JP4951762B2 - パルスレーザ光源 - Google Patents

Description

本発明は、発振周波数を安定化したモード同期パルスレーザ光源に係り、特に、光通信用光源において発振周波数やパルスの繰り返し周波数が正確に固定された周波数安定化モード同期パルスレーザ光源に関するものである。

モード同期パルスレーザの周波数スペクトルは、出力光パルスの繰り返し周波数で一定間隔に並び、かつモード間の位相が揃った多数の離散スペクトル（縦モード）で構成される。周波数間隔が正確に固定された「光のものさし」は、周波数計測や時間標準に利用することができるため、モード同期レーザの周波数安定化技術に近年高い関心が寄せられている（例えば、非特許文献１、２、３参照）。

一般にモード同期ファイバレーザは、共振器にファイバを利用するため、他のレーザに比べて共振器長が数ｍから数百ｍと長くなり、このためわずかな温度変化や機械的振動によって繰り返し周波数が変動しやすいという課題があった。そこで繰り返し周波数を長期にわたって安定に保つために、例えば、高調波再生モード同期ファイバレーザからクロック信号を抽出し、クロック周波数と外部信号発生器（シンセサイザ）の周波数との差を位相比較器により検出し、その誤差信号をレーザの共振器長に負帰還することで、レーザの繰り返し周波数を外部基準シンセサイザに同期させる方法が開示されている（特許文献１参照）。この方法により、モード間隔を高い精度で一定にすることができる。

一方、モード同期レーザを「光のものさし」として応用するためには、その繰り返し周波数だけでなく、各縦モードの発振周波数の絶対値を正確に安定化する必要がある。すなわち「光のものさし」の間隔が一定でも、それらが左右に動いては確度（絶対精度）が出ない。そこで、例えば、波長可変モード同期ファイバレーザの縦モード一本を抜き出し、この単色光の周波数が分子の共鳴周波数に一致するよう発振波長を制御することで、絶対周波数が確定した安定なレーザを実現する方法が開示されている（特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献２の方法では、抜き出した特定の縦モード一本の周波数は安定化できるものの、キャリヤ・エンベロープオフセット（Ｃａｒｒｉｅｒ−Ｅｎｖｅｌｏｐｅ Ｏｆｆｓｅｔ：ＣＥＯ）周波数の揺らぎにより、その他の縦モードの周波数が揺らいでしまい、スペクトル全体で見ると全ての縦モードに対しては周波数が安定化できないという課題がある。

ＣＥＯ周波数ｆ_ＣＥＯとは、図１に示すように、レーザ共振器内の光パルスの位相速度と群速度との違いに由来する縦モード全体のオフセット周波数である。モード同期レーザの各縦モード（Ｎ次モード）の周波数ｆ_Ｎは、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐだけではなくＣＥＯ周波数ｆ_ＣＥＯにも依存し、２つのパラメータを用いて
ｆ_Ｎ＝Ｎｆ_ｒｅｐ＋ｆ_ＣＥＯ （１）
と表すことができる。ここで、Ｎは整数で、モードの次数を表す。

図２に示すように、光パルスのピークにおける搬送波の位相が共振器を周回するごとにΔΦ_ＣＥＯだけシフトしていくとすると、ｆ_ＣＥＯは、
ｆ_ＣＥＯ＝（ΔΦ_ＣＥＯ／２π）ｆ_ｒｅｐ （２）
と表される。ここでΔΦ_ＣＥＯは、搬送波周波数ω_ｃ、共振器長ｌ_ｃ、共振器内の群速度ｖ_ｇおよび位相速度ｖ_ｐを用いて
ΔΦ_ＣＥＯ＝ω_Ｃｌ_Ｃ（１／ｖ_ｇ−１／ｖ_ｐ） （３）
で与えられる。

ファイバレーザにおいては、共振器に群速度分散が存在することによって、共振器内の群速度ｖ_ｇと位相速度ｖ_ｐとに差が生じ、その差は温度や圧力によってランダムに変化するため、ＣＥＯ周波数の揺らぎが生じる。したがって、特許文献２に記載の方法では、ある一本の縦モードの周波数が安定化できたとしても、その他の縦モードの周波数はＣＥＯ周波数の揺らぎによって変動するため、スペクトル全体の周波数を安定化することが不可能であることがわかる。また、特許文献２には、繰り返し周波数をも同時に制御する技術に関しては何ら記述されていない。

一般にモード同期レーザでは、縦モード周波数が突然他の周波数に変化してしまうモードホップという現象がある。このモードホップｆ_ｈｏｐが生じると、ｆ_ＣＥＯにはｆ_ｈｏｐも含まれることになる。そしてこのｆ_ｈｏｐも温度によって変化する。そこで、例えば、レーザの励起電力と共振器長とをそれぞれ独立に制御することにより、レーザの発振縦モードスペクトルの周波数間隔と該縦モードスペクトルのうちその一本の縦モードの発振周波数とを同時に安定化し、その結果として全ての縦モードの絶対周波数を安定化する方法が開示されている（特許文献３参照）。

Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hansch,"Absolute optical frequency measurement of the cesium D-1 line with a mode-locked laser", Phys. Rev. Lett., 1999, vol. 82, pp.3568-3571 A. Onae, T. Ikegami, K. Sugiyama, F. Hong, K. Minoshima, H. Matsumoto, K. Nakagawa, M. Yoshida, and S. Harada,"Optical frequency link between an acetylene stabilized laser at 1524 nm and an Rb stabilized laser at 778 nm using a two-color mode-locked fiber laser", Opt. Commun., Sept. 2000, vol. 183, pp.181-187 D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stent, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff,"Carrier-envelope phase control of femtosecond mode-locked laser and direct optical frequency synthesis"， Science, 2000, vol. 288, pp.635-639 特許３３５０８７４号公報 特開２００１−１６８４３８号公報 特開２００６−１７９７７９号公報

しかしながら、特許文献３の方法では、共振器長を変化させると発振縦モードスペクトルの間隔と縦モードの絶対周波数とが同時に変化してしまうため、それら周波数間隔（繰り返し周波数）と絶対周波数との同時制御が難しい。また、特許文献３では、レーザ共振器を構成するファイバの一部の温度を同時に制御する方法を開示しているが、モードホップはレーザ共振器全体の温度変化に依存するため、この方法ではモードホップを完全に抑制することは困難である。

本発明は、以上の点に鑑み、モードホップを抑制する機構と、ある縦モード一本の絶対周波数ｆと繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐとをそれぞれ独立に安定化する新しい二重の周波数安定化負帰還機構とを設け、それらを同時に動作させることで、全ての縦モードの絶対周波数を安定化するモード同期パルスレーザ光源を提供することを目的とする。

本発明の主な特徴は、再生モード同期レーザからの出力光パルスの繰り返し周波数とその光パルスを構成する縦モードの絶対周波数を同時に安定化した二重周波数安定化モード同期パルスレーザ光源において、レーザ共振器内にモードホップを抑制する回路並びに再生モード同期用ＰＬＬ回路内にマイクロ波の位相制御回路を挿入することにより、高安定にパルスの繰り返し周波数と縦モードの絶対周波数とを安定化した周波数安定化モード同期パルスレーザ光源を提供することである。

本発明は、パルスレーザ光源において、光パルスを発生させる再生モード同期レーザと、前記レーザの繰り返し周波数を安定化させるための繰り返し周波数制御用信号を検出する再生モード同期用ＰＬＬ回路と、前記再生モード同期用ＰＬＬ回路内に挿入されたマイクロ波の位相制御回路と、前記レーザの共振器内に挿入されたモードホップ抑制回路と、前記レーザの出力光パルスから１本の縦モード周波数を抽出する狭帯域光フィルタと、前記光フィルタで抽出された周波数が分子の共鳴周波数からずれた場合に発生する誤差信号を絶対周波数制御用信号として用いて、前記レーザの励起光源のパワーに負帰還制御する回路とを備え、前記再生モード同期用ＰＬＬ回路は、前記繰り返し周波数制御用信号を前記マイクロ波の位相制御回路に負帰還するよう構成され、前記モードホップ抑制回路は、エタロン素子または多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子と、該素子の透過ピーク周波数を前記レーザの発振縦モード周波数にトラッキングする位相敏感検波系とを有することを特徴とする。

また、本発明は、パルスレーザ光源のモードホップ抑制回路において、前記位相敏感検波系で検出した誤差信号を前記素子の温度に負帰還することにより該素子の透過ピーク周波数を制御してもよい。

また、本発明は、パルスレーザ光源のモードホップ抑制回路において、前記エタロン素子を構成するファブリー・ペロー共振器の長さまたは前記ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子の長さを圧電素子で制御する機構を備え、前記位相敏感検波系で検出した誤差信号を該圧電素子への印加電圧に負帰還することにより前記素子の透過ピーク周波数を制御してもよい。

また、本発明は、パルスレーザ光源において、マイクロ波の位相制御回路として再生モード同期回路の一部を構成する光ファイバの長さを圧電素子で制御する機構を用いることができる。

また、本発明は、パルスレーザ光源において、マイクロ波の位相制御回路として電圧制御型マイクロ波移相器を用いることができる。

また、本発明は、パルスレーザ光源において、分子の共鳴線からの誤差信号をレーザ共振器の温度制御用信号として利用することにより、温度を超高精度に制御することができる。

本発明によって、その絶対周波数が安定化された高安定な縦モード周波数スペクトル（光コム）を一台の光源で容易に得ることができる。このように周波数が正確に制御された光コムは、周波数標準に利用できるだけでなく、高純度マイクロ波発生や光周波数の高精度位相制御、位相を用いた光通信用光源などにも応用することができる。

１．第１の実施の形態
図３は、第１の実施形態のパルスレーザ光源の概略構成を示すブロック図である。なお、図中実線は光信号、点線は電気信号をそれぞれ示す（以下同様）。
図３において、パルスレーザ光源は、モード同期レーザ光源１、光フィルタ２、周波数基準セル３、光位相変調器４１、発振器４２、光検出器４３、位相比較器４４、低域通過型フィルタ４５、負帰還制御回路４６、マイクロ波の位相制御回路５、クロック抽出回路５１、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路６、モードホップ抑制回路７、モード同期レーザ光源１の励起光源８、光強度変調器又は光位相変調器９を備える。

モード同期レーザ光源１には、例えば、エルビウムなどの希土類添加ファイバを利得媒質としたファイバレーザを用いることが有効である。モード同期レーザ光源１は、再生モード同期回路内にマイクロ波の位相制御回路５を有し、これにより出力光パルスの繰り返し周波数をチューニングさせることができる。また、モード同期レーザ光源１は、出力が可変な励起光源８を有し、これにより、発振周波数をチューニングさせることができるレーザ光源である。

光フィルタ２は、モード同期レーザ光源１の出力光から透過特性で定められる縦モード一本を抽出するために用いられる。光フィルタ２は、例えば、ファイバブラッググレーティング等の狭帯域透過特性を有する光フィルタを用いることが特に有効である。

モード同期レーザ光源１は、例えば、ＧＨｚ帯での高繰り返し動作が可能であり、周波数間隔が例えば、１０〜４０ＧＨｚと広いため、狭帯域光フィルタ２により縦モード１本を抽出でき、高安定な周波数標準光を容易に得ることができるという特徴を有する。

光位相変調器４１は、発振器４２で駆動され、光信号の位相を変調する。周波数基準セル３は、光周波数において経時変動のない安定な共鳴吸収線をもつ原子・分子を適当な圧力で容器に封入したもので、例えば光通信に用いられる波長１．５μｍ帯で安定な吸収線をもつアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）あるいはシアン化水素（ＨＣＮ）分子を用いることができる。光検出器４３は、周波数基準セル３から出力される光信号を電気信号に変換する。位相比較器４４は、光検出後の電気信号と発振器４２からの参照信号とから、周波数基準セル３の吸収スペクトルの一次微分信号を出力し、負帰還用信号を発生する。低域通過型フィルタ４５は、位相比較器４４からの出力信号のうち負帰還制御に必要なＤＣ成分付近の信号のみ抽出する。さらに、負帰還制御回路４６は、位相比較器４４からの出力信号により励起光源８を制御するために使用し、例えば比例積分制御回路が有効である。

再生モード同期回路は、図４に示すように、該回路を構成するファイバの一部を巻き付けたＰＺＴ（圧電素子）５２、クロック抽出回路５１、増幅器５３、電圧制御型移相器５４から成り、ＰＺＴ５２および電圧制御型移相器５４によりその回路長が可変である特徴を有する。ここで、図３におけるマイクロ波の位相制御回路５として、ＰＺＴ５２又は電圧制御型移相器５４を用いる。クロック抽出回路５１は、モード同期レーザ光源１の出力パルス列から、繰り返し周波数に等しいクロック信号を出力する。ここでは、クロック信号は、一例として、時間的なオン・オフ波形ではなく、正弦波電気信号を指す。すなわちクロック抽出回路５１によって、例えば、１０ＧＨｚの繰り返しの光パルス列から、周波数が１０ＧＨｚのマイクロ波信号を得ることができる。モード同期レーザ光源１内部では、図４に示すように、得られたクロック信号で光強度変調器又は光位相変調器９を直接駆動する。ＰＬＬ回路６は、シンセサイザ６１、位相比較器６２、負帰還回路６３を備える。シンセサイザ６１は、セシウムやルビジウムなどの原子時計や水素メーザにロックしてさらに高安定化させておくことができる。

モードホップ抑制回路７は、図４に示すように、エタロン素子又は多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子７１、該素子７１の透過ピーク周波数を変化させるために該素子７１に付与されたＰＺＴ７１１又はペルチェ素子７１２（温度制御回路）、該透過ピーク周波数とモード同期レーザ光源１の発振縦モードの周波数との差を検出するための位相敏感検波回路（光検出器７２、位相比較器７３、発振器７４、低域通過型フィルタ７５）、該位相敏感検波回路からの出力信号により該透過ピーク周波数を制御するための負帰還制御回路７６、該負帰還制御回路７６からの制御信号と発振器７４の信号とを加算するための加算器７７から構成される。エタロン素子としては、バルク型のエタロン結晶の両端に光ファイバを取り付けたものや、光ファイバの端面にミラーを蒸着した全ファイバ型構成のものが有効である。一方、多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子としては、短い周期および長い周期の２種類の屈折率周期を光ファイバに書き込んだＳｕｐｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇが有効である。

図４は、モード同期レーザ光源１の構成の一例を示す図である。
このモード同期レーザ光源１は、ファイバレーザを用いたものであり、再生モード同期回路（クロック抽出回路５１、ＰＺＴ５２、増幅器５３、電圧制御型移相器５４）、モードホップ抑制回路（エタロン素子又は多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子７１、該素子７１に付与されたＰＺＴ７１１又はペルチェ素子７１２、光検出器７２、位相比較器７３、発振器７４、低域通過型フィルタ７５、負帰還制御回路７６、加算器７７）、励起光源８、光強度変調器又は光位相変調器９、ペルチェ（温度制御回路）付ファイバ１０、エルビウムファイバ１１、ＷＤＭカプラ１２、カップラ１３〜１５を備える。モード同期レーザ光源１は、再生モード同期により光パルスを発生している。発振縦モードの周波数間隔の負帰還制御には、再生モード同期回路におけるＰＺＴ５２又は電圧制御型移相器５４を用いる。発振縦モードのうち一本の発振周波数の負帰還制御には、励起光源部８、ペルチェ付ファイバ１０を用いる。

次に、モード同期レーザ光源１の動作を説明する。
励起光源８で発生した励起光をＷＤＭカップラ１２を介してエルビウムファイバ１１に入射するとエルビウムイオンが励起され、連続したレーザ光が発振する。このレーザ光は、カップラ１３〜１５により出力される。クロック抽出回路５１は、出力光からクロック信号を出力する。この正弦波のクロック信号は、増幅器５３で増幅された後、光強度変調器又は光位相変調器９に供給される。光強度変調器又は光位相変調器９は、クロック抽出回路５１で抽出されたクロック信号で駆動され、その繰り返し周波数のパルスを発生させる役割を果たしている。従って、モード同期レーザ光源１は、正弦波のクロック信号に同期した周波数で、レーザ光が強度変調又は位相変調されている。

次に、本実施の形態によるモードホップ抑制の原理および周波数安定化の原理について説明する。
まず、モードホップの抑制原理について説明する。エタロン素子又は多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子７１は、等周波数間隔に複数本の透過バンドを有する光フィルタである。ここで、各透過バンドの周波数間隔をモード同期レーザ光源１の発振縦モードの周波数間隔と一致させることにより、レーザ発振可能な縦モードは、該透過バンドのピーク周波数付近のものに制限される。レーザ共振器長を短くすることにより、共振縦モードの周波数間隔ｆ_ＦＳＲを広げ、また該透過バンドの３ｄＢ帯域ｆ_{Ｆｉｌｔｅｒ}を狭めることにより、該透過バンド内に存在する共振縦モードの本数が減り、その結果、該透過バンド内で一本の縦モードのみが発振可能なレーザ共振器を構成することができる。このような共振器において、該透過バンドのピーク周波数をレーザ発振周波数と常に一致するように負帰還制御すれば、モードホップを完全に抑制することができる。この負帰還制御には位相敏感検波法が有効である。

図６は、モードホップ抑制回路の一例として、エタロン素子７１の透過ピーク周波数をＰＺＴ７１１により制御することにより、該透過ピーク周波数とレーザ発振周波数とのずれ量を、位相敏感検波により誤差信号として検出する方法を説明する図である。ペルチェ素子７１２を用いる場合、および多波長反射型ブラッググレーティング光フィルタ素子を用いる場合もその動作原理は同様である。

位相敏感検波は、主に、光検出器７２、位相比較器７３、発振器７４、低域通過型フィルタ７５により行われる。
図６のように、繰り返し周波数がｆ_ｍの発振器７４の出力電圧信号を、エタロン素子７１のピーク周波数を可変するＰＺＴ７１１に印加することにより、前記透過ピーク周波数がｆ_ｍの周波数で変調される。そのため、該エタロン素子７１を通過する光の強度がｆ_ｍの繰り返し周波数で変調を受け、その結果、レーザ出力光にＡＭ変調成分が付加される。このとき、該透過ピーク周波数がレーザ発振周波数と一致する場合には、該ＡＭ変調成分のうち周波数ｆ_ｍの成分がゼロとなり、該透過ピーク周波数がレーザ発振周波数とずれた場合には、そのずれ量に比例した大きさで、その周波数ずれの方向に対応した符号のｆ_ｍ成分がレーザ出力光に付与される。したがって、光検出器７２、位相比較器７３および低域通過型フィルタ７４を用いて、レーザ出力強度に付加されたＡＭ変調成分のうち発振器７４の出力周波数ｆ_ｍに同期した成分を抽出することにより、該透過ピーク周波数とレーザ発振周波数とのずれ量を検出することができる。このようにして検出した誤差信号を、加算器７６を介して該ＰＺＴ７１１の印加電圧に負帰還することにより、該透過ピーク周波数がレーザ発振周波数に一致するように変化する。以上の動作により、モードホップが完全に抑制される。

次に、レーザの発振周波数および発振縦モードの周波数間隔の安定化動作の原理について説明する。モード同期レーザ光源１は、光波およびマイクロ波に対する２つの共振器回路を有している。図７は、これら２つの共振回路を説明した図である。光共振回路は、光ファイバのみで構成され、その共振器長をｌ_ｃ、光の位相速度をｖ_ｐとすると、その共振条件は次式で与えられる。

ここで、ｆはレーザの発振周波数、ｍは整数である。一方、マイクロ波共振器回路は、前期光共振回路を構成する光ファイバの一部および再生モード同期回路で構成され、光ファイバで構成される部分の長さをｌ_ｏｐｔ、マイクロ波ケーブルで構成される部分の長さをｌ_{ｍｉｃｒｏｗａｖｅ}とすると、その共振条件は次式で与えられる。

ここで、ｆ_ｒｅｐはレーザ出力パルスの繰り返し周波数、ｖ_ｇは光の群速度、ｖ_{ｍｉｒｏｗａｖｅ}はマイクロ波の位相速度、Ｎは整数である。ここで、（数１）式は、レーザ発振周波数ｆを決定する共振条件であり、（数２）式は、レーザ出力パルスの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを決定する共振条件に対応している。

特許文献３で開示されている方法では、周波数安定化動作時にレーザ共振器を構成するファイバ長をＰＺＴにより制御するため、そのとき（数１）式および（数２）式におけるｌ_ｃとｌ_ｏｐｔとが同時に変化し、すなわち発振周波数ｆと繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐとが同時に変化してしまう。このことは、発振周波数ｆと繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐとを独立に制御することを困難なものにしている。

一方、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐの安定化において、図４におけるＰＺＴ５２又は電圧制御型移相器５４を用いて（数２）式のｌ_ｏｐｔ又はｌ_{ｍｉｃｒｏｗａｖｅ}を負帰還制御すれば、（数１）式の共振条件に影響を及ぼすことなく、ｆ_ｒｅｐを独立に制御することができる。この負帰還制御の方法は、以下のとおりである。

クロック抽出回路５１によって共振器内の光パルスからクロック信号を抽出し、ＰＬＬ回路６に入力する。次に、ＰＬＬ回路６において該クロック信号の周波数とシンセサイザ６１の発振周波数との誤差信号を検出し、ＰＺＴ５２又は電圧制御型移相器５４への印加電圧に負帰還し、クロック周波数が該シンセサイザ６１の周波数に一致する方向に負帰還することにより、モード同期レーザ光源１の繰り返し周波数を変化させる。すなわち、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐを安定化させる。

また、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐの安定化と同時に、発振縦モードうち一本の発振周波数の安定化を行なう。その安定化の方法は、以下のとおりである。
光フィルタ２によってその透過特性で定められる一本の縦モードを抽出し、光位相変調器４１を介して周波数基準セル３に入力する。次に、光検出器４３、位相比較器４４および低域通過型フィルタ４５によって、該縦モードの周波数と分子の共鳴周波数との誤差信号を検出し、励起光源８の励起電流に負帰還し、発振周波数が分子の共鳴周波数に一致する方向に負帰還することにより、モード同期レーザ光源１の発振周波数を変化させる。すなわち、該縦モード一本の絶対周波数ｆを安定化させる。なお、ここで励起光源８のパワー変化により、ファイバレーザの増幅媒質であるエルビウムファイバ１１中でのクラマース・クローニッヒの関係から媒質の屈折率が変化し、周波数が変化する原理を用いている。これにより、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐとは独立に発振周波数ｆを安定化させることができる。このように、適当な縦モードを光フィルタ２で抽出すれば、その周波数を吸収線の周波数に安定化することができる。光フィルタ２は、ある程度の波長可変性を有しているので、所望のモードを抽出することが可能である。

以上の結果、モード同期レーザ光源１の一本の縦モードの絶対周波数ｆが周波数基準セル３内の分子の共鳴周波数に一致し、かつ光パルスの繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐがＰＬＬ回路６内の外部シンセサイザ６１の発振周波数に一致した、高安定な縦モードスペクトル群を得ることができる。すなわち、モード同期レーザ光源１のスペクトルを構成する全ての縦モードの絶対周波数が同時に安定化される。

なお、本技術は、ファイバレーザの他にも、半導体を用いたモード同期レーザに、再生モード同期回路の回路長と励起パワーあるいは温度とを制御することにより、同様に適用できる（以下の実施の形態においても同様）。

２．第２の実施の形態
図５は、第２の実施の形態のパルスレーザ光源の概略構成の一例を示すブロック図である。
モード同期レーザ光源１における発振周波数変化の殆どは微小な温度変化によるため、誤差信号は温度変化を反映している。そこで、周波数基準セル３から誤差信号をレーザ共振器内のペルチェ付ファイバ９に負帰還する方法もある。励起光源８のみ用いた負帰還制御では、共振器内の温度変動が大きい場合、周波数安定化動作に伴いその励起パワーが大きく変化するため、その結果レーザ出力強度が大きく変動してしまう。そのため、この誤差信号を共振器温度に負帰還し、その誤差信号の一部を減衰器４７を介して励起光源８に同時に負帰還することにより、出力強度変動の少ない発振周波数の安定化が実現できる。また、この共振器温度制御の応答速度は、数秒程度と低速である。そのため、共振器温度の制御時に（数２）式のｌ_ｏｐｔも同時に変化してしまうが、その変化は低速であり、ＰＺＴ５２又は電圧制御型移相器５４による比較的高速応答が可能な負帰還制御には影響が少ない。

本発明のパルスレーザ光源は、光通信波長帯における超高安定光パルス光源として、超高速光時分割多重伝送、波長分割多重伝送、光の位相を利用したコヒーレント伝送など光通信技術への幅広い用途が考えられる。また、これらのほかにも、本レーザ光源を光周波数標準や高純度マイクロ波発生に利用することが可能である。すなわち、縦モードの周波数間隔が正確に固定され、かつ全ての縦モードの発振周波数が常に一定であるスペクトル列を出力することから、光のものさしとして高精度な光周波数標準技術への応用が可能である。また、高調波再生モード同期パルスファイバレーザは、繰り返し周波数が数十ＧＨｚ程度であり、マイクロ波からＴＨｚ波帯の周波数であることから、異なる二つの縦モードのビートを発生させることにより、高安定なマイクロ波を発生させることが可能となる。

モード同期レーザ光源の光スペクトルを模式的に示すグラフである。 モード同期レーザの出力パルスにおけるキャリヤ・エンベロープオフセット位相を説明する波形図である。 本発明の第１の実施の形態のパルスレーザ光源の概略構成を示すブロック図である。 図３に示すパルスレーザ光源のモード同期レーザ光源の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態のパルスレーザ光源の概略構成を示すブロック図である。 図３に示すパルスレーザ光源のモードホップ抑制回路の動作原理を説明する原理図である。 図３に示すパルスレーザ光源のモード同期レーザ光源の２つの共振回路を示すブロック図である。

符号の説明

１ モード同期レーザ光源
２ 光フィルタ
３ 周波数基準セル
４１ 光位相変調器
４２ 発振器
４３ 光検出器
４４ 位相比較器
４５ 低域通過型フィルタ
４６ 負帰還制御回路
４７ 減衰器
５ マイクロ波の位相制御回路
５１ クロック抽出回路
５２ ＰＺＴ
５３ 増幅器
５４ 電圧制御型移相器
６ ＰＬＬ回路
６１ シンセサイザ
６２ 位相比較器
６３ 負帰還制御回路
７ モードホップ抑制回路
７１ エタロン素子又は多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子
７１１ ＰＺＴ
７１２ ペルチェ素子
７２ 光検出器
７３ 位相比較器
７４ 発振器
７５ 低域通過型フィルタ
７６ 負帰還制御回路
７７ 加算器
８ 励起光源
９ 光強度変調器又は光位相変調器
１０ ペルチェ付ファイバ
１１ エルビウムファイバ
１２ ＷＤＭカップラ
１３ カップラ
１４ カップラ
１５ カップラ

Claims (6)

1. 光パルスを発生させる再生モード同期レーザと、
   前記レーザの繰り返し周波数を安定化させるための繰り返し周波数制御用信号を検出する再生モード同期用ＰＬＬ回路と、
   前記再生モード同期用ＰＬＬ回路内に挿入されたマイクロ波の位相制御回路と、
   前記レーザの共振器内に挿入されたモードホップ抑制回路と、
   前記レーザの出力光パルスから１本の縦モード周波数を抽出する狭帯域光フィルタと、
   前記光フィルタで抽出された周波数が分子の共鳴周波数からずれた場合に発生する誤差信号を絶対周波数制御用信号として用いて、前記レーザの励起光源のパワーに負帰還制御する回路とを備え、
   前記再生モード同期用ＰＬＬ回路は、前記繰り返し周波数制御用信号を前記マイクロ波の位相制御回路に負帰還するよう構成され、
   前記モードホップ抑制回路は、エタロン素子または多波長反射型ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子と、該素子の透過ピーク周波数を前記レーザの発振縦モード周波数にトラッキングする位相敏感検波系とを有することを
   特徴とするパルスレーザ光源。
2. 請求項１に記載のモードホップ抑制回路において、前記位相敏感検波系で検出した誤差信号を前記素子の温度に負帰還することにより該素子の透過ピーク周波数を制御することを特徴とするパルスレーザ光源。
3. 請求項１に記載のモードホップ抑制回路において、前記エタロン素子を構成するファブリー・ペロー共振器の長さまたは前記ファイバブラッググレーティング光フィルタ素子の長さを圧電素子で制御する機構を備え、前記位相敏感検波系で検出した誤差信号を該圧電素子への印加電圧に負帰還することにより前記素子の透過ピーク周波数を制御することを特徴とするパルスレーザ光源。
4. 請求項１に記載のマイクロ波の位相制御回路において、前記再生モード同期用ＰＬＬ回路の一部を構成する光ファイバの長さを圧電素子で制御する機構を備え、前記再生モード同期用ＰＬＬ回路で検出した繰り返し周波数制御用信号を該圧電素子への印加電圧に負帰還することにより、前記レーザの繰り返し周波数を安定化することを特徴とするパルスレーザ光源。
5. 請求項１に記載のマイクロ波の位相制御回路において、前記再生モード同期用ＰＬＬ回路に電圧制御型マイクロ波移相器を挿入し、前記再生モード同期用ＰＬＬ回路で検出した繰り返し周波数制御用信号を該電圧制御型マイクロ波移相器の駆動電圧に負帰還することにより前記レーザの繰り返し周波数を安定化することを特徴とするパルスレーザ光源。
6. 請求項１に記載のパルスレーザ光源において、前記絶対周波数制御用信号をレーザ共振器の温度制御用信号として利用することにより、温度を超高精度に制御することを特徴とするパルスレーザ光源。
   

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