだけ周波数シフトを受け、またドプラー角だけ偏向を受けて、レーザ媒質である希土類添加光ファイバ１に帰還する。
ここで周波数シフトの符号は音響光学変調器１０内における音波と光の進行方向の関係より決まる。
また、音響光学変調器１０内における音波は進行波であるため、１次回折光が回折する空間的位置が時間に対して変化する。
その結果、レーザの共振器長が時間に比例して変化することとなり、言い換えるとレーザの共振条件が時間とともに線形に変化する。
【０００６】
詳細は実施例の詳細で述べるが、周波数シフト帰還型レーザでは、周波数が時間に比例して変化する（周波数チャープ）モードが発生する。
各モードの周波数チャープの割合は、共振器内において音響光学変調器１０により光が受ける単位時間あたりの周波数シフト量に等しく、各モードの周波数間隔は共振器長により決まる基本周波数に等しいことが判っている。
また、各モードの位相関係は非同期、即ち、インコヒーレントであり、レーザ出力は縦モードが多モードの連続光となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
モード同期レーザ出力光の各モード間における強い位相の相関は、例えば、光計測分野に応用されている。
しかしながら、従来のモード同期レーザにおいては、発振周波数が共振器長で決まる基本周波数の高次の整数倍に固定であるため、光計測は時間領域でおこなわれ、測定感度は光の強度雑音により制限を受けてしまう。
一方、周波数シフト帰還型レーザは、発振周波数が時間に比例して変化する周波数チャープ光源であり、強度雑音の影響が小さい周波数領域での光計測を得意とする。
しかしながら、レーザ出力光の各モード間の位相関係が非同期（インコヒーレント）であるため、各モードが独立に変化してコヒーレントな重ね合わせが成り立たず、やはり測定感度に制限を受けてしまう。
このため、従来のモード同期レーザ及び周波数シフト帰還型レーザは、それぞれ光計測用光源としての機能性に改善の余地があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明では、レーザの共振器長で決まる基本周波数の高次の整数倍に相当する正弦波信号によりレーザ共振器内に設置された光変調器を駆動する高調波モード同期レーザにおいて、該レーザ共振器内に音響光学変調器を挿入し、該音響光学変調器により周波数シフトを受けた１次回折光をレーザ媒質に帰還することでレーザ発振する周波数シフト帰還型モード同期レーザを提案する。
また、レーザのモード同期法として再生モード同期法を採用したレーザパルス発生法に音響光学変調器を挿入し、共振器の変動に依存しない超高安定な周波数シフト帰還型再生モード同期レーザを提案する。
【０００９】
〔作用〕
本発明によれば、高調波モード同期レーザの効果により、各モードの位相の同期がかかるため超短パルスを発生させることができ、その一方でレーザの共振器長と共振器内に挿入した音響光学変調器の変調周波数ｆ FS で決まる一定の割合で、該モードの周波数が時間に比例して変化するような周波数チャープした光パルス列を発生できることになる。
即ち、音響光学変調器により変調を受けた１次回折光は、ドプラー効果により音響光学変調器の変調周波数ｆ FS だけ周波数シフトを受け、またドプラー角だけ偏向を受けて、レーザ媒質に帰還する。
ここで、各モードの周波数チャープの割合は、共振器内において音響光学変調器により光が受ける単位時間あたりの周波数シフト量ｆ FS ／（ｎＬ／ｃ）に等しく、各モードの周波数間隔は共振器長により決まる基本周波数ｆ 0 ＝ｃ／ｎＬに等しく、さらに、時間とともに周波数が変化し、その傾きは変調周波数に比例し、出力パルスの一つ一つが周波数シフトする周波数差はΔν＝ｆ FS ／ｑで与えられる。
おのおのの縦モードは周波数シフトを伴うが、モード間の位相はモード同期技術によりロックされていることが大変重要である。
これにより従来、連続波の多モード発振では不可能であった各周波数成分間のコヒーレントな重ね合わせを利用することが出来、光計測用光源としての性能を大幅に向上させることが出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例に係る周波数シフト帰還型モード同期レーザ共振器を図１に示す。
この周波数シフト帰還型モード同期レーザは、図１に示すように、希土類添加光ファイバ１、希土類添加光ファイバを励起するための励起光源２、励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器３、出力を取り出す光分岐器４、光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ５、光強度変調器６、光フィルタ７、シンセサイザ８、電気増幅器９、音響光学変調器１０、シンセサイザ１１、電気増幅器１２から構成される。
【００１１】
ここで、例えば、希土類添加ファイバ１としてエルビウム添加ファイバを用いると、レーザの発振波長は１．５μｍとなる。
励起光源２としては、半導体レーザを用いることができる。
光強度変調器６としては、例えば、ニオブ酸リチウム製のマッハツェンダ型強度変調器などを用いることができる。
音響光学変調器１０の媒体には、例えば、二酸化テルル、砒素セレン、モリブデン酸鉛、弾性表面波素子、あるいは光ファイバそのものなど、様々な音響光学結晶を用いることができる。
【００１２】
以下、本周波数シフト帰還型モード同期レーザにおける周波数チャープした光パルス列の発生について説明する。
希土類添加ファイバ１を光結合器３を通して励起光源２で励起すると、光アイソレータ５の順方向に自然放出光が発生し、音響光学変調器１０の０次回折光として共振器外部に放射される。その放射光（非回折光）を破線で示した。
次に、電気増幅器１２でシンセサイザ１１から出力される電気信号を増幅して、音響光学変調器１０に印加する。
音響光学変調器１０により変調を受けた１次回折光は、ドプラー効果により音響光学変調器１０の変調周波数ｆＦＳだけ周波数シフトを受け、またドプラー角だけ偏向を受けて、レーザ媒質である希土類添加光ファイバ１に帰還する。
【００１３】
ここで周波数シフトの符号は音響光学変調器１０内における音波と光の進行方向の関係より決まる。
また、音響光学変調器１０内における音波は進行波であるため、１次回折光が回折する空間的位置が時間に対して変化する。
その結果、レーザの共振器長が時間に比例して変化することとなり、即ちレーザの共振条件が時間とともに変化する。
この場合、光学共振長及び共振条件と時間の関係は次の式で与えられる。
【００１４】
【数１】
【００１５】
ここで、ｎは共振器の屈折率、λは光の波長、Ｎは整数であり、ｎＬ／Ｎ＝λ及びｎＬ≫ｆＦＳλｔの関係がある。
周波数シフト帰還型レーザ共振器では、周波数が時間に比例して変化する（周波数チャープ）モードが発生する。
各モードの周波数チャープの割合は、共振器内において音響光学変調器１０により光が受ける単位時間あたりの周波数シフト量ｆＦＳ／（ｎＬ／ｃ）に等しく、各モードの周波数間隔は共振器長により決まる基本周波数ｆ０＝ｃ／ｎＬに等しい。
【００１６】
また、（１）式における符号は、音波と光の進行方向が同方向の場合が正の符号に、異方向の場合が負の符号にそれぞれ対応している。
モード同期動作を行わない場合は各モードの位相関係は非同期であり、レーザ出力は連続光となる。
次に、電気増幅器９でシンセサイザ８から出力される電気信号を増幅して、光強度変調器６に印加する。
光強度変調器６の変調周波数を周波数チャープモードの周波数間隔ｆ０＝ｃ／ｎＬに設定すると、強制モード同期により各モードの位相がロックされる。
即ち、レーザ出力は基本周波数ｆ０の繰り返し周波数をもつ、周波数チャープした光パルス列となる。
更に、変調周波数を基本周波数のｑ倍、ｑｆ０＝ｑｃ／ｎＬ（ｑは整数）に設定すると、基本波のｑ倍の周波数で発振する高調波の強制モード同期が実現できる。
即ち、レーザの共振器内にｑ個の光パルスが等間隔に作られ、高次の変調周波数に一致した繰り返しをもつ、周波数チャープした光パルス列が発生する。
【００１７】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例に係る再生モード同期型の周波数シフト帰還型のレーザの構成を図２に示す。
希土類添加光ファイバ１を光結合器３を通して励起光源２で励起すると、光フィルタの透過帯域内で、光アイソレータ５の順方向に連続光の発振が起こる。
この際、レーザの出力を光分岐器１３を通して取り出し、受光素子１４により光パルスを受光する。
光分岐器１３の代わりに光り出力の一部を分離して受光しても良い。
次に、狭帯域電気フィルタ及び電気増幅器からなるクロック抽出器１５に入力する。
【００１８】
このクロック抽出器１５によりレーザ出力から特定の周波数の正弦波のクロック信号（パルス繰り返し周波数）を抜き出し、位相器１６で位相を調整し、電気増幅器９でクロック信号を増幅した後、光強度変調器６に印加する。
従って、図２では受光素子１４で受光してから、光強度変調器６へのクロック信号の印加まで閉ループを構成することになる。
この場合、シンセサイザは必要としない。
共振器内ではクロック信号に同期した周波数で光が強度変調されるが、もともとこの光はレーザから放出された信号なので、いつも最適に変調されることになる。
【００１９】
ここで、１０ＧＨｚのクロック抽出器を用いる場合を考える。
基本周波数の整数倍に一致しない１０ＧＨｚ付近のクロック信号は、安定なパルス列を発生できないため、クロック抽出過程において消滅するが、基本周波数の整数倍に一致したクロック信号は、変調周波数と光パルスの繰り返しが完全に一致するため、安定なパルス発振が徐々に強められる。
これが繰り返されると、最初は雑音的であった基本周波数の整数倍に一致したある一つの１０ＧＨｚ付近のクロック信号だけが残る。
即ち、余分な縦モードを抑制した一つのクロック信号だけで、光強度変調器６を駆動するようになり、１０ＧＨｚの高調波モード同期が達成される。
この際、音響光学変調器１０による周波数シフトの効果は図１と全く同一であり、周波数シフト帰還型の再生モード同期レーザが実現できることになる。
【００２０】
このとき、例えば、光共振器内の希土類添加光ファイバ１と光分岐器４の間に光パルス圧縮用光ファイバを挿入することにより、光ソリトンの効果を用いて発生する光パルスのパルス幅を短くできる。
また、この非線形ファイバにより、高調波モード同期の問題点となるスーパーモード雑音も除去できることが特徴である。
本レーザパルス発振器においては、温度変動により共振器長が変化し、光パルスの繰り返しが変化しても、光パルスの繰り返しに同期したクロック信号で変調を行なうため、変調周波数と光パルスの繰り返しの間にずれが生じない。
従って、従来の技術と違い、温度変動によって光パルスの波形が劣化しない特徴をもつ。
【００２１】
更に、従来必要とした高精度なシンセサイザや共振器安定化のためのアクティブな負帰還回路が不要となるため、経済的な利点も大きい。
図３に時間とともに、そのパルスの周波数が変化する様子を示す。
図３（ａ）は時間とともに周波数が変化している様子を示しているが、その傾きは変調周波数に比例し、共振器長に反比例する。
即ち、短い共振器を構成し、音響光学変調器１０の変調周波数を上げることにより周波数シフトの大きなレーザが構成できる。
また、図３（ｂ）は出力パルスの一つ一つが周波数シフトする様子を示しておりその周波数差はΔν＝ｆＦＳ／ｑで与えられる。
このようにパルス毎に周波数が等間隔で変化していくレーザは今までにないものである。
【００２２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、レーザの共振器長で決まる基本周波数の高次の整数倍に相当する正弦波信号によりレーザ共振器内に設置された光変調器を駆動する高調波モード同期レーザにおいて、周波数シフト帰還機構を組み入れることにより、レーザ出力光の各モードの位相の同期状態が保たれたまま、レーザの共振器長と共振器内に挿入した音響光学変調器１０の変調周波数で決まる一定の割合で、各モードの周波数が時間に比例して変化するような周波数チャープした新しい光パルス列を発生できる。
また、再生モード同期法と組み合わせることにより超高安定な周波数チャープレーザが実現できる。
今までのモード同期レーザではパルス列の特性は皆同一で、時間とともにその性質を変化させることが不可能と思われていたが、本発明はそれを可能にしたもので新しい応用が数多く考えられる。
【００２３】
本発明を用いれば、例えば、モード同期レーザを光源とした光計測を周波数領域で行うことにより、高性能な光計測を実現できる。
例えば、反射体若しくは散乱体・分散性媒質からの周波数シフトした信号と光源のもとの信号とのビート信号を測定するような場合、ビート信号がコヒーレントに重ね合わせることができるため大幅にＳＮ比が良くなり、従来に比べて２０ｄＢ以上ダイナミックレンジを向上することが出来る。
また、このように時間とともに光パルスの周波数が変わる特性を利用するとパルスのタイミングを制御することにより、波長の異なる信号光パルスのスイッチング、アレー型導波路（Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：：ＡＷＧ）などの波長選択光カプラーを出力に接続することにより光パルスにルーティング・多波長光源への変換を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る周波数シフト帰還型モード同期レーザの構成図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る周波数シフト帰還型再生モード同期レーザの構成図である。
【図３】周波数シフト帰還型モード同期レーザの動作特性、特に周波数シフトに関する振る舞いについて記述しており、図３（ａ）は時間的な周波数変化の様子を示すグラフ、図３（ｂ）はパルス波形毎の周波数変化を示すグラフである。
【図４】従来の高調波モード同期レーザの構成図である。
【図５】従来の周波数シフト帰還型レーザの構成図である。
【符号の説明】
１ 希土類添加光ファイバ
２ 希土類添加光ファイバを励起するための励起光源
３ 励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器
４ 出力を取り出す光分岐器
５ 光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ
６ 光変調器
７ 光フィルタ
８ シンセサイザ（標準信号発生器）
９ 電気増幅器
１０ 音響光学変調器
１１ シンセサイザ
１２ 電気増幅器
１３ クロック抽出用光分岐回路
１４ 受光素子
１５ クロック抽出器
１６ 位相器
【発明の属する技術分野】
本発明は、モード同期レーザ若しくは再生モード同期レーザに周波数シフト帰還機構を組み入れた周波数シフト帰還型モード同期レーザに関する。モード同期レーザ及び周波数シフト帰還型レーザの特徴を融合させることにより、レーザ計測ならびに光信号処理などの工学上における応用分野が大幅に広がる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、モード同期技術を利用した光ファイバレーザの応用研究が盛んにおこなわれている。
従来のモード同期レーザを図４に示す。
図４において、１は希土類元素を添加した光ファイバ（以下、希土類添加光ファイバと記す）、２は希土類添加光ファイバを励起するための励起光源、３は励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器、４は出力を取り出す光分岐器、５は光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ、６は光強度変調器、７は光フィルタ、８はシンセサイザ（標準信号発生器）、９は電気増幅器である。
【０００３】
図４のモード同期レーザは次のように動作する。
希土類添加光ファイバ１を光結合器３を通して励起光源２で励起すると、光フィルタ７の透過帯域内で、光アイソレータ５の順方向に連続光の発振が起こる。
次に、シンセサイザ８から出力される電気信号を電気増幅器９で電気増幅して、光強度変調器６に印加する。
一般に、共振器長をＬ、屈折率をｎ、光速をｃとすると、共振器長で決まる周波数ｆ０＝ｃ／ｎＬで変調を加えると、基本波でのモード同期が実現され、安定なパルス列が発生できる。
更に、変調周波数をレーザの共振器長で決まる基本周波数のｑ倍、ｑｆ０＝ｑｃ／ｎＬ（ｑは整数）に設定すると、基本波のｑ倍の周波数で発振する高調波の強制モード同期が実現できる。
即ち、レーザの共振器内にｑ個の光パルスが等間隔に作られ、高次の変調周波数に一致した繰り返しをもつパルス列が発生する。
【０００４】
一方、レーザ共振器内に周波数シフト帰還機構を設け、時間に比例して周波数が変化する周波数チャープ光を発振させる光源の研究がおこなわれている。
従来の周波数シフト帰還型レーザを図５に示す。
図５において、１は希土類添加光ファイバ、２は希土類添加光ファイバを励起するための励起光源、３は励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器、４は出力を取り出す光分岐器、５は光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ、１０は音響光学変調器、７は光フィルタ、１１はシンセサイザ、１２は電気増幅器である。
図５において、周波数シフト帰還型レーザは次のように動作する。
希土類添加ファイバ１を光結合器３を通して励起光源２で励起すると、光アイソレータ５の順方向に自然放出光が発生し、この自然放出光は音響光学変調器１０の０次回折光として共振器外部に放射される。その放射光（非回折光）を破線で示した。
【０００５】
次に、シンセサイザ１１から出力される電気信号を電気増幅器１２で電気増幅して、音響光学変調器１０に印加する。
音響光学変調器１０により変調を受けた１次回折光は、ドプラー効果により音響光学変調器１０の変調周波数ｆＦＳだけ周波数シフトを受け、またドプラー角だけ偏向を受けて、レーザ媒質である希土類添加光ファイバ１に帰還する。
ここで周波数シフトの符号は音響光学変調器１０内における音波と光の進行方向の関係より決まる。
また、音響光学変調器１０内における音波は進行波であるため、１次回折光が回折する空間的位置が時間に対して変化する。
その結果、レーザの共振器長が時間に比例して変化することとなり、言い換えるとレーザの共振条件が時間とともに線形に変化する。
【０００６】
詳細は実施例の詳細で述べるが、周波数シフト帰還型レーザでは、周波数が時間に比例して変化する（周波数チャープ）モードが発生する。
各モードの周波数チャープの割合は、共振器内において音響光学変調器１０により光が受ける単位時間あたりの周波数シフト量に等しく、各モードの周波数間隔は共振器長により決まる基本周波数に等しいことが判っている。
また、各モードの位相関係は非同期、即ち、インコヒーレントであり、レーザ出力は縦モードが多モードの連続光となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
モード同期レーザ出力光の各モード間における強い位相の相関は、例えば、光計測分野に応用されている。
しかしながら、従来のモード同期レーザにおいては、発振周波数が共振器長で決まる基本周波数の高次の整数倍に固定であるため、光計測は時間領域でおこなわれ、測定感度は光の強度雑音により制限を受けてしまう。
一方、周波数シフト帰還型レーザは、発振周波数が時間に比例して変化する周波数チャープ光源であり、強度雑音の影響が小さい周波数領域での光計測を得意とする。
しかしながら、レーザ出力光の各モード間の位相関係が非同期（インコヒーレント）であるため、各モードが独立に変化してコヒーレントな重ね合わせが成り立たず、やはり測定感度に制限を受けてしまう。
このため、従来のモード同期レーザ及び周波数シフト帰還型レーザは、それぞれ光計測用光源としての機能性に改善の余地があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明では、レーザの共振器長で決まる基本周波数の高次の整数倍に相当する正弦波信号によりレーザ共振器内に設置された光変調器を駆動する高調波モード同期レーザにおいて、該レーザ共振器内に音響光学変調器を挿入し、該音響光学変調器により周波数シフトを受けた１次回折光をレーザ媒質に帰還することでレーザ発振する周波数シフト帰還型モード同期レーザを提案する。
また、レーザのモード同期法として再生モード同期法を採用したレーザパルス発生法に音響光学変調器を挿入し、共振器の変動に依存しない超高安定な周波数シフト帰還型再生モード同期レーザを提案する。
【０００９】
〔作用〕
本発明によれば、高調波モード同期レーザの効果により、各モードの位相の同期がかかるため超短パルスを発生させることができ、その一方でレーザの共振器長と共振器内に挿入した音響光学変調器の変調周波数ｆ FS で決まる一定の割合で、該モードの周波数が時間に比例して変化するような周波数チャープした光パルス列を発生できることになる。
即ち、音響光学変調器により変調を受けた１次回折光は、ドプラー効果により音響光学変調器の変調周波数ｆ FS だけ周波数シフトを受け、またドプラー角だけ偏向を受けて、レーザ媒質に帰還する。
ここで、各モードの周波数チャープの割合は、共振器内において音響光学変調器により光が受ける単位時間あたりの周波数シフト量ｆ FS ／（ｎＬ／ｃ）に等しく、各モードの周波数間隔は共振器長により決まる基本周波数ｆ 0 ＝ｃ／ｎＬに等しく、さらに、時間とともに周波数が変化し、その傾きは変調周波数に比例し、出力パルスの一つ一つが周波数シフトする周波数差はΔν＝ｆ FS ／ｑで与えられる。
おのおのの縦モードは周波数シフトを伴うが、モード間の位相はモード同期技術によりロックされていることが大変重要である。
これにより従来、連続波の多モード発振では不可能であった各周波数成分間のコヒーレントな重ね合わせを利用することが出来、光計測用光源としての性能を大幅に向上させることが出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面に示す実施例を参照して詳細に説明する。
〔実施例１〕
本発明の第１の実施例に係る周波数シフト帰還型モード同期レーザ共振器を図１に示す。
この周波数シフト帰還型モード同期レーザは、図１に示すように、希土類添加光ファイバ１、希土類添加光ファイバを励起するための励起光源２、励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器３、出力を取り出す光分岐器４、光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ５、光強度変調器６、光フィルタ７、シンセサイザ８、電気増幅器９、音響光学変調器１０、シンセサイザ１１、電気増幅器１２から構成される。
【００１１】
ここで、例えば、希土類添加ファイバ１としてエルビウム添加ファイバを用いると、レーザの発振波長は１．５μｍとなる。
励起光源２としては、半導体レーザを用いることができる。
光強度変調器６としては、例えば、ニオブ酸リチウム製のマッハツェンダ型強度変調器などを用いることができる。
音響光学変調器１０の媒体には、例えば、二酸化テルル、砒素セレン、モリブデン酸鉛、弾性表面波素子、あるいは光ファイバそのものなど、様々な音響光学結晶を用いることができる。
【００１２】
以下、本周波数シフト帰還型モード同期レーザにおける周波数チャープした光パルス列の発生について説明する。
希土類添加ファイバ１を光結合器３を通して励起光源２で励起すると、光アイソレータ５の順方向に自然放出光が発生し、音響光学変調器１０の０次回折光として共振器外部に放射される。その放射光（非回折光）を破線で示した。
次に、電気増幅器１２でシンセサイザ１１から出力される電気信号を増幅して、音響光学変調器１０に印加する。
音響光学変調器１０により変調を受けた１次回折光は、ドプラー効果により音響光学変調器１０の変調周波数ｆＦＳだけ周波数シフトを受け、またドプラー角だけ偏向を受けて、レーザ媒質である希土類添加光ファイバ１に帰還する。
【００１３】
ここで周波数シフトの符号は音響光学変調器１０内における音波と光の進行方向の関係より決まる。
また、音響光学変調器１０内における音波は進行波であるため、１次回折光が回折する空間的位置が時間に対して変化する。
その結果、レーザの共振器長が時間に比例して変化することとなり、即ちレーザの共振条件が時間とともに変化する。
この場合、光学共振長及び共振条件と時間の関係は次の式で与えられる。
【００１４】
【数１】
ここで、ｎは共振器の屈折率、λは光の波長、Ｎは整数であり、ｎＬ／Ｎ＝λ及びｎＬ≫ｆＦＳλｔの関係がある。
周波数シフト帰還型レーザ共振器では、周波数が時間に比例して変化する（周波数チャープ）モードが発生する。
各モードの周波数チャープの割合は、共振器内において音響光学変調器１０により光が受ける単位時間あたりの周波数シフト量ｆＦＳ／（ｎＬ／ｃ）に等しく、各モードの周波数間隔は共振器長により決まる基本周波数ｆ０＝ｃ／ｎＬに等しい。
【００１６】
また、（１）式における符号は、音波と光の進行方向が同方向の場合が正の符号に、異方向の場合が負の符号にそれぞれ対応している。
モード同期動作を行わない場合は各モードの位相関係は非同期であり、レーザ出力は連続光となる。
次に、電気増幅器９でシンセサイザ８から出力される電気信号を増幅して、光強度変調器６に印加する。
光強度変調器６の変調周波数を周波数チャープモードの周波数間隔ｆ０＝ｃ／ｎＬに設定すると、強制モード同期により各モードの位相がロックされる。
即ち、レーザ出力は基本周波数ｆ０の繰り返し周波数をもつ、周波数チャープした光パルス列となる。
更に、変調周波数を基本周波数のｑ倍、ｑｆ０＝ｑｃ／ｎＬ（ｑは整数）に設定すると、基本波のｑ倍の周波数で発振する高調波の強制モード同期が実現できる。
即ち、レーザの共振器内にｑ個の光パルスが等間隔に作られ、高次の変調周波数に一致した繰り返しをもつ、周波数チャープした光パルス列が発生する。
【００１７】
〔実施例２〕
本発明の第２の実施例に係る再生モード同期型の周波数シフト帰還型のレーザの構成を図２に示す。
希土類添加光ファイバ１を光結合器３を通して励起光源２で励起すると、光フィルタの透過帯域内で、光アイソレータ５の順方向に連続光の発振が起こる。
この際、レーザの出力を光分岐器１３を通して取り出し、受光素子１４により光パルスを受光する。
光分岐器１３の代わりに光り出力の一部を分離して受光しても良い。
次に、狭帯域電気フィルタ及び電気増幅器からなるクロック抽出器１５に入力する。
【００１８】
このクロック抽出器１５によりレーザ出力から特定の周波数の正弦波のクロック信号（パルス繰り返し周波数）を抜き出し、位相器１６で位相を調整し、電気増幅器９でクロック信号を増幅した後、光強度変調器６に印加する。
従って、図２では受光素子１４で受光してから、光強度変調器６へのクロック信号の印加まで閉ループを構成することになる。
この場合、シンセサイザは必要としない。
共振器内ではクロック信号に同期した周波数で光が強度変調されるが、もともとこの光はレーザから放出された信号なので、いつも最適に変調されることになる。
【００１９】
ここで、１０ＧＨｚのクロック抽出器を用いる場合を考える。
基本周波数の整数倍に一致しない１０ＧＨｚ付近のクロック信号は、安定なパルス列を発生できないため、クロック抽出過程において消滅するが、基本周波数の整数倍に一致したクロック信号は、変調周波数と光パルスの繰り返しが完全に一致するため、安定なパルス発振が徐々に強められる。
これが繰り返されると、最初は雑音的であった基本周波数の整数倍に一致したある一つの１０ＧＨｚ付近のクロック信号だけが残る。
即ち、余分な縦モードを抑制した一つのクロック信号だけで、光強度変調器６を駆動するようになり、１０ＧＨｚの高調波モード同期が達成される。
この際、音響光学変調器１０による周波数シフトの効果は図１と全く同一であり、周波数シフト帰還型の再生モード同期レーザが実現できることになる。
【００２０】
このとき、例えば、光共振器内の希土類添加光ファイバ１と光分岐器４の間に光パルス圧縮用光ファイバを挿入することにより、光ソリトンの効果を用いて発生する光パルスのパルス幅を短くできる。
また、この非線形ファイバにより、高調波モード同期の問題点となるスーパーモード雑音も除去できることが特徴である。
本レーザパルス発振器においては、温度変動により共振器長が変化し、光パルスの繰り返しが変化しても、光パルスの繰り返しに同期したクロック信号で変調を行なうため、変調周波数と光パルスの繰り返しの間にずれが生じない。
従って、従来の技術と違い、温度変動によって光パルスの波形が劣化しない特徴をもつ。
【００２１】
更に、従来必要とした高精度なシンセサイザや共振器安定化のためのアクティブな負帰還回路が不要となるため、経済的な利点も大きい。
図３に時間とともに、そのパルスの周波数が変化する様子を示す。
図３（ａ）は時間とともに周波数が変化している様子を示しているが、その傾きは変調周波数に比例し、共振器長に反比例する。
即ち、短い共振器を構成し、音響光学変調器１０の変調周波数を上げることにより周波数シフトの大きなレーザが構成できる。
また、図３（ｂ）は出力パルスの一つ一つが周波数シフトする様子を示しておりその周波数差はΔν＝ｆＦＳ／ｑで与えられる。
このようにパルス毎に周波数が等間隔で変化していくレーザは今までにないものである。
【００２２】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、レーザの共振器長で決まる基本周波数の高次の整数倍に相当する正弦波信号によりレーザ共振器内に設置された光変調器を駆動する高調波モード同期レーザにおいて、周波数シフト帰還機構を組み入れることにより、レーザ出力光の各モードの位相の同期状態が保たれたまま、レーザの共振器長と共振器内に挿入した音響光学変調器１０の変調周波数で決まる一定の割合で、各モードの周波数が時間に比例して変化するような周波数チャープした新しい光パルス列を発生できる。
また、再生モード同期法と組み合わせることにより超高安定な周波数チャープレーザが実現できる。
今までのモード同期レーザではパルス列の特性は皆同一で、時間とともにその性質を変化させることが不可能と思われていたが、本発明はそれを可能にしたもので新しい応用が数多く考えられる。
【００２３】
本発明を用いれば、例えば、モード同期レーザを光源とした光計測を周波数領域で行うことにより、高性能な光計測を実現できる。
例えば、反射体若しくは散乱体・分散性媒質からの周波数シフトした信号と光源のもとの信号とのビート信号を測定するような場合、ビート信号がコヒーレントに重ね合わせることができるため大幅にＳＮ比が良くなり、従来に比べて２０ｄＢ以上ダイナミックレンジを向上することが出来る。
また、このように時間とともに光パルスの周波数が変わる特性を利用するとパルスのタイミングを制御することにより、波長の異なる信号光パルスのスイッチング、アレー型導波路（Ａｒｒａｙ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ：：ＡＷＧ）などの波長選択光カプラーを出力に接続することにより光パルスにルーティング・多波長光源への変換を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る周波数シフト帰還型モード同期レーザの構成図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る周波数シフト帰還型再生モード同期レーザの構成図である。
【図３】周波数シフト帰還型モード同期レーザの動作特性、特に周波数シフトに関する振る舞いについて記述しており、図３（ａ）は時間的な周波数変化の様子を示すグラフ、図３（ｂ）はパルス波形毎の周波数変化を示すグラフである。
【図４】従来の高調波モード同期レーザの構成図である。
【図５】従来の周波数シフト帰還型レーザの構成図である。
【符号の説明】
１ 希土類添加光ファイバ
２ 希土類添加光ファイバを励起するための励起光源
３ 励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合器
４ 出力を取り出す光分岐器
５ 光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ
６ 光変調器
７ 光フィルタ
８ シンセサイザ（標準信号発生器）
９ 電気増幅器
１０ 音響光学変調器
１１ シンセサイザ
１２ 電気増幅器
１３ クロック抽出用光分岐回路
１４ 受光素子
１５ クロック抽出器
１６ 位相器
Claims (2)
- レーザの共振器長で決まる基本周波数の高次の整数倍に相当する正弦波信号によりレーザ共振器内に設置された光変調器を駆動する高調波モード同期レーザ共振器において、該レーザ共振器内に音響光学変調器を挿入し、該音響光学変調器により周波数シフトを受けた１次回折光をレーザ媒質に帰還することにより、出力パルス毎に周波数がシフトしたチャープ発振することを特徴とする周波数シフト帰還型モード同期レーザ。
- レーザ共振器内に設置された光変調器の変調周波数をレーザの共振器長で決まる基本周波数の高次の整数倍に設定して得られる高調波モード同期レーザパルス発振器において、該レーザの出力の一部からクロック抽出器によりその繰り返しに相当する正弦波信号を抽出し、その周波数により該光変調器を駆動する閉ループを設けることによりレーザパルス発振器を構成し、更に該レーザ共振器内に音響光学変調器を挿入し、該音響光学変調器により周波数シフトを受けた１次回折光をレーザ媒質に帰還することにより、自動的に繰り返しを最適状態に保ち、出力パルス毎に周波数がシフトした高安定なチャープ発振することを特徴とする周波数シフト帰還型再生モード同期レーザ。
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