JP3824323B2 - 圧縮により波長可変としたファイバレーザ - Google Patents
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Description
引用する関連出願
同時係属中の米国特許出願、（ＵＴＣドケット番号Ｎｏ．Ｒ−３８４１）、名称“圧縮により波長可変としたファイバグレーティング”が、本願と同時に出願されており、上記出願についても本願における開示内容に関連する内容を含んでいる。
技術分野
本発明は、ファイバレーザに関し、より詳細には、波長可変ファイバレーザに関する。
背景技術
ファイバレーザの分野においては、対となったブラッググレーティングをオプティカルファイバ中に埋め込むことによって、波長可変ファイバレーザが得られることが知られている。上記グレーティングは、希土類ドーパント（例えばエルビウム）によってドープされたファイバ領域によって離間されている。上記レーザは、ボール（Ｂａｌｌ）等に付与された米国特許第５，３１７，５７６号、名称“連続波長可変単一モード希土類ドープポンプレーザ配置”に開示されている。上記波長可変レーザは、連続的に波長可変となった単一の発振波長を有するものであり、かつ、縦モードホッピングが起こらないようなものである。
ブラッググレーティングファイバレーザは、上記グレーティングの他、そのレーザキャビティを伸長させることによってもその発振波長を可変（変化させること）とできる。例えば、このための一つの技術としては、上記レーザに圧電式伸長機（可変器）を取り付け、印可電圧に依存させて伸長させたり、又は、上記レーザを電圧が印可されると伸長する円筒状のマンドレルに巻き付ける等の方法があるが、これらについては、上記米国特許に開示のものである。
しかしながら、上記ファイバが伸長される量（すなわち引っ張り歪みが与えられる量）、すなわちその最大波長可変領域は、上記ファイバの引っ張り強度により制限されていた。特にブラッググレーティングが伸長される場合には、上記ブラッググレーティングの反射波長範囲は、主として物理的膨張及び歪み−光学効果によって１．５５μｍ波長領域において約１．２ナノメータ（ｎｍ）／ミリストレイン（ｍｉｌｌｉｓｔｒａｉｎ）で変化することが知られている。典型的な通信用グレードのオプティカルファイバ及び導波路は、石英すなわち二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）によって製造されており、これは、ヤング弾性率が１．０２ｘ１０7ＰＳＩである。従って、５０ｋｐｓｉで規格試験される典型的なオプティカルファイバについては、長期間安全に加えられる持続的な最大安全歪みの約１／２％（（ΔＬ／Ｌ）＊１００；上式中、Ｌは、伸長されるファイバの長さである。）が、上記ファイバを現実に破断させてしまうような上記ファイバ強度の劣化を生じさせずに加えられるにすぎない。これは、上記引っ張り歪みレーザの波長可変最大量を約５ｎｍに制限してしまうこととなる。
これとは別に、ファイバレーザは、温度変化によっても波長可変とすることができる。この場合には、上記レーザキャビティ及びブラッググレーティングを加熱し、これらの要素を膨張させて屈折率の変化を生じさせる。温度に対する上記ブラッグ反射波長の変化は、約０．０１１ｎｍ／℃である。このような温度波長可変の悪影響としては、上記ブラッググレーティングの反射率の大きさが劣化することを挙げることができ、これは、熱アニーリングが生じてしまうことによるものである。この様な劣化は、レーザ共振器特性を変化させてしまって、上記レーザの応答性を変えてしまうことになる。特定のファイバ、製造方法、ファイバへのコーティング及びグレーティングの規格に応じて、約１００〜２００℃を超える高い温度で著しいグレーティングの劣化が発生してしまうので、上記ファイバレーザの現実的な波長可変幅は、約１ｎｍに制限されてしまう。
上記ファイバレーザのための利得媒質のバンド幅が、エルビウムについていえば４０〜５０ｎｍと１０ｎｍよりも広いので、現在のファイバレーザ波長可変技術は、上記レーザ利得バンド幅にわたる最大の波長可変範囲を提供することができるものではない。
従って、上記レーザの利得バンド幅の大部分にわたって波長可変であり、かつ、比較的簡単に製造できる上記ファイバレーザを提供することが望まれていた。
発明の開示
本発明の目的は、波長可変幅の広いファイバレーザを提供することにある。
本発明に従えば、広い範囲で波長可変のレーザは、固体光導波路を有するレーザキャビティを備える波長可変レーザであって、前記光導波路には、前記レーザキャビティ内に利得媒質を与える希土類ドーパントがドープされ、前記波長可変レーザはさらに、前記レーザキャビティを画成する一対の反射要素を備えており、前記レーザキャビティの長さと、前記利得媒質の利得と、前記反射要素の反射率とが、所定のレーザ発振波長においてレーザ発振させるようになっており、前記反射要素は、前記レーザ発振波長の入射光を反射し、前記波長可変レーザはさらに、前記レーザ発振波長を変化させるように前記固体光導波路を圧縮するための圧縮手段を備える。
さらに本発明に従えば、前記反射要素は、それぞれが中心反射波長を有する少なくとも一つのブラッググレーティングを備えており、前記圧縮手段は、また、前記グレーティングを圧縮して前記グレーティングの前記反射波長を、前記圧縮レーザキャビティの前記レーザ発振波長に対応するように変化させる。
本発明は、従来の波長可変ファイバレーザに対して著しい改良が加えられているものであるが、これは、圧縮応力を引っ張り応力（すなわち、上記レーザを伸長させるものである）に代えて用いることにより、上記ファイバレーザが、モードホッピングなしに、例えば３２ｎｍというように、上記エルビウムドープファイバレーザの４０〜５０ｎｍといったバンド幅のほとんどの部分であるより広い範囲で連続的に波長可変となることを可能とする。これは、主として、上記オプティカルファイバが、引っ張りよりも圧縮に対して２３倍も強いことに起因しており、このことによって従来よりもより大きな波長可変範囲が達成されるものである。また、我々は鋭意検討の結果、上記波長可変性は、両方向（すなわち、圧縮方向及び弛緩方向）に繰り返すことができることを見いだしたのである。
本発明の上記目的及びその他の目的、特徴及び効果については、添付の図面を用いて説明する代表的な実施例の説明によってより明確となろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の圧縮による波長可変ファイバレーザの実施例を示した概略的なブロック図である。
図２は、本発明の圧縮による波長可変ファイバレーザについて、圧縮割合に対するレーザ発振波長をグラフとした図である。
図３は、本発明の圧縮による波長可変ファイバレーザのレーザ発振波長と、圧縮率と、出力パワーと、を示した３Ｄグラフである。
図４は、本発明の圧縮ファイバレーザのための圧縮デバイスの分解斜視図である。
図５は、本発明の圧縮による波長可変ファイバレーザの圧縮デバイスの一部分解斜視図である。
図６は、一端がブロックされ、かつ、内部をファイバがスライドできるようにされた本発明の固定フェルールの側面図である。
発明の最良の実施態様
図１には、ポンプ光源１０、例えばレーザダイオード等を示しているが、これは、光ファイバ１４に対してポンプ波長λp、例えば１４８０ｎｍの光学的ポンプ光信号１２を与えている。上記ポンプ信号１２は、良く知られた波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１８のポート１６に供給される。上記光学的ポンプ信号１２は、上記ＷＤＭ１８の上記出力ポート２０へとカップリングされ、上記ファイバ２４への光学的信号２２とされる。上記オプティカルファイバ２４は、希土類ドープ（例えばエルビウムドープファイバ等）された、直径が約１２５μｍのＳｉＯ2製オプティカルファイバの領域３２によって離間された対となったブラッググレーティング２８，３０の対を備えたファイバレーザ２６とされている。上記ファイバレーザは、米国特許第５，３０５，３３５号、名称“単一縦モードポンプ光導波路レーザ配置”において開示のものと類似しているが、所望に応じていかなる波長可変ファイバレーザを使用することもできる。上記ファイバレーザ２６は、レーザ発振波長λL、例えば約１５３０〜１５７０ｎｍのレーザ発振範囲を有するファイバ３４に沿って出力光３３を、オプティカルアイソレータ３６へと与えるようになっている。上記オプティカルアイソレータ３６は、上記レーザ２６へと光を再入射させないようにして、上記レーザ動作を妨げないようにしている。上記それぞれのファイバ２４，３２，３４は、内部に上記ブラッググレーティング２８，３０が埋め込まれたすべてが一本となった連続オプティカルファイバとすることができることが理解されよう。また、波長可変範囲を最大化させるため、非圧縮状態における上記レーザは、約１５７０ｎｍで発振し、圧縮に際して１５３０ｎｍへと波長可変とされることが好ましいことが理解されよう。
上記ファイバレーザ２６は、また、上記レーザ発振波長λLにおいて、上記ファイバ２４に沿ってフィードバック（すなわち戻り）光線信号３８を与えており、この戻り光線信号３８は、ポート２０から上記ＷＤＭ１８へと入射する。この信号３８は、ファイバ４４上のライン４２で示すように、上記ＷＤＭ１８から上記ＷＤＭのポート４０に放出される。上記ファイバ４４は、光学的検出器４６に送られ、この光学的検出器４６は、ライン４８へと入射した上記光学的信号４２の強度に対応した電気信号を送るようになっている。
上記ライン４８には、より詳細には後述するが、能動型フィードバックレーザノイズ減少回路５０が備えられている。
上記光学的信号３３は、ファイバ６０の光学的信号５８として上記オプティカルアイソレータ３６を出て行く。上記ファイバ６０は、例えばエルビウムといった所定のドーパントでドープされた所定長さ（例えば１５ｍ）のオプティカルファイバなどといった光学的増幅器６２へと送られる。このエルビウムは、上記レーザ２６からの残留ポンプ出力を吸収して、上記レーザ発振波長λLの上記光学的信号５８を増幅させ、オプティカルファイバ６６上に増幅された光学的信号６４を与えるようになっている。上記ファイバ６６は、第二のオプティカルアイソレータ６８へと導かれ、この第二のオプティカルアイソレータ６８は、反対方向から上記光学的増幅器６２へと光線が侵入するのを防止している。上記光学的信号６４は、オプティカルファイバ７２に、信号７０として上記アイソレータ６８から放出される。
上記ファイバ７２は、オプティカルカップラ７４へと供給され、上記入射光線７０が所定量だけ（例えば約１％）カップリングされてライン７８で示されるように光ファイバ８０に送られる。上記光線７０の残りの部分は、出力信号８４としてファイバ８２へとカップリングされる。上記ファイバ８０は、光学的検出器８６に供給され、この光学的検出器８６は、入射する上記光線７８の強度を示した電気信号をライン８８に与える。上記ライン８８は、また、上記したノイズ減少回路５０にカップリングされている。
上記ノイズ減少回路５０は、既知の制御電子機器を有しており、かつ、上記ポンプ源１０へとライン５２を介して電気信号を与えている。上記電気信号により、上記ポンプ源１０を調節し（典型的には、レーザダイオードへの電流である）、実質的に一定の出力光信号８４を与えるようにしている。フィードバック制御レーザ構成及びノイズ低減回路は、同時係属中の米国特許出願第０８／２５０，９６６号、名称“プログラマブルファイバ光学ディレイライン”及び前出のボール等による“低ノイズ単一周波数リニアファイバレーザ”、エレクトロニックレターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第２９巻、第１８号、１６２３頁〜１６２４頁（１９９３年９月）及びボール等の“６０ｍＷ１．５μｍ単一周波数低ノイズファイバレーザＭＯＰＡ”、ＩＥＥＥフォトニクステクノロジーレターズ（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈ． Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第６巻、第２号（１９９４年２月）に開示されているものと類似のものである。
より具体的には、上記検出器４６，８６からの上記ライン４８，８８の上記電気信号は、それぞれ、内側及び外側制御ループである光学的フィードバックとして機能する。特に、上記ライン４８の上記電気的信号は、当業界において良く知られている内側ＰＤ（比例及び差動）コントローラループに送られる。上記検出器８６からの上記ライン８８の上記電気信号は、良く知られている積分型（又は同期）制御補償用外側ループへと送られる。
上記双方のラインの信号は、上記ポンプ光源１０への駆動信号５２を調節するための役割を果たしている。上記デュアルループ制御の目的は、上記ファイバレーザ２６の上記波長可変範囲にわたって一定の出力振幅を与えることにあり、上記出力振幅の出力光８４は、そうしなければ上記増幅器６２の利得バンド幅にわたる利得変動ばかりでなく、上記ドープされたキャビティ３２の波長可変バンド幅にわたる利得変動により変動してしまうことになる。
一定出力強度及びノイズの低減が必要ではないか、又は、上記レーザがフラットな利得特性を有しているのであれば、本発明は、一つの（内側又は外側ループ）フィードバックでも、また、フィードバックなしでも等しく良好に作用する。さらに、本発明は、所望により上記ＷＤＭ１８、上記それぞれのアイソレータ３６，６８及び増幅器６２なしでも等しく良好に機能する。
上記ファイバ２４，３４及び上記ファイバレーザ２６は、ファイバ圧縮デバイス９０内に通され（より詳細には後述する）、正確にその長手方向軸に沿って上記ファイバの圧縮が行われるようになっているとともに、上記ファイバがバックリングしないようにされている。通常、上記圧縮デバイス９０は、上記ファイバ２４が通されている可動ピストン９２と、上記ファイバ３４が螺合される固定部分９４と、を有している。上記ピストン９２と上記ピストン９４の間に、上記ファイバレーザ２６がフェルールを介して通されている（図１には図示せず）。上記ファイバ２４は、上記可動ピストン９２へと固定され（例えば膠又はエポキシ樹脂）、上記固定部分９４は、また、上記ファイバ３４に取り付けられている。ステッパモータ９８は、機械的リンケージ１００によって上記ピストン９２へと連結されていて、上記ピストン９２を動かし、かつ、上記ファイバレーザ２６（すなわち、上記グレーティング２８，３０及びキャビティ３２）を、長手方向に圧縮することで上記出力光学信号３３，３８の出力波長λLを可変としている。上記ステッパモータは、高分解能４００ステップ／回転のステッパモータであり、１０，０００ステップ／回転のマイクロステッピングモードで駆動できる、例えば、メルグリオ（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）製のナノムーバ（ＮＡＮＯ−ＭＯＶＥＲ）マイクロポジショナルシステムを挙げることができ、このシステムによれば、リニア変位分解能を＋／−５０ｎｍ／ステップ、及び波長分解能を＋／−２ピコメートル、すなわち、１５５０ｎｍにおいて周波数を＋／−２５０ＭＨｚとすることができる。
上記ステッパモータ９８は、ステッパモータ駆動回路１０４からのライン１０２を介した電気的信号によって駆動されている。上記ドライブ回路１０４は、既知の電気機器を有していて、上記ステッパモータ９８、従って、上記ピストン９２をライン１０６の所望するレーザ波長λLを示す電気信号に対応して、所望の位置へと駆動させるに必要な駆動信号を与えている。
図２において、我々は、上記オプティカルファイバの主要成分となっている石英（ＳｉＯ2）が、約２３倍引っ張りに対するよりも圧縮に対して強いことを見いだしたことを示している。これによって圧縮により、より広い波長可変範囲が得られることがわかる。特にわれわれは、ΔＬが８００μｍ、すなわち２．７％の圧縮歪み（ΔＬ／Ｌ）＊１００；上式中Ｌは、圧縮するファイバ長さである）で、波長可変範囲が３２ｎｍであることを見いだした。これは、上記ファイバに約５１ｂｓの力を加えることによって得た。これは、従来のファイバレーザ波長可変技術によって達成されてきた波長可変範囲よりもかなり広いものとなっている。また、われわれは、レーザ発振波長の変化は、実質的に圧縮割合（ΔＬ／Ｌ）に対して試験した範囲内、すなわち０から２．５％超までは直線的に変化することを見いだした。さらに、圧縮は、上記ファイバを引き延ばすといった従来の技術において発生するファイバ破断の可能性がない。別の波長及び／又はより大きな圧縮範囲であっても所望により用いることができる。また、より高い圧縮値においてある種のノンリニア特性が出力レーザ発振波長に発生した場合にでも、上記したようなノンリニア性を考慮に入れて、上記ステッパモータ等、力を加えるデバイスを補償することで、従来よりもかなり広い波長範囲において予測可能な波長可変性を与えることができる。
図３には、図１に示したデュアルフィードバック配置で、上記出力信号８４の出力が、上記ファイバレーザ２６の利得又は増幅器６２の利得プロファイルの変動に係わらずレーザ発振波長範囲にわたって一定に保持されているのが示されている。
ここで、図４及び図５には、図１で前述した上記ファイバ圧縮デバイス９０の一つの実施例を示すが、これは、約３．７５インチ、すなわち、９．５３ｃｍの長さを有し、かつ、上記デバイス９０を支持するためのベース２００を備えている。上記ファイバ２４は、金属チューブ（又はスリーブ）２０２を通して供給され、この金属チューブは上記ピストン９２に取り付けられている。上記ピストン９２は、約３．５ｃｍの長さを有しており、上記ベース２００内の半円形のガイド２０４に沿ってスライドするようになっている。上記ファイバ２４は、上記チューブ２０２の長さにわたって上記チューブ２０２に取り付けられており、上記ファイバレーザの圧縮中に上記ファイバ２４がスライドしてしまうのを防止している。上記ファイバ２４は、上記ガイド２０２を出て、上記ファイバレーザ２６（図示せず）は、連なった３つのフェルール２０６を介して通されている。上記フェルールは、それぞれが約１．３ｃｍの長さであるとともに、所定の均等な約１ｍｍの離間（ギャップ）２０８をそれぞれの間に有している。この様にすることによって、固定されていない部分のファイバ部分を上記圧縮領域外へと突き出させることができ、ファイバのバックリングの可能性を最低限とすることができる。
上記複数のフェルールは、上記ベース２００内の半円形トラック２０９に沿って自在にスライドするようにされている。上記ファイバレーザ２６の出力である上記ファイバ３４は、上記ベース２００に取り付けられている別の金属チューブ２１０に送られる。また、上記ファイバ３４は、上記チューブ２１０の長さにわたって上記チューブ２１０に固定されており、上記ファイバ３４が、上記ファイバ３４の圧縮中にスライドしてしまわないようにしている。溝２２１を備えたカバー２２０は、上記フェルール２０６の頂部に設けられていて、それらを安定化させているとともに、それらを“クラムシェル”型の配置に整列させている。圧縮が行われる全ギャップは、約３ｃｍである。これと別の圧縮長さであっても所望により用いることができる、また、上記フェルール２０６、上記ピストン９２、ベース２００及び上記圧縮デバイス９０及びこれらとは別の部品すべてについて別のサイズ及び離間幅２０８を所望により用いることができる。また、上記離間２０８は、所望により圧縮される上記全ファイバのほとんどにわたって形成されるように設定することもできる。さらに、上記圧縮ファイバが開放された場合に、上記フェルールの離間２０８にスプリング（図示せず）を使用して、上記フェルール２０６をそれらの本来の位置に戻してやることもできる。
上記チューブ２０２は、さらに、上記ピストンにカバー２２６によって固定されており、上記ピストン９２は、上側に覆いかぶさっているアーム２２２，２２４によって上記ガイド２０４に保持されている。また、上記チューブ２１０は、カバー２２８によってさらに上記ベース２００に取り付けられている。上記チューブ２０２の入口位置及び上記チューブ２１０の出口位置における上記ファイバの破断を可能な限り低減させるため、上記ファイバは、上記チューブの上記各端部へと接着すべきではなく、それぞれのチューブ端に至る前に接着が終わっているようにするべきである。この様にすることによって、上記チューブが、上記圧縮デバイス９０の上記入口位置及び上記出口位置において上記ファイバに加えられる歪みの量を規制するシースとして機能する。
図４、図５に示すような３つのフェルールを使用するかわりに、所望により、より多く、又は、より少ないフェルールを使用することもできる。また、上記複数のフェルールをスライドさせるかわりに、それらの一つ又はそれ以上を上記ベース２００に固定して、上記ファイバをそれらの内部をスライドさせるようにしても良い。さらに、上記グレーティング２８，３０を含んだ上記ファイバ２４，３２，３４は、例えば、プラスチックコーティング等いかなるコーティングの引き剥がされていても良く、又、適切に上記コーティングが圧縮できるようにされていれば上記コーティングが所望により上記ファイバ上に残されていても良い。
また、上記ファイバレーザキャビティ３２を境界づけ、また、これを画成するブラッググレーティング２８，３０を備えるかわりに、所望により、これとは別の反射要素を使用することができる。その場合、例えば、ミラーなどの上記反射要素は、圧縮によりその反射波長を変化させる必要は無く、上記要素は適切に上記波長可変範囲にわたって適切に光線を反射させることができればよい。また、２枚の広い波長幅のミラーを用いれば、モードホッピングを避けるために短いキャビティを用いて充分に波長可変を行う必要がある。
さらにまた、デュアル出力レーザに変えて、単一出力レーザを所望により使用することもできる。この場合には、上記ファイバ３４は、上記圧縮デバイス９０には必要ではない。
図６には、上記ファイバの両端を固定するかわりに、固定された一の端部を有するファイバレーザを用いた場合に、上記ファイバ３００の未使用端部が、固定された（動かない）フェルール３０２を介して通され、上記フェルール３０４の一端においてホールが、硬い面（又はプレート）３０６によってブロックされているのを示している。上記プレート３０６が、石英製であれば、上記ファイバ３００の端部からの反射は、最低化することができる。
上記ファイバレーザ２６のオプティカルファイバは（図１）、いかなるガラス（例えばＳｉＯ2、燐酸ガラス、又は、これらとは別のガラス）又は、ガラス及びプラスチック、又は、単なるプラスチックで製造されていても良い。また、オプティカルファイバのかわりに、光を収容し、増幅可能なものであれば、例えば平面導波路といったいかなる別の光導波路を使用していても良い。
本発明は、圧縮デバイス９０（図１）についてのいくつかの特定の実施例をもって説明してきたが、上記ファイバを長手方向軸に圧縮できるいかなるデバイスであっても上記ファイバを後退させることなく圧縮させられるようなものであれば使用できる。さらに、上記ステッパモータ９８を使用するかわりに、上記ファイバレーザの上記長手方向軸に沿って長手方向の圧縮力を加え、上記レーザキャビティの長さを変化させることができるいかなる装置であっても所望により使用することができる。
同時係属中の米国特許出願、（ＵＴＣドケット番号Ｎｏ．Ｒ−３８４１）、名称“圧縮により波長可変としたファイバグレーティング”が、本願と同時に出願されており、上記出願についても本願における開示内容に関連する内容を含んでいる。
技術分野
本発明は、ファイバレーザに関し、より詳細には、波長可変ファイバレーザに関する。
背景技術
ファイバレーザの分野においては、対となったブラッググレーティングをオプティカルファイバ中に埋め込むことによって、波長可変ファイバレーザが得られることが知られている。上記グレーティングは、希土類ドーパント（例えばエルビウム）によってドープされたファイバ領域によって離間されている。上記レーザは、ボール（Ｂａｌｌ）等に付与された米国特許第５，３１７，５７６号、名称“連続波長可変単一モード希土類ドープポンプレーザ配置”に開示されている。上記波長可変レーザは、連続的に波長可変となった単一の発振波長を有するものであり、かつ、縦モードホッピングが起こらないようなものである。
ブラッググレーティングファイバレーザは、上記グレーティングの他、そのレーザキャビティを伸長させることによってもその発振波長を可変（変化させること）とできる。例えば、このための一つの技術としては、上記レーザに圧電式伸長機（可変器）を取り付け、印可電圧に依存させて伸長させたり、又は、上記レーザを電圧が印可されると伸長する円筒状のマンドレルに巻き付ける等の方法があるが、これらについては、上記米国特許に開示のものである。
しかしながら、上記ファイバが伸長される量（すなわち引っ張り歪みが与えられる量）、すなわちその最大波長可変領域は、上記ファイバの引っ張り強度により制限されていた。特にブラッググレーティングが伸長される場合には、上記ブラッググレーティングの反射波長範囲は、主として物理的膨張及び歪み−光学効果によって１．５５μｍ波長領域において約１．２ナノメータ（ｎｍ）／ミリストレイン（ｍｉｌｌｉｓｔｒａｉｎ）で変化することが知られている。典型的な通信用グレードのオプティカルファイバ及び導波路は、石英すなわち二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）によって製造されており、これは、ヤング弾性率が１．０２ｘ１０7ＰＳＩである。従って、５０ｋｐｓｉで規格試験される典型的なオプティカルファイバについては、長期間安全に加えられる持続的な最大安全歪みの約１／２％（（ΔＬ／Ｌ）＊１００；上式中、Ｌは、伸長されるファイバの長さである。）が、上記ファイバを現実に破断させてしまうような上記ファイバ強度の劣化を生じさせずに加えられるにすぎない。これは、上記引っ張り歪みレーザの波長可変最大量を約５ｎｍに制限してしまうこととなる。
これとは別に、ファイバレーザは、温度変化によっても波長可変とすることができる。この場合には、上記レーザキャビティ及びブラッググレーティングを加熱し、これらの要素を膨張させて屈折率の変化を生じさせる。温度に対する上記ブラッグ反射波長の変化は、約０．０１１ｎｍ／℃である。このような温度波長可変の悪影響としては、上記ブラッググレーティングの反射率の大きさが劣化することを挙げることができ、これは、熱アニーリングが生じてしまうことによるものである。この様な劣化は、レーザ共振器特性を変化させてしまって、上記レーザの応答性を変えてしまうことになる。特定のファイバ、製造方法、ファイバへのコーティング及びグレーティングの規格に応じて、約１００〜２００℃を超える高い温度で著しいグレーティングの劣化が発生してしまうので、上記ファイバレーザの現実的な波長可変幅は、約１ｎｍに制限されてしまう。
上記ファイバレーザのための利得媒質のバンド幅が、エルビウムについていえば４０〜５０ｎｍと１０ｎｍよりも広いので、現在のファイバレーザ波長可変技術は、上記レーザ利得バンド幅にわたる最大の波長可変範囲を提供することができるものではない。
従って、上記レーザの利得バンド幅の大部分にわたって波長可変であり、かつ、比較的簡単に製造できる上記ファイバレーザを提供することが望まれていた。
発明の開示
本発明の目的は、波長可変幅の広いファイバレーザを提供することにある。
本発明に従えば、広い範囲で波長可変のレーザは、固体光導波路を有するレーザキャビティを備える波長可変レーザであって、前記光導波路には、前記レーザキャビティ内に利得媒質を与える希土類ドーパントがドープされ、前記波長可変レーザはさらに、前記レーザキャビティを画成する一対の反射要素を備えており、前記レーザキャビティの長さと、前記利得媒質の利得と、前記反射要素の反射率とが、所定のレーザ発振波長においてレーザ発振させるようになっており、前記反射要素は、前記レーザ発振波長の入射光を反射し、前記波長可変レーザはさらに、前記レーザ発振波長を変化させるように前記固体光導波路を圧縮するための圧縮手段を備える。
さらに本発明に従えば、前記反射要素は、それぞれが中心反射波長を有する少なくとも一つのブラッググレーティングを備えており、前記圧縮手段は、また、前記グレーティングを圧縮して前記グレーティングの前記反射波長を、前記圧縮レーザキャビティの前記レーザ発振波長に対応するように変化させる。
本発明は、従来の波長可変ファイバレーザに対して著しい改良が加えられているものであるが、これは、圧縮応力を引っ張り応力（すなわち、上記レーザを伸長させるものである）に代えて用いることにより、上記ファイバレーザが、モードホッピングなしに、例えば３２ｎｍというように、上記エルビウムドープファイバレーザの４０〜５０ｎｍといったバンド幅のほとんどの部分であるより広い範囲で連続的に波長可変となることを可能とする。これは、主として、上記オプティカルファイバが、引っ張りよりも圧縮に対して２３倍も強いことに起因しており、このことによって従来よりもより大きな波長可変範囲が達成されるものである。また、我々は鋭意検討の結果、上記波長可変性は、両方向（すなわち、圧縮方向及び弛緩方向）に繰り返すことができることを見いだしたのである。
本発明の上記目的及びその他の目的、特徴及び効果については、添付の図面を用いて説明する代表的な実施例の説明によってより明確となろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の圧縮による波長可変ファイバレーザの実施例を示した概略的なブロック図である。
図２は、本発明の圧縮による波長可変ファイバレーザについて、圧縮割合に対するレーザ発振波長をグラフとした図である。
図３は、本発明の圧縮による波長可変ファイバレーザのレーザ発振波長と、圧縮率と、出力パワーと、を示した３Ｄグラフである。
図４は、本発明の圧縮ファイバレーザのための圧縮デバイスの分解斜視図である。
図５は、本発明の圧縮による波長可変ファイバレーザの圧縮デバイスの一部分解斜視図である。
図６は、一端がブロックされ、かつ、内部をファイバがスライドできるようにされた本発明の固定フェルールの側面図である。
発明の最良の実施態様
図１には、ポンプ光源１０、例えばレーザダイオード等を示しているが、これは、光ファイバ１４に対してポンプ波長λp、例えば１４８０ｎｍの光学的ポンプ光信号１２を与えている。上記ポンプ信号１２は、良く知られた波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１８のポート１６に供給される。上記光学的ポンプ信号１２は、上記ＷＤＭ１８の上記出力ポート２０へとカップリングされ、上記ファイバ２４への光学的信号２２とされる。上記オプティカルファイバ２４は、希土類ドープ（例えばエルビウムドープファイバ等）された、直径が約１２５μｍのＳｉＯ2製オプティカルファイバの領域３２によって離間された対となったブラッググレーティング２８，３０の対を備えたファイバレーザ２６とされている。上記ファイバレーザは、米国特許第５，３０５，３３５号、名称“単一縦モードポンプ光導波路レーザ配置”において開示のものと類似しているが、所望に応じていかなる波長可変ファイバレーザを使用することもできる。上記ファイバレーザ２６は、レーザ発振波長λL、例えば約１５３０〜１５７０ｎｍのレーザ発振範囲を有するファイバ３４に沿って出力光３３を、オプティカルアイソレータ３６へと与えるようになっている。上記オプティカルアイソレータ３６は、上記レーザ２６へと光を再入射させないようにして、上記レーザ動作を妨げないようにしている。上記それぞれのファイバ２４，３２，３４は、内部に上記ブラッググレーティング２８，３０が埋め込まれたすべてが一本となった連続オプティカルファイバとすることができることが理解されよう。また、波長可変範囲を最大化させるため、非圧縮状態における上記レーザは、約１５７０ｎｍで発振し、圧縮に際して１５３０ｎｍへと波長可変とされることが好ましいことが理解されよう。
上記ファイバレーザ２６は、また、上記レーザ発振波長λLにおいて、上記ファイバ２４に沿ってフィードバック（すなわち戻り）光線信号３８を与えており、この戻り光線信号３８は、ポート２０から上記ＷＤＭ１８へと入射する。この信号３８は、ファイバ４４上のライン４２で示すように、上記ＷＤＭ１８から上記ＷＤＭのポート４０に放出される。上記ファイバ４４は、光学的検出器４６に送られ、この光学的検出器４６は、ライン４８へと入射した上記光学的信号４２の強度に対応した電気信号を送るようになっている。
上記ライン４８には、より詳細には後述するが、能動型フィードバックレーザノイズ減少回路５０が備えられている。
上記光学的信号３３は、ファイバ６０の光学的信号５８として上記オプティカルアイソレータ３６を出て行く。上記ファイバ６０は、例えばエルビウムといった所定のドーパントでドープされた所定長さ（例えば１５ｍ）のオプティカルファイバなどといった光学的増幅器６２へと送られる。このエルビウムは、上記レーザ２６からの残留ポンプ出力を吸収して、上記レーザ発振波長λLの上記光学的信号５８を増幅させ、オプティカルファイバ６６上に増幅された光学的信号６４を与えるようになっている。上記ファイバ６６は、第二のオプティカルアイソレータ６８へと導かれ、この第二のオプティカルアイソレータ６８は、反対方向から上記光学的増幅器６２へと光線が侵入するのを防止している。上記光学的信号６４は、オプティカルファイバ７２に、信号７０として上記アイソレータ６８から放出される。
上記ファイバ７２は、オプティカルカップラ７４へと供給され、上記入射光線７０が所定量だけ（例えば約１％）カップリングされてライン７８で示されるように光ファイバ８０に送られる。上記光線７０の残りの部分は、出力信号８４としてファイバ８２へとカップリングされる。上記ファイバ８０は、光学的検出器８６に供給され、この光学的検出器８６は、入射する上記光線７８の強度を示した電気信号をライン８８に与える。上記ライン８８は、また、上記したノイズ減少回路５０にカップリングされている。
上記ノイズ減少回路５０は、既知の制御電子機器を有しており、かつ、上記ポンプ源１０へとライン５２を介して電気信号を与えている。上記電気信号により、上記ポンプ源１０を調節し（典型的には、レーザダイオードへの電流である）、実質的に一定の出力光信号８４を与えるようにしている。フィードバック制御レーザ構成及びノイズ低減回路は、同時係属中の米国特許出願第０８／２５０，９６６号、名称“プログラマブルファイバ光学ディレイライン”及び前出のボール等による“低ノイズ単一周波数リニアファイバレーザ”、エレクトロニックレターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第２９巻、第１８号、１６２３頁〜１６２４頁（１９９３年９月）及びボール等の“６０ｍＷ１．５μｍ単一周波数低ノイズファイバレーザＭＯＰＡ”、ＩＥＥＥフォトニクステクノロジーレターズ（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈ． Ｌｅｔｔｅｒｓ）、第６巻、第２号（１９９４年２月）に開示されているものと類似のものである。
より具体的には、上記検出器４６，８６からの上記ライン４８，８８の上記電気信号は、それぞれ、内側及び外側制御ループである光学的フィードバックとして機能する。特に、上記ライン４８の上記電気的信号は、当業界において良く知られている内側ＰＤ（比例及び差動）コントローラループに送られる。上記検出器８６からの上記ライン８８の上記電気信号は、良く知られている積分型（又は同期）制御補償用外側ループへと送られる。
上記双方のラインの信号は、上記ポンプ光源１０への駆動信号５２を調節するための役割を果たしている。上記デュアルループ制御の目的は、上記ファイバレーザ２６の上記波長可変範囲にわたって一定の出力振幅を与えることにあり、上記出力振幅の出力光８４は、そうしなければ上記増幅器６２の利得バンド幅にわたる利得変動ばかりでなく、上記ドープされたキャビティ３２の波長可変バンド幅にわたる利得変動により変動してしまうことになる。
一定出力強度及びノイズの低減が必要ではないか、又は、上記レーザがフラットな利得特性を有しているのであれば、本発明は、一つの（内側又は外側ループ）フィードバックでも、また、フィードバックなしでも等しく良好に作用する。さらに、本発明は、所望により上記ＷＤＭ１８、上記それぞれのアイソレータ３６，６８及び増幅器６２なしでも等しく良好に機能する。
上記ファイバ２４，３４及び上記ファイバレーザ２６は、ファイバ圧縮デバイス９０内に通され（より詳細には後述する）、正確にその長手方向軸に沿って上記ファイバの圧縮が行われるようになっているとともに、上記ファイバがバックリングしないようにされている。通常、上記圧縮デバイス９０は、上記ファイバ２４が通されている可動ピストン９２と、上記ファイバ３４が螺合される固定部分９４と、を有している。上記ピストン９２と上記ピストン９４の間に、上記ファイバレーザ２６がフェルールを介して通されている（図１には図示せず）。上記ファイバ２４は、上記可動ピストン９２へと固定され（例えば膠又はエポキシ樹脂）、上記固定部分９４は、また、上記ファイバ３４に取り付けられている。ステッパモータ９８は、機械的リンケージ１００によって上記ピストン９２へと連結されていて、上記ピストン９２を動かし、かつ、上記ファイバレーザ２６（すなわち、上記グレーティング２８，３０及びキャビティ３２）を、長手方向に圧縮することで上記出力光学信号３３，３８の出力波長λLを可変としている。上記ステッパモータは、高分解能４００ステップ／回転のステッパモータであり、１０，０００ステップ／回転のマイクロステッピングモードで駆動できる、例えば、メルグリオ（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）製のナノムーバ（ＮＡＮＯ−ＭＯＶＥＲ）マイクロポジショナルシステムを挙げることができ、このシステムによれば、リニア変位分解能を＋／−５０ｎｍ／ステップ、及び波長分解能を＋／−２ピコメートル、すなわち、１５５０ｎｍにおいて周波数を＋／−２５０ＭＨｚとすることができる。
上記ステッパモータ９８は、ステッパモータ駆動回路１０４からのライン１０２を介した電気的信号によって駆動されている。上記ドライブ回路１０４は、既知の電気機器を有していて、上記ステッパモータ９８、従って、上記ピストン９２をライン１０６の所望するレーザ波長λLを示す電気信号に対応して、所望の位置へと駆動させるに必要な駆動信号を与えている。
図２において、我々は、上記オプティカルファイバの主要成分となっている石英（ＳｉＯ2）が、約２３倍引っ張りに対するよりも圧縮に対して強いことを見いだしたことを示している。これによって圧縮により、より広い波長可変範囲が得られることがわかる。特にわれわれは、ΔＬが８００μｍ、すなわち２．７％の圧縮歪み（ΔＬ／Ｌ）＊１００；上式中Ｌは、圧縮するファイバ長さである）で、波長可変範囲が３２ｎｍであることを見いだした。これは、上記ファイバに約５１ｂｓの力を加えることによって得た。これは、従来のファイバレーザ波長可変技術によって達成されてきた波長可変範囲よりもかなり広いものとなっている。また、われわれは、レーザ発振波長の変化は、実質的に圧縮割合（ΔＬ／Ｌ）に対して試験した範囲内、すなわち０から２．５％超までは直線的に変化することを見いだした。さらに、圧縮は、上記ファイバを引き延ばすといった従来の技術において発生するファイバ破断の可能性がない。別の波長及び／又はより大きな圧縮範囲であっても所望により用いることができる。また、より高い圧縮値においてある種のノンリニア特性が出力レーザ発振波長に発生した場合にでも、上記したようなノンリニア性を考慮に入れて、上記ステッパモータ等、力を加えるデバイスを補償することで、従来よりもかなり広い波長範囲において予測可能な波長可変性を与えることができる。
図３には、図１に示したデュアルフィードバック配置で、上記出力信号８４の出力が、上記ファイバレーザ２６の利得又は増幅器６２の利得プロファイルの変動に係わらずレーザ発振波長範囲にわたって一定に保持されているのが示されている。
ここで、図４及び図５には、図１で前述した上記ファイバ圧縮デバイス９０の一つの実施例を示すが、これは、約３．７５インチ、すなわち、９．５３ｃｍの長さを有し、かつ、上記デバイス９０を支持するためのベース２００を備えている。上記ファイバ２４は、金属チューブ（又はスリーブ）２０２を通して供給され、この金属チューブは上記ピストン９２に取り付けられている。上記ピストン９２は、約３．５ｃｍの長さを有しており、上記ベース２００内の半円形のガイド２０４に沿ってスライドするようになっている。上記ファイバ２４は、上記チューブ２０２の長さにわたって上記チューブ２０２に取り付けられており、上記ファイバレーザの圧縮中に上記ファイバ２４がスライドしてしまうのを防止している。上記ファイバ２４は、上記ガイド２０２を出て、上記ファイバレーザ２６（図示せず）は、連なった３つのフェルール２０６を介して通されている。上記フェルールは、それぞれが約１．３ｃｍの長さであるとともに、所定の均等な約１ｍｍの離間（ギャップ）２０８をそれぞれの間に有している。この様にすることによって、固定されていない部分のファイバ部分を上記圧縮領域外へと突き出させることができ、ファイバのバックリングの可能性を最低限とすることができる。
上記複数のフェルールは、上記ベース２００内の半円形トラック２０９に沿って自在にスライドするようにされている。上記ファイバレーザ２６の出力である上記ファイバ３４は、上記ベース２００に取り付けられている別の金属チューブ２１０に送られる。また、上記ファイバ３４は、上記チューブ２１０の長さにわたって上記チューブ２１０に固定されており、上記ファイバ３４が、上記ファイバ３４の圧縮中にスライドしてしまわないようにしている。溝２２１を備えたカバー２２０は、上記フェルール２０６の頂部に設けられていて、それらを安定化させているとともに、それらを“クラムシェル”型の配置に整列させている。圧縮が行われる全ギャップは、約３ｃｍである。これと別の圧縮長さであっても所望により用いることができる、また、上記フェルール２０６、上記ピストン９２、ベース２００及び上記圧縮デバイス９０及びこれらとは別の部品すべてについて別のサイズ及び離間幅２０８を所望により用いることができる。また、上記離間２０８は、所望により圧縮される上記全ファイバのほとんどにわたって形成されるように設定することもできる。さらに、上記圧縮ファイバが開放された場合に、上記フェルールの離間２０８にスプリング（図示せず）を使用して、上記フェルール２０６をそれらの本来の位置に戻してやることもできる。
上記チューブ２０２は、さらに、上記ピストンにカバー２２６によって固定されており、上記ピストン９２は、上側に覆いかぶさっているアーム２２２，２２４によって上記ガイド２０４に保持されている。また、上記チューブ２１０は、カバー２２８によってさらに上記ベース２００に取り付けられている。上記チューブ２０２の入口位置及び上記チューブ２１０の出口位置における上記ファイバの破断を可能な限り低減させるため、上記ファイバは、上記チューブの上記各端部へと接着すべきではなく、それぞれのチューブ端に至る前に接着が終わっているようにするべきである。この様にすることによって、上記チューブが、上記圧縮デバイス９０の上記入口位置及び上記出口位置において上記ファイバに加えられる歪みの量を規制するシースとして機能する。
図４、図５に示すような３つのフェルールを使用するかわりに、所望により、より多く、又は、より少ないフェルールを使用することもできる。また、上記複数のフェルールをスライドさせるかわりに、それらの一つ又はそれ以上を上記ベース２００に固定して、上記ファイバをそれらの内部をスライドさせるようにしても良い。さらに、上記グレーティング２８，３０を含んだ上記ファイバ２４，３２，３４は、例えば、プラスチックコーティング等いかなるコーティングの引き剥がされていても良く、又、適切に上記コーティングが圧縮できるようにされていれば上記コーティングが所望により上記ファイバ上に残されていても良い。
また、上記ファイバレーザキャビティ３２を境界づけ、また、これを画成するブラッググレーティング２８，３０を備えるかわりに、所望により、これとは別の反射要素を使用することができる。その場合、例えば、ミラーなどの上記反射要素は、圧縮によりその反射波長を変化させる必要は無く、上記要素は適切に上記波長可変範囲にわたって適切に光線を反射させることができればよい。また、２枚の広い波長幅のミラーを用いれば、モードホッピングを避けるために短いキャビティを用いて充分に波長可変を行う必要がある。
さらにまた、デュアル出力レーザに変えて、単一出力レーザを所望により使用することもできる。この場合には、上記ファイバ３４は、上記圧縮デバイス９０には必要ではない。
図６には、上記ファイバの両端を固定するかわりに、固定された一の端部を有するファイバレーザを用いた場合に、上記ファイバ３００の未使用端部が、固定された（動かない）フェルール３０２を介して通され、上記フェルール３０４の一端においてホールが、硬い面（又はプレート）３０６によってブロックされているのを示している。上記プレート３０６が、石英製であれば、上記ファイバ３００の端部からの反射は、最低化することができる。
上記ファイバレーザ２６のオプティカルファイバは（図１）、いかなるガラス（例えばＳｉＯ2、燐酸ガラス、又は、これらとは別のガラス）又は、ガラス及びプラスチック、又は、単なるプラスチックで製造されていても良い。また、オプティカルファイバのかわりに、光を収容し、増幅可能なものであれば、例えば平面導波路といったいかなる別の光導波路を使用していても良い。
本発明は、圧縮デバイス９０（図１）についてのいくつかの特定の実施例をもって説明してきたが、上記ファイバを長手方向軸に圧縮できるいかなるデバイスであっても上記ファイバを後退させることなく圧縮させられるようなものであれば使用できる。さらに、上記ステッパモータ９８を使用するかわりに、上記ファイバレーザの上記長手方向軸に沿って長手方向の圧縮力を加え、上記レーザキャビティの長さを変化させることができるいかなる装置であっても所望により使用することができる。
Claims (10)
- 固体光導波路を有するレーザキャビティを備える波長可変レーザであって、
前記光導波路には、前記レーザキャビティ内に利得媒質を与える希土類ドーパントがドープされ、前記波長可変レーザはさらに、
前記レーザキャビティを画成する一対の反射要素を備えており、
前記レーザキャビティの長さと、前記利得媒質の利得と、前記反射要素の反射率とが、所定のレーザ発振波長においてレーザ発振させるようになっており、
前記反射要素は、前記レーザ発振波長の入射光を反射し、前記波長可変レーザはさらに、
前記レーザ発振波長を変化させるように前記固体光導波路を圧縮するための圧縮手段を備える、ことを特徴とする波長可変レーザ。 - 前記反射要素は、それぞれが中心反射波長を有する少なくとも一つのブラッググレーティングを備えており、
前記圧縮手段は、また、前記グレーティングを圧縮して前記グレーティングの前記反射波長を、前記圧縮レーザキャビティの前記レーザ発振波長に対応するように変化させることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ。 - 前記レーザ発振波長は、３２ｎｍの波長範囲にわたって波長可変であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ。
- 前記希土類ドーパントは、エルビウムであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ。
- 前記光導波路は、オプティカルファイバであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ。
- 前記光導波路は、石英を有すること特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ。
- 希土類ドーパントがドープされた固体光導波路であってレーザキャビティを構成する固体光導波路を圧縮し、それによって、前記キャビティの長さを変化させて、前記レーザのレーザ発振波長を変化させることを含むことを特徴とする導波路型レーザのレーザ発振波長可変方法。
- 前記の圧縮することは、さらに、前記レーザキャビティを画成する一対の反射要素のうちの少なくとも一方の中心反射波長を、前記圧縮レーザキャビティの前記レーザ発振波長に対応するよう変化させるように、前記レーザキャビティを画成する一対の反射要素のうちの少なくとも一方を圧縮することを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
- 前記反射要素は、ブラッググレーティングを有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
- 前記光導波路は、石英を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
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