JP4486688B2 - 集積化パッシブモードロックファイバレーザとその製法 - Google Patents

Description

本発明は集積化パッシブモードロックファイバレーザと集積化パッシブモードロックファイバレーザの製法に関する。特に、本発明は非ファイバ型の内部偏光操作素子なしで製作された低コスト高信頼性パッシブモードロックファイバレーザに関する。

光ファイバレーザで短、超短光パルスを発生する技術は多年間知られていたし、多くの応用に使われてきた。一般に、ファイバレーザ中の短パルスはつぎの技術の一つを使って発生される：Carruthers et al., Optics Letters, Vol.21, p.1927(1996) で記述されたようなアクティブモードロッキング、Ober, et al., Optics Letters Vol.18, p.1532(1993)で記述されたような可飽和吸収体を使うパッシブモードロッキング、Hofer, et al., Optics Letters, Vol.16, p.502(1991)で記述されたようなカータイプの非線形性を当てにするパッシブモードロッキング、あるいはそれら三つの技術の組み合わせ。

可飽和吸収体を使うパッシブモードロッキングは、最も単純なアプローチであり、短パルスファイバレーザをＯＥＭ（オリジナル機器製造）タイプの多数の用途に使うとき必要になるような超小型デバイスの製造を可能にする。

可飽和吸収体を使うパッシブモードロッキングにおいては、できるだけ少ない光学部品の超低コスト高信頼性ファイバレーザが高度に必要とされる。超低コストファイバレーザ（Zirngibl et al., Electronics Letters, Vol.27, p.1734(1991); Lin et al., U.S. Patent No.5,436,925(1995); Barnett et al., OpticsLetters, Vol.20, p.471(1995); Hofer et al., Optical Society of AmericaConf. on Optical Fiber Communication, OFC 1996 paper TuB3(1996); Loh etal., IEEE Photonics Technology Letters, Vol.5, No.1(1993); Cunningham etal., U.S.Patent No.5,701,327; Minden, U.S.Patent No.5,488,620; Tsuda etal., Conf. on Lasers and Electro-Optics, paper CFD2, p.494(1996)で記述されたような）、同様に高信頼性ファイバレーザ（DeSouza et al., Electronics Letters, Vol.29, p.447(1993); Fermann et al., Optics Letters, Vol.19,p.43(1994); Fermann et al., U.S.Patent 5,627,848で記述されているような）も実際に製造されているが、これら二つの特徴を結合したファイバレーザのデザインはこれまで開発されたことがない。

超低コストファイバレーザは、たとえば、Zirngibl等とLin等の上掲の論文に記述されているように、ファイバリング共振器の中に可飽和吸収体を使うことで作られる。これら二つの文献は共振器を形成するために低複屈折性ファイバを使用しており、共振器内に偏光ドリフトによる固有の安定化問題をもたらす。

また、超低コストファイバレーザは、Barnett等、Hofer等、Tsuda等、Loh等、Cunningham等、Minden、による上掲の著作とSharp等による米国特許５，６６６，３７３に記述されているように、ファブリ−ペロー型共振器の終端ミラーとして可飽和吸収体を使うことで、作られる。ファブリ−ペロー共振器は、上述した二つのリング共振器のような同じ安定性問題をもつ低複屈折性ファイバで作られるので、すべて全く類似している。Minden等の著作の中でだけその安定性問題が論じられていない。そこでの目的が擬ランダムパルス列を発生することであるからである。対称的に、モードロックパルスの大部分の応用は、低複屈折性共振器内ファイバの使用に固有の偏光出力状態の時間依存（あるいは長期間）変化の全然ない非常に安定なパルス列を必要とする。この分野における初期の著作はLoh等によって１９９３年に公表され、それは集積化パッシブモードロックファイバレーザの基本素子を記載している。Fermann等の特許’８４８はバルク偏光子あるいは外輪偏光制御器を備えているのもかかわらず、低コスト共振器のデザインを暗示もしている。特にFermann等の’８４８はクラッディング−ポンプファイバの使用と、出力取り出しに部分反射可飽和吸収体を使用することを提案している。Sharp等とCunningham等による付加点については、特に、可飽和吸収体の正確なデザインに関連するだけである。Sharp等による付加点は、低反射ミラーとして一体化して形成された可飽和吸収体に、より具体的に関連する。たとえはっきりとTmドープファイバのためでなくても、この可能性はFermann等の’８４８でも論じられた。同様に、半導体プロセス技術もミラー構造に直接形成（あるいは成長）されない低反射可飽和吸収体を可能にする。上記文献のどれも低複屈折性ファイバの使用がそのようなレーザに固有の偏光安定性問題をもたらす事実を扱っていない。

もちろん、ファブリ−ペローあるいはリング共振器中の共振器内偏光状態は、ファイバ外輪偏光制御器の使用で制御される。しかしながら、そのような偏光制御器は元々不安定でもあり、避けるべきである。モードロックレーザに使われる偏光制御器にはさまざまな機能がある。偏光依存損失の存在で、偏光制御器は、共振器内損失を可飽和吸収体によるモードロックが安定であるレベルに調節する。相互ファブリ−ペローレーザ光の偏光状態は共振器の各終端で直線であるが、偏光方向の向きは決まらず、共振器内偏光器で制御される。

低複屈折性ファイバの存在による共振器内偏光制御器に対する微細な要求は、ファイバ共振器内の二つの偏光固有状態に沿って伝搬する光の間の内部往復位相遅れが固有偏光状態で安定なモードロックを行うためにほぼ２πに調節される必要がある、と言う事実である。もし位相遅れがほぼ２πでなければ、二つの共振器内偏光方向に沿う光は、共振器内でうなり（ビート）を生じ、大変望ましくない時間的に変動し、本質的に元々雑音性の高い偏光出力を生成する（Hofer et al., OFC 1996, paper TuB3 で報告されたように）。たとえば、もしも共振器内の二つの偏光固有モード間の線形位相遅れが２πであるなら、共振器内でオリジナルな偏光状態を再び生成するのに２往復必要とするので、出力の偏光は各往復における二つの直交する偏光状態間で切り替わる。偏光がうなる（ビートする）問題は、フェムト秒領域で特に重要である。なぜなら、パルスが非常に短く、かつ、共振器の二つの固有モードに沿って伝搬するパルスが非常に早く互いに分離するからである。ピコ秒領域ではパルスは長い間一緒に留まり、したがって、偏光がうなることに敏感でない。

偏光固有モード間の線形位相遅れが偏光制御器を使ってほぼ２πに調節されるとしても、そのような制御があらかじめ決まった仕方（そのようなデバイスの大量生産に必要とされるような）に容易に組み入れられることはない。さらに、どんな温度や圧力変化でも線形位相遅れと出力偏光の方向に変化をもたらす；したがって、全てのシステムは連続的で性能の高い安定化機構を必要とする。

一方、高信頼性ファイバレーザが、Fermann et al.,(1994), DeSouza et al., Electron Lett., Vol.29, p.447(1993), U.S. Patent 5,627,848 で報告されたような高複屈折性ファイバに頼ることで作られた。これら特殊なシステムでは、単一偏光モードが、バルク偏光制御器と連結したのバルク偏光素子のようなFermann等によって公開されたバルク偏光素子、あるいは、DeSouza等によって公開された単純な偏光素子、を使うことで選択される。しかしながら、連続的に制御可能な偏光安定化の仕組みがこれら共振器デザインに必要でないので、バルク光偏光操作素子の使用は、これらシステムの複雑さと製造コストを非常に増大させる。

したがって、モードロックファイバレーザの製造コストを最低化するために、バルク偏光制御器あるいは外輪ファイバ型偏光制御器は共振器から除去される必要がある。

本発明の目的は、低コストかつ高信頼性のパッシブモードロックファイバレーザを提供することである。

本発明の別の目的は、非ファイバ型偏光制御素子とバルク光偏光操作素子をパッシブモードロックファイバレーザの共振器内に使用することを避けることである。

本発明のさらに別の目的は、単一偏光軸に沿うモードロックレーザの安定な動作を可能にする共振器デザインを提供することである。

本発明のさらに別の目的は、ファイバレーザ内の特殊な一つの偏光軸が、バルク光共振器内偏光操作素子を使用しないでモードロックされることを保証することである。

上述の目的は個々にかつ組み合わせて達成され、本発明がこの文書に添付された請求項で正確に要求されない限り、二つあるいはそれ以上の目的が組み合わされることを要求するように解釈されると言うことを意図してない。

本発明にしたがって、たとえ二つの等しく起こりそうな状態の一方に固定される偏光を備えているにもかかわらず、これらの目的は、どんな偏光操作素子もなしに単一偏光状態で安定に動作できるようにする優れた共振器デザインを有するパッシブモードロックファイバレーザで達成される。一つの偏光状態だけが一度にモードロックされることを確実にするために、高複屈折性エルビウムドープ光ファイバが可飽和吸収体と一緒に使われる。一つの偏光軸がモードロックされると、可飽和吸収体はその偏光軸に沿う損失が最小化されることを確実にし、それによって他の偏光軸に沿ってのｃｗ発振が抑えられる。両方の軸が同時にモードロックすることは、利得の飽和と可飽和吸収体の長いキャリア寿命のために避けられる。しかしながら、共振器内あるいは共振器外素子が他方から一方の軸を特別扱いしないので、モードロックした偏光軸は前もっては決められない。

モードロックファイバレーザの多数の応用は、パルスの偏光状態に実に敏感であるので、本発明に係る多数の優れた共振器デザインは、モードロックファイバレーザが単一の決定しうる偏光状態で信頼性よく動作することを、確実にするために使用される。しかしながら、低コストシステムを維持するためにバルク共振器内偏光操作素子の使用は避けられる。一つの偏光軸が、高複屈折性ファイバを曲げること、一つの偏光軸に沿ってファイバを裂くこと、あるいは主共振器の外部に偏光制御を使用することで、もう一方の軸に対し有利になる。一つの実施例によれば、偏光依存フィードバックがこの目的のために使われる。また、偏光に敏感な可飽和吸収体が単一の偏光軸に沿う確実なモードロックを起こさせるために使われる。

模範的な実施例の中で、パッシブモードロックファイバレーザが高複屈折性エルビウムドープファイバから作られる。本発明のモードロックレーザは繰り返し周期５０Ｈｚで、平均出力３００μＷ、３００ｆｓｅｃ近バンド幅限界パルスを達成することができる。

本発明の上記およびさらなる目的、特徴、利点は以下に記載されたそれらについての明確な実施例の検討で明らかになるだろう。特に、いろいろな図中の引用数字が部品を指示するために使われている添付図面と共に理解するとき明らかになるだろう。

図１は本発明の第１実施例によるパッシブモードロックファイバレーザシステム１０の概観図である。図１に示すように、そのシステム１０は高複屈折性光ファイバ１２、すなわち、１．０×１０^−５以上の複屈折性をもつ光ファイバを含んでいる。ほんの一例として、高複屈折性ファイバ１２は、１．５５μｍの波長でビート長〜４ｍｍを起こす〜４×１０^−４の複屈折性（速軸と遅軸の間の屈折率差）をもつ長さ２ｍの高複屈折性Ｅｒ３＋ドープ光ファイバである。Ｅｒドーピング濃度はたとえば、約０．０１８重量％である。この例ではファイバ１２はカットオフ波長１３００ｎｍ、開口数ＮＡ＝０．２０、分散〜−１０．０００fsec²／ｍをもつ。ファイバのモードフィールド径は〜７μｍである。

好ましくは、ファイバ１２の一部はドラムに巻かれる。上述の模範的な２ｍファイバの場合、約１．５ｍのＥｒドープファイバは好ましくは約１２．５ｍｍと１０ｃｍの間の直径をもつドラムに巻かれる（曲げ半径≦５ｃｍ）。

Ｅｒドープファイバ１２の一終端は、シグナル波長（１．５５−１．６０μｍ）で反射率７０％、９８０ｎｍのポンプ波長で透過率＞８０％をもつダイクロイックミラー１４で直接コートされる。ファイバ１２は、環状スプライス２０によってピッグテール１８がファイバ１２に結合されるピッグテール・シングルモード・レーザダイオード１６でポンプされる。環状スプライス２０は、ファイバレーザのシグナル光出力を結合するのにも役立ち、そこでは、９８０／１５５０ｎｍ用外部波長分割多重（ＷＤＭ）結合器２２が、シグナル波長からポンプを分離するのに使用される。すなわち、図１に示すように、ＷＤＭ結合器２２はレーザダイオード１６と環状スプライス２０の間のピッグテール１８に配列され、ファイバ１２からダイクロイックミラー１４を通してピッグテール１８に入射するシグナル光は、ＷＤＭ結合器２２でポンプから分離され、出力部に向けられる。あるいは、ピッグテール１８は接着されたスプライスまたは融着されたスプライスによってファイバ１２に結合される。

この実施例では、ダイオードレーザピッグテール１８が偏光を保持しない；したがって、外部偏光制御器（示されてない）が前もって決められた偏光状態でシグナル光を取り出すために使用されなければならない。しかしながら、ピッグテール１８は非常に短くできるので、ピッグテール１８内のどのような偏光ドリフトも最小である。あるいは、すべてのピッグテール１８が偏光保持ファイバで作られ、付随するＷＤＭ結合器２２も偏光を保持する。

高複屈折性ファイバ１２の他端には半導体可飽和吸収体ミラー２４がある。ファイバは（紫外線硬化型屈折率マッチエポキシを使って）半導体可飽和吸収体ミラー２４に突き合わされて接着される。可飽和吸収体ミラー２４は、＞８０％の低パワー反射率と１０ｐｓｅｃのキャリア寿命をもつことができる。あるいは、Ｅｒ−ファイバ１２の終端がＡＲ（無反射）コートされ、ガラス毛細管（示されていない）の中に接着される。つぎに、ガラス毛細管が可飽和吸収体ミラー２４に接着され、小さなギャップがファイバ終端と可飽和吸収体ミラー２４の間に残る。ギャップは好ましくは１ｍｍ未満である。半導体表面は非常に破損し易いので、吸収の寿命を最小にするため、ファイバ終端と可飽和吸収体２４の間のどのような直接コンタクトも避けることが好ましい。半導体はたとえば、１．５６μｍのバンドエッジをもつＩｎＧａＡｓＰである。好ましくは、可飽和吸収体ミラーは出力信号エネルギの波長の±１００ｎｍ以内のバンドエッジをもつ。

あるいは、可飽和吸収体ミラーがリフト−オフ技術を使ってファイバ１２に取り付けられる。

図１に示すレーザシステムを使って行われた実験で、大きい曲げ半径（＞２ｃｍ）の場合、ｃｗ（連続）発振がレーザ閾値近くでファイバ１２の両軸に沿って起こり、両軸のパワーが等しいことが観測された。しかしながら、ポンプパワーが約２０ｍＷで、レーザが一方の偏光軸（以下ではＭＬ（モードロック）軸とする）のみに沿って自然にモードロックし始め、他方の偏光軸に沿うｃｗ発振が停止した。モードロックされない軸（以下ではＤＷ（分散波）軸とする）に沿って分散波の形成が観測された。重要なことであるが、ＭＬ軸は前もっては決まらない、すなわち、ポンプレーザが数回スイッチオンされたとき、二つの偏光軸のどちらか一方に沿うモードロック動作が、２軸間のランダム分布を伴って、観測される。

パルスが繰り返し周期５０ＭＨｚ（用いたファイバ長で決まる）をもち、０．５ｍＷの最大平均出力パワーが得られることが観測された。ＭＬ軸に沿って得られたパルスの典型的な自己相関が図２に示されている。３００ｆｓｅｃの典型的なＦＷＨＭ（半値全幅）パルス幅（ｓｅｃｈ２パルス形状を仮定した）が発生された。ＭＬ軸に沿う相当するパルススペクトルが図３に示されている。ＦＷＨＭスペクトル幅は典型的には７．５ｎｍで、０．２７のバンド幅積を与える。これはｓｅｃｈ２型パルスの場合０．３１の時間−バンド幅限界に近く、発生したパルスがソリトンに非常に近似していることを示す。

ＤＷ軸に沿ってのモードロック動作に基づくスペクトルも図３に示されている。ＤＷ軸に沿っての全パワーはＭＬ軸に沿っての全パワーより非常に低いことが図３に明確に示されている。ＤＷ軸に沿うスペクトルは１．５８０μｍにピークをもつ増幅された自然放出（Amplified Spontaneous Emission）（ＡＳＥ））部分と、ソリトンとコヒーレントに結合するＤＷ軸に沿う伝搬波に由来する多数のシャープで均等に離れた共鳴部分と、からなる。これら共鳴の間隔の条件は、ソリトンと直交伝搬波との間のエネルギ移動のための位相整合条件を考えることで簡単に得られる。エネルギ移動を起こすためには、Liou et al., Optical Letters 20, 1286 (1995) に記載されているように、ソリトンと伝搬波の間の往復位相遅れが２πの倍数でなければならない。ＭＬ軸とＤＷ軸に沿う位相を一次周波数に対して拡げることで、共鳴の周波数間隔δνのための条件が

δν＝ｃ／δｎＬ

のように得られ、ここで、δｎはファイバの複屈折性、Ｌは往復共振器長、ｃは光速である。複屈折性δｎ〜４×１０^−４で、周波数間隔δν＝１９０ＧＨｚが得られ、これは観測された周波数間隔δν＝１６０ＧＨｚによく対応する。ＭＬ軸に沿う伝搬波の伝搬波結合と関係づけられる二つの小さな共鳴も図３に見られることに注意する必要がある。

レーザが一つの偏光軸だけに沿ってモードロックする理由は、利得飽和と可飽和吸収体の長いキャリア寿命から起こる二つのファイバ軸間の競合とから説明され、ファイバレーザのＤＷ軸に沿うパルスの形成を抑制する。しかしながら、ひとたびレーザが一つの軸に沿ってモードロックされると、その軸に沿う損失がより低下する；したがって、避けられないＡＳＥの共存とソリトンに対して直交偏光状態にある伝搬波成分とを除いて、ＤＷ軸に沿うｃｗ発振は抑圧される。

確実なレーザ動作が、１０ｃｍ未満のビート長をもつファイバの場合、一つの偏光軸だけに沿って始まることが実験的に見い出された。１０ｃｍのビート長とそれより長いビート長で、ファイバ中の二つの偏光固有モードは非線形的に結合することができる、すなわち、ベクトルソリトンが形成され、複雑で再生産できないレーザの動作特性をもたらす。

本発明の第１実施例によるレーザシステムでは、モードロックが特別の優先権なしにファイバのどちらか一方の偏光軸で起こされる。レーザの偏光状態が重要なシステムの場合、この不確実性は、ファイバの固有軸に対して４５゜傾いた偏光子を共振器の外に使用することで簡単に避けられる。この配置では、偏光子の偏光軸内のシグナル光の５０％が、レーザの偏光状態と独立に透過される。しかしながら、レーザの繰り返し周期はまだ二つの可能な値の一つにすぎない。

二つの偏光固有軸の縮退を除去するために、幾つかの付加的方法が使われなければならない。最も簡単な解は、小さなドラムに高複屈折性ファイバを巻くことである。そうすることは、二つの偏光軸に沿う損失差分をもたらす。なぜなら、Varnham et al., Electronics Letters, Vol.19,p.679 (1983) で記述されたように、高複屈折性ファイバの低速軸がより高い屈折率をもち、したがってより強く導波されるからである。これは非常に魅力的な方法であることを忘れてはいけない、なぜなら、偏光軸がファイバ軸と自己整列するからである。レーザを一つの偏光方向にだけ開始させるのに必要な損失差分が非常に小さいので、この技術は何ら特別のファイバデザインと巻き付ける直径の制御を必要とせず、したがって、非常に容易に実証される。事実、１２．５ｍｍの巻き付け直径を使用すると、一定の偏光軸でのモードロックの開始が１００％確実に達成されることが明らかにされた。この場合の二つの偏光固有モード間の損失差分は注意深く１ｄＢと測定され、これはコイル巻きされた高複屈折性ファイバ偏光子に使用された３０ｄＢまでの消衰値よりはるかに低い（かつ、より容易に達成できる）。

典型的に、ファイバ内に内部応力がないと、偏光依存性曲げ損失は小さい。これは、弱くガイドするファイバ、すなわち、MarcatiliによってThe Bell SystemTechnical Journal, p.2103 (Sept. 1969) に報告されたような、コアの屈折率ｎ_ｃ０とクラッドの屈折率ｎ_ｃ１の差が小さくｎ_ｃ０／ｎ_ｃ１−１≪１であるか、それどころかファイバコアが楕円（あるいは矩形）である、ファイバの場合、特に正しい。このように、幾分かの偏光依存性損失が、Varnham等によって上掲の論文に記述されたような大きな内部応力を有するファイバを使うことでむしろ導入される。

前述のＥｒ−ドープファイバレーザデザインは例としてだけ記述された；類似の性能が、任意のその他希土類元素をドープした高複屈折性ファイバと、適当に選択されたキャリア寿命、飽和エネルギ、バンドエッジをもつ可飽和吸収体を結合することで、得られる。そのようなファイバはＥｒ、Ｙｂ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｎｄ、Ｐｒ、ＨｏあるいはＴｍをドープしたものを含む。

図４は本発明の第２実施例による共振器デザインをもつパッシブモードロックファイバレーザシステム２８を示す。図４に示すように、部分的に反射する可飽和吸収体３０が共振器の一終端に配置され、ファイバ出力が可飽和吸収体の終端で取り出され、その終端には別の環状スプライスが、出力取り出し用のファイバピッグテール３２を接続するために、使われている。ファイバピッグテール３２は偏光保持可能で、共振器内ファイバの偏光軸とピッグテールは、ピッグテール３２の終端で前もって決められた直線偏光出力を得るために、整列される。ポンプレーザ１６用の任意のアイソレータ３４が、ポンプレーザ１６への望ましくないフィードバックによるノイズを防ぐために使用される。そのようなアイソレータはここに記述のどんな共振器デザインにも使用される。

図４で、部分的に反射する吸収体は、ミラー構造の上に直接形成された吸収体であるか、あるいは、吸収体とミラーが別々に作られる。たとえば、可飽和吸収体は、リフト−オフ技術で誘電体ミラーあるいはファイバ終端面に取り付けられる。あるいは、ウエハーボンディング技術が、一つが吸収体に相当し一つがミラーに相当する分離したウエハーを融着するために、応用される。

さらに、曲がり光ファイバの偏光状態が、コヒーレント曲げで、すなわち、曲げに関するファイバ軸の向きを制御することで、最適化されることが示された（たとえば、Varnham等による上掲の参考文献に）。この場合、特有の偏光機能をｃｍオーダのビート長をもつファイバで得ることもできる。コヒーレント曲げはＤ−形状あるいは矩形のファイバに対して特に真っ直ぐである。偏光依存損失を増すためにファイバ内に大きな内部応力を導入することは有利でもある。そのような内部応力は、たとえば、上掲の参考文献中でVarnhamによって議論されたように、異なる熱膨張係数をもつガラスをファイバの中に組み込むことで導入される。しかしながら、Ｄ−形状ファイバの非対称構造のために、いくらかの内部応力は別個の応力生成ガラスの組み込みがなくても、存在する。ファイバを曲げる必要性は、Varnham等によってElectronics Letters, Vol.19, p.246 (1983) に記述されたように、一つの偏光状態のみをガイドするファイバを使うことで、取り除かれる。

図５は本発明の第３実施例に関する共振器デザインを有する別のレーザシステム３８を示す。図５に示すように、広い面積のダイオードレーザ４０によるポンピングを容易にするため、複屈折性２重クラッドファイバ４２が使用されている。図１に示すファイバ１２のように、そのような２重クラッドファイバもダイクロイックポンプミラー１４を通してポンプされる；しかしながら、ファイバレーザの出力は部分透過可飽和吸収体を通して非常に容易に取り出される。しかしながら、ポンプ光を入れるピッグテール４４も２重クラッドであることに注意する必要がある。この場合、出力も図１に示す方法に類似の方法で取り出される。ＷＤＭは、しかしながら、２重クラッドピッグテールポンプファイバ４４のシングルモード部で動作するようにデザインされなければならず、そのようなタイプのカップラーのマルチモード部にとって少なくとも約５０％の損失を典型的にもたらす。広い面積のダイオードレーザのさらなる利点は、それらがフィードバックに敏感でなく、一般にポンプ光用のアイソレータを必要としないことである。

図６は本発明の第４実施例による共振器デザインを有する別のレーザシステム３９を示す。図６に示すように、特に簡易デザインは、側方ポンピング機構５０でポンプされる側方ポンプ２重クラッドファイバの組み込みから生じる。この場合、全反射可飽和吸収体ミラー４６が使用され、出力はファイバ共振器の他端、環状スプライスの部分反射ミラー４８から取り出される。側方ポンピングは、Goldberg, et al., Conf. on Laser and Electro-Optics, paper Ctu U1, p.208 (1996) で記述されたようなＶ−溝技術を用いるか、あるいは、Snizer et al., in U.S.Patent No. 4,815,079 (1989) で記述されたようなプリズムを単純に使用することで、特に魅力的である。しかしながら、２重クラッドファイバに側方ポンピングするどんな方法も受け入れられる。ある状況では、付加的な弱い偏光素子を側方ポンピング配列に使うシステムの中に導入することが望ましいかも知れない。

２重クラッドファイバ中の偏光軸の縮退は、もちろん、特にファイバ内に大きな内部応力が存在する場合、ファイバをしっかり曲げることで除去される。

しっかり曲げることに代わるべき手段として、単一の偏光軸が、集積化偏光子付き半導体可飽和吸収体を使用することで、集積化システムの中に選定される。図７は本発明の第５実施例に関するそのような集積化偏光子を用いるレーザシステム５２を示す。図７に示すように、偏光子は、半導体表面にワイヤグリッドを堆積させることで半導体可飽和吸収体ミラー５４に集積化される。偏光固有モード間で小さい損失差だけが必要であるので、比較的大きなグリッド間隔が選ばれる。グリッド偏光子を備えた半導体が、Domuki et al., Conf. on Lasers andElectro-Optics, 23, paper CME7 (1997) で記述されている。システムの最適性能は、可飽和吸収体５４のグリッド偏光子を共振器ファイバの偏光軸の一つに整列させることで、得られる。グリッド偏光子を備えた半導体吸収体は、もちろん、ここに記述されているどんな集積化パッシブモードロックレーザにも使われる。偏光損失における１ｄＢの違いが偏光差を得るのに十分であるので、グリッド偏光子は高性能を必要としない。

共振器中の偏光軸の縮退は偏光依存ホールバーニングを使うことでも廃止される。ポンプ光の偏光は、Greer et al., Electronics Letters, Vol.30, p.46(1994)で記述されているように、偏光ホールバーニングによって偏光依存利得を作るために、利得ファイバの偏光軸の一つに整列される。レーザの構成は図４に示すものに似ている。図４ではポンプ光を入れるピッグテールの偏光が共振器ファイバの偏光軸の一つに整列されている。

図８は本発明の第６実施例によるパッシブモードロックファイバレーザ６０の概観図である。レーザシステム６０は単一偏光動作を達成するための別の代替手段を示しており、その中では、小さな偏光依存フィードバックがレーザ共振器の外部に組み込まれている。特に、ファイバグレーティング６２が少量のフィードバックを作るために使用され、そこではしっかり巻かれた高複屈折性ファイバ（あるいはピッグテール）が集積化偏光子として働く。しかしながら、どんな他のタイプの外部偏光子や他の反射面をファイバグレーティングの代わりに使うことも等しく許容される。

さらに、共振器内ファイバはピエゾ電子コイルに取り付けられ、そのコイルはレーザの開始を簡単にするために変調され、適当な電子フィードバック回路でレーザの共振器長を制御するために使われる。

図９は本発明の第７実施例によるパッシブモードロックファイバレーザシステム７０の概観図である。レーザシステム７０は図５に示すレーザシステム３８に似ている。しかしながら、単一利得ファイバを使用するよりむしろ、いくつかの異なるファイバがそれらの偏光軸を整列されてスプライスされる。たとえば、図９に示すように、共振器は２重クラッドファイバ４２と高複屈折性分散補償ファイバ７２を含むことができる。ファイバ軸の縮退はこれらファイバのどれか一つを曲げることで廃止される。特に、異なる量の分散をもつファイバを使用することで、ゼロに近い分散の共振器あるいは大きな量の正あるいは負分散をもつ共振器が、レーザのパルス幅、パルスエネルギ、繰り返し周期を制御するために作られる。さらに、可飽和吸収体上のレーザモードのスポットサイズを制御するために、適当に選定されたモードフィールド径をもつ高複屈折性ファイバが、可飽和吸収体の前に使われる。あるいは、共振器の一終端でのファイバは、可飽和吸収体の損傷しきい値を最大化するために大きなモードフィールド径を作るようにテーパ化される。共振器内ファイバのテーパ端と可飽和吸収体ミラー間の距離は、１０ｃｍ以下が好ましい。

図１０は本発明の第８実施例によるパッシブモードロックファイバレーザシステム７６を示す。図１０に示すように、直列配置の二つのレンズＬ１とＬ２が、ファイバ７７からのシグナル光の可飽和吸収体７８上でのスポットサイズを制御するために、使われる。３番目のレンズＬ３は、可飽和吸収体７８を透過するシグナル光を出力端に結合させる。この配置では、どのような偏光依存損失も、ファイバ７７にＡＲコーティングしたファイバ端を使用することで、避けられる。共振器の自由空間部に偏光操作手段を全然必要としないので、非常にコンパクトなデザインがやはり得られることに注意する必要がある。

あるいは、小さい偏光依存損失にするため、ファイバ７７のファイバ端はＡＲコーティングなしにされ、大きな角度に裂かれ、その分裂角はファイバの二つの偏光軸の一方と整列される。そのような共振器デザインは側方ポンピングと共に使うこともでき、出力結合器が可飽和吸収体から取り除かれるように追加オプションを空けたままし、大きなデザインの自由度を与える。出力端と、隔てられた共振器の可飽和吸収体端で、誘電体ミラーがファイバの終端に直接形成され、出力結合器として使用された。

図１１は本発明の第９実施例によるパッシブモードロックファイバレーザシステム９０を示す。図１１に示すように、一旦いくつかの異なるファイバが使用されると、オールファイバ型ピッグテール偏光子９２が共振器にスプライスされる（整列された偏光軸を備えて）。たとえば、Ｄ−ファイバがコア近くまで研ぎ下ろされ、金属膜が偏光依存損失を増大させるために堆積される。特に、そのようなオールファイバ型偏光子９２が図１１に示すように、２重クラッドファイバにもスプライスされる。共振器のどちらかの終端に出力結合を使用することに加えて、偏光保持ファイバ結合器９４が図１１に示すように、出力結合を与えるために共振器のどこかにスプライスされる（整列された偏光軸を備えて）。

パッシブ高調和モードロックも、共振器往復時間よりおおよそ１桁短いキャリア寿命をもつ可飽和吸収体を使用し、ポンプパワーを増大させることで、これらの共振器内で得ることができる。共振器内のソリトンパワーは自己制限するので、ポンプパワーを増大することは共振器内に複数パルスの発生を導き、その複数パルスは、Gray et al., Optics Letters, Vol.21, p.207(1996)で記述されたように、誘起された長く続くソリトン反発作用力により、たとえば、可飽和吸収体中での位相変調で自己安定する。本質的に、ここに記述されたどんな共振器デザインもパッシブ調和モードロッキングのために使うことができる。

図１２は本発明の第１０実施例によるパッシブモードロックファイバレーザシステム９６を示す。図１２に示すように、チャープしたあるいはチャープしないファイバグレーティング９８が、共振器の分散制御のためと、ポンプパワー結合とシグナル出力結合を容易にするため、高複屈折性ファイバ１２に直接書き込まれる。また、共振器ミラーとしてのファイバグレーティングは、ここに記述されたどんな共振器デザインにも使うことができる。共振器内の分散を制御するために、分散量の異なるファイバが共振器にスプライスされる。低繰り返し周期で動作するファイバレーザを作るために、これら分散調節ファイバは何百ｍという長さをもつべきである。ファイバグレーティングは偏光依存損失を作るためと、一つのよく定められた偏光軸に沿ってのパルスの生成を確実にするために、偏光に感じやすく設計される。

新しい改良されたモードロックファイバレーザの優先実施例が記述されたが、他の修正、変更、変化が、ここに発表された技術を考慮してそれら熟練した技術に提案されるだろう。したがって、そのような全ての変更、修正、変化は添えられた請求項で定義される本発明の目的内にあると信じられることが理解されるべきである。

この応用に参考にされた全ての特許と文献は、ここにことごとく参考文献として編入されてある。

本発明の第１実施例によるパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。 本発明のモードロックレーザのモードロック軸に沿って得られたパルスの典型的な自己相関を示すグラフである。 本発明のモードロックレーザのモードロック軸と分散波軸に沿うパルススペクトルを示すグラフである。 本発明の第２実施例による部分反射可飽和吸収体を使用する共振器デザインを有するパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。 本発明の第３実施例に関する２重クラッドファイバを使用する共振器デザインを有するパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。 本発明の第４実施例による側方ポンプ２重クラッドファイバ形態を有するパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。 本発明の第５実施例による集積化偏光子を使用するパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。 本発明の第６実施例によるレーザ共振器外部にファイバグレーティングを使用するパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。 本発明の第７実施例によるレーザ共振器内に多数の異なるファイバを有するパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。 本発明の第８実施例による可飽和吸収体上の光スポットサイズを制御するためのレンズを使用するパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。 本発明の第９実施例によるレーザ共振器内にオールファイバ型偏光子を有するパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。 本発明の第１０実施例によるレーザ共振器の一終端にファイバグレーティングをもつパッシブモードロックファイバレーザシステムの概観図である。

Claims (1)

1. ポンプ波長でレーザエネルギを発生するためのポンプレーザと、
   第１と第２偏光軸をもちシグナル波長でレーザエネルギを増幅するためのレーザ共振器の第１と第２終端をそれぞれ定める第１と第２終端をもつ高複屈折性ファイバ利得媒質と、
   シグナル波長でのレーザエネルギを反射させて、該反射されたビームを前記高複屈折性ファイバ利得媒質に対して入射させるための、前記レーザ共振器の第１終端に結合された反射器と、
   前記レーザ共振器内で増幅されたレーザエネルギを出力するための出力部と、を備え、
   前記高複屈折性ファイバ利得媒質は、第１と第２の偏光軸のうちの前もって決められた１つの偏光軸にそって、モードロッキングを生じさせるよう曲げられ、該曲げられた利得媒質がその媒質内で線形偏光信号を伝送し、およびそこから線形的に偏光された出力信号を発生するようになっており、および、
   前記高複屈折性ファイバ利得媒質の一部は、１２．５mmと１０cmの間の巻き付け径で巻き付けられるようになっているモードロックファイバレーザ。

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