JP5295200B2 - 光ファイバーレーザー - Google Patents

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Description

本発明は光ファイバーレーザーに関し、さらに詳しくは２つの発振波長を可変することができる光ファイバーレーザーに関する。
０．１ＴＨｚ〜３ＴＨｚ（１ＴＨｚ：１０１２Ｈｚ）帯のテラヘルツ波は非金属及び無極性物質の分子等の共振周波数と類似であるので透過特性が良い。テラヘルツ波はこれらの分子等を非破壊、未開封、非接触法を利用して実時間で識別できるようにする。テラヘルツ波は医療、医学、農食品、環境計測、バイオ、尖端材料評価等から今までなかった新概念の分析技術に応用されている。
また、テラヘルツ波は様々な領域から応用の拡大が急速に進行されている。テラヘルツ波は数ｍｅＶ水準のとても低いエネルギで体にはほとんど影響を及ばないので人間中心のユビキタス社会実現の必須核心技術として需要が急増している。しかし、テラヘルツ波を生成する技術の研究開発が遅く、そのような需要に対応できないのが事実である。例えば、テラヘルツ波を生成するレーザーは実時間、ポータブル、安値等を同時に実現できなかった。
米国特許第７，３７２，８８０号公報
本発明の目的はテラヘルツ波を生成することができる独立された２つの波長を有するレーザー光を発振する光ファイバーレーザーを提供することである。
本発明の他の目的は実時間、ポータブル、安値の光ファイバーレーザーを提供することである。
本発明の実施形態による光ファイバーレーザーは、レーザー光を発振する光源と、前記レーザー光を第１及び第２波長に共振させる第１及び第２共振器と、前記光源から発振される前記レーザー光を前記第１及び第２共振器に分離して入射させ、前記第１及び第２共振器から各々共振される前記第１及び第２波長の前記レーザー光を前記光源に再びフィードバックするカプラーを含む。
一実施形態によると、前記第１及び第２共振器は前記カプラーから分岐される第２及び第３光ファイバーと、前記第２及び第３光ファイバーに各々連結される第１及び第２ブラッグ格子を含む。
一実施形態によると、前記第１及び第２ブラッグ格子は各々光ファイバーブラッグ格子またはポリマーブラッグ格子を含む。
一実施形態によると、前記第１及び第２共振器は前記第１及び第２ブラッグ格子を引っ張る（ストレインする）少なくとも１つの変換ステージをさらに含む。
一実施形態によると、前記第１及び第２共振器は前記第１及び第２波長のレーザー光を各々安定化する安定化レーザー光を供給する第１及び第２安定化光源と、前記第１及び第２安定化光源を前記第２及び第３光ファイバーに各々連結する第１及び第２共振カプラーをさらに含む。一実施形態によると、前記カプラーは光ファイバーカプラー、導波路カプラーまたは多重モード干渉カプラーの中で何れか１つを含む。
一実施形態によると、光源は、前記カプラーに連結された第１光ファイバーと、前記第１光ファイバーにポンプ光を供給するポンプ光源と、前記カプラーからフィードバックされる第１及び第２波長のレーザー光を出力する出力端を含む。
一実施形態によると、光源は、前記カプラーに連結された第１光ファイバーと、前記第１光ファイバーに形成された半導体光増幅器（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を含む。
本発明の実施形態によると、レーザー光源と第１及び第２共振器を通じてテラヘルツ波を生成することができる独立された２つの波長を有するレーザー光を発振させることができる。
また、構造が簡単であり、レーザー光の干渉を利用するので実時間、ポータブル、安値を図ることができる。
本発明の実施形態による光ファイバーレーザーを示すダイヤグラムである。 アンロッキングされたレーザー光のスペクトルを示すグラフである。 ロッキングされたレーザー光のスペクトルを示すグラフである。
以下に、本発明が属する技術分野から通常の知識を有する者が本発明の技術思想を容易に実施することができるように本発明の実施形態について添付される図面を参考にして説明する。然し、本発明は説明される実施形態等に限らず、異なる形態に具体化することができる。ここに紹介される実施形態は開示された内容が徹底または完全になるように、そして当業者らに本発明の技術思想が十分に伝えられるようにする。
本発明の図面等に於いて、各々の構成要素は明確性を高めるために誇張して表現されることもある。明細書に於いて、同じ符号で表示される部分は同じ構成要素を示す。
また、説明の便宜のために本発明の技術思想が適用されるいくつかの実施形態等を例示的に説明し、様々に変形可能な実施形態等については説明を省略する。然し、この分野の属する通常の知識を有する者なら、本発明の説明及び実施形態等に基づいて、本発明の技術思想の範囲内から様々に変形して適用することができる。
図１は本発明の実施形態による光ファイバーレーザーを示すダイヤグラムである。
図１を参考にすると、本発明の実施形態による光ファイバーレーザーはレーザー光を発振するレーザー光源３０と、前記レーザー光を第１及び第２波長に共振させる第１及び第２レーザー共振器１０、２０を含む。第１及び第２レーザー共振器１０、２０と、レーザー光源３０との間にフィードバックカプラー４０が配置される。フィードバックカプラー４０はレーザー光源３０から生成されたレーザー光を第１及び第２レーザー共振器１０、２０に分離して供給する。また、フィードバックカプラー４０はレーザー光を第１及び第２レーザー共振器１０、２０からレーザー光源３０に再びフィードバックさせる。第１及び第２波長のレーザー光はフィードバックカプラー４０から再びレーザー光源３０にフィードバックされた後、出力端５０に出力される。第１及び第２波長のレーザー光は出力端５０に連結されるフォトミキサ（図示せず）からビーティング（ｂｅａｔｉｎｇ）されてテラヘルツ波を生成させる。
従って、本発明の実施形態による光ファイバーレーザーはレーザー光源３０と第１及び第２レーザー共振器１０、２０を通じてテラヘルツ波を生成する独立された第１及び第２波長のレーザー光を発振させることができる。また、構造が簡単であり、レーザー光のビーティングが容易であるので実時間、ポータブル、安値を図ることができる。
レーザー光源３０はポンプ光を供給するポンプ光源３４と、前記ポンプ光でレーザー光を発振する第１光ファイバー３２を含む。第１光ファイバー３２はコアとクラディングを含む。コアとクラディングは透明なガラスの材質からなる。コアはクラディングより屈折率が高い。また、コアにはポンプ光によってレーザー光を生成する利得（ｇａｉｎ）物質または活性（ａｃｔｉｖｅ）物質が添加（ｄｏｐｉｎｇ）される。
利得物質または活性物質は稀土類元素を含む。稀土類元素はポンプ光によって準安定状態に励起された（ｅｘｃｉｔｅｄ）後、安定化されながらレーザー光を発振させる。稀土類元素はエルビウム（Ｅｒ）と、イッテルビウム（Ｙｂ）の中で少なくとも１つを含む。エルビウムとイッテルビウムは各々１５５０ｎｍ、１０６０ｎｍ波長帯域（ｗａｖｅｂａｎｄ）のレーザー光を発振させることができる。ポンプ光源３４は稀土類元素を励起させるポンプ光を生成する。ポンプ光源３４は９８０ｎｍレーザーダイオードを含む。このとき、利得物質とポンプ光源３４はレーザー光を発振させるためのものとして、半導体光増幅器（図示せず）に替えても良い。
第１光ファイバー３２とポンプ光源３４は入力カプラー３６によって連結される。入力カプラー３６は波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ：ＷＤＭ）カプラーを含む。入力カプラー３６はポンプ光を第１光ファイバー３２に伝達する。ポンプ光は第１光ファイバー３２にフィードバックカプラー４０の方向に供給される。従って、第１光ファイバー３２は入力カプラー３６を通じてポンプ光が入射される方向にフィードバックカプラー４０に連結される。入力カプラー３６とフィードバックカプラー４０は所定の距離以上に離隔される。入力カプラー３６とフィードバックカプラー４０との距離が遠くなると、ポンプ光が第１光ファイバー３２のコアに十分に吸収される。このとき、半導体光増幅器を通じてレーザー光が発振されると、半導体光増幅器は入力カプラー３６の位置から第１光ファイバー４０に形成される。
第１光ファイバー３２は循環リング（ｃｉｒｃｕｌａｒ ｒｉｎｇ）またはループ（ｌｏｏｐ）模様に形成される。レーザー光は循環リング模様またはループ模様の第１光ファイバー３２から共振される。第１光ファイバー３２はポンプ光が入射される入力カプラー３６の後端に出力カプラー５６が結合される。出力カプラー５６は第１光ファイバー３２を通じて再びフィードバックカプラー４０に連結される。出力カプラー５６は互いに独立される第１及び第２波長を有するレーザー光を出力端５０に出力する。例えば、出力カプラー５６は約１０％程度の第１及び第２波長を有するレーザー光を出力端５０に出力する。
出力カプラー５６とフィードバックカプラー４０との間の第１光ファイバー３２に第１アイソレータ３８が配置される。
第１アイソレータ３８はフィードバックカプラー４０から出力カプラー５６に伝達されるレーザー光をフィルタリングする。また、第１アイソレータ３８は出力カプラー５６からフィードバックカプラー４０に進行されるレーザー光を通過させる。第１アイソレータ３８は入力カプラー３６から発振されるレーザー光をフィードバックカプラー４０に導く。
出力カプラー５６と入力カプラー３６との間の第１光ファイバー３２に第２アイソレータ３９が配置される。第２アイソレータ３９は入力カプラー３６から出力カプラー５６に進行されるレーザー光を通過させる。一方、出力カプラー５６から入力カプラー３６に進行されるレーザー光をフィルタリングする。従って、第１及び第２アイソレータ３８、３９はレーザー光を循環リング構造の第１光ファイバー３２から一側の方に進行させることができる。また、レーザー光の偏光を調節する偏光調節器６０が第１光ファイバー３２に配置される。例えば、偏光調節器６０は出力カプラー５６と第１アイソレータ３８との間の第１光ファイバー３２に配置される。
フィードバックカプラー４０はポンプ光によって発振されるレーザー光を第１及び第２レーザー共振器１０、２０に分離して供給する。フィードバックカプラー４０は循環リング模様またはループ模様に形成された第１光ファイバー３２の両端が一側に連結される。フィードバックカプラー４０は第１及び第２レーザー共振器１０、２０にレーザー光を５０：５０に分けて供給する。例えば、フィードバックカプラー４０は導波路（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）カプラー、光ファイバーカプラーまたは多重モード干渉（ｍｕｌｔｉ ｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）カプラーを含む。
第１及び第２レーザー共振器１０、２０は対称になるように形成される。第１及び第２レーザー共振器１０、２０はフィードバックカプラー４０から分岐される第２及び第３光ファイバー１５、２５と、前記第２及び第３光ファイバー１５、２５の末端に各々形成された第１及び第２ブラッグ格子１２、２２を含む。図示されていないが第２及び第３光ファイバー１５、２５はコアとクラディングを含む。コアとクラディングは透明なガラスの材質からなる。コアはクラディングより屈折率が高い。また、コアは利得（ｇａｉｎ）物質または活性（ａｃｔｉｖｅ）物質が添加（ｄｏｐｉｎｇ）される。
第１及び第２ブラッグ格子１２、２２は光ファイバーブラッグ格子またはポリマーブラッグ格子を含む。ポリマーブラッグ格子は光ファイバーブラッグ格子よりレーザー光の波長の可変範囲を拡張させる。第１及び第２ブラッグ格子１２、２２は屈折率の変化を有する複数の第１及び第２パターン１１、２１を各々含む。第１及び第２ブラッグ格子１２、２２は複数の第１及び第２パターン１１、２１の距離変化によって特定の波長の光を選択的に反射する。第１及び第２ブラッグ格子１２、２２は各々第１及び第２変換ステージ１３、２３によって複数の第１及び第２パターン１１、２１の間の距離が個別的に調節される。
例えば、第１変換ステージ１３は第１ブラッグ格子１２を引っ張り（ｓｔｒａｉｎ：ストレイン）または膨脹して複数の第１パターン１１との間の距離を増加させる。第１ブラッグ格子１２は複数の第１パターン１１との間の距離に対応される第１波長を有するレーザー光を共振させる。同じく、第２変換ステージ２３は第２ブラッグ格子２２の第２パターン等２１との間の距離を調節することができる。第２ブラッグ格子２２は複数の第２パターン２１との間の距離に対応される第２波長を有するレーザー光を共振させる。従って、第１及び第２ブラッグ格子１２、２２はエルビウムが添加された光ファイバーで約１５３０ｎｍ乃至約１５５０ｎｍ範囲の第１及び第２波長を有するレーザー光を個別的に共振させることができる。
第１及び第２ブラッグ格子１２、２２から第１及び第２波長に共振されるレーザー光は少なくとも１つの安定化レーザー光によってロッキング（ｌｏｃｋｉｎｇ）される。第１及び第２レーザー共振器１０、２０は安定化レーザー光を発振する第１及び第２安定化レーザー光源１４、２４を含む。
第１及び第２安定化レーザー光源１４、２４は第１及び第２共振カプラー１６、２６によって第２及び第３光ファイバー１５、２５に各々結合される。また、第１及び第２共振カプラー１６、２６と第１及び第２安定化レーザー光源１４、２４との間には各々第３及び第４アイソレータ１８、２８が配置される。第３及び第４アイソレータ１８、２８は第１及び第２波長のレーザー光から第１及び第２安定化レーザー光源１４、２４を保護する。第１及び第２安定化レーザー光源１４、２４はファブリーペローレーザーダイオード（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ：ＦＰ−ＬＤ）を含む。ファブリーペローレーザーダイオードは増幅自発放出（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）される安定化レーザー光を生成する。
安定化レーザー光は第２及び第３光ファイバー１５、２５に入射され、前記第２及び第３光ファイバー１５、２５から第１及び第２波長のレーザー光をロッキングする。即ち、第１及び第２安定化レーザー光源１４、２４から供給される安定化レーザー光は第１及び第２ブラッグ格子１２、２２から共振されるレーザー光と同じである第１及び第２波長を有する。
図２と図３はアンロッキングされた（ｕｎｌｏｃｋｅｄ）レーザー光とロッキングされた（ｌｏｃｋｅｄ）レーザー光のスペクトルを示すグラフ等として、アンロッキングされたレーザー光は多数のピーク（ｐｅａｋ）が現れ、ロッキングされたレーザー光は１つのピークだけが現れる。ここで、グラフの横軸は１５５０ｎｍの中心波長を基準とする波長の変化を示す。
グラフの縦軸はレーザー光の吸収の大きさを示す。また、グラフのピーク等を主モード（ｍａｉｎ ｍｏｄｅ）７０と従モード（ｓｕｂ ｍｏｄｅ）８０に区別することができる。
アンロッキングされたレーザー光は主モード７０の周辺に多数の従モード８０等が存在する。アンロッキングされたレーザー光は主モード７０と従モード８０を含む広い帯域のスペクトルを有するのでテラヘルツ波生成に関与できない。ロッキングされたレーザー光は主モード７０の以外の従モード８０等は減殺されてほとんどなくなる。ロッキングされたレーザー光は主モード７０の狭い帯域スペクトルを有するのでテラヘルツ波生成に関与する。
ロッキングされたレーザー光は１５４５ｎｍの中心波長に主モード７０が位置することを分かる。
従って、本発明の実施形態による光ファイバーレーザーはロッキングされた第１及び第２波長のレーザー光からテラヘルツ波を生成する。テラヘルツ波は第１及び第２波長を有するレーザー光の主モード７０等の間の波長差Δλに対応する周波数Δｆを有する。例えば、第１レーザー共振器は主モード７０が１５４５ｎｍの第１波長を有するロッキングされたレーザー光を共振させる。また、第２レーザー共振器は主モード７０が１５５０ｎｍの第２波長を有するロッキングされたレーザー光を共振させる。第１及び第２波長を有するレーザーの主モード７０等の間の波長差は５ｎｍになる。テラヘルツ波は約０．８ＴＨｚ乃至約１ＴＨｚ程度の周波数を生成する。
一方、第１光ファイバー３２の両端が連結されたフィードバックカプラー４０の他側には第２及び第３光ファイバー１５、２５が連結される。フィードバックカプラー４０はロッキングされた第１及び第２波長のレーザー光をレーザー光源３０にフィードバックさせる。出力端５０の後端からビーティングで得られるテラヘルツ波はレーザー光の第１及び第２波長差Δλによって周波数Δｆが可変される。テラヘルツ波の周波数Δｆはレーザー光の第１及び第２波長差Δλに比例して可変される。例えば、第１及び第２波長差Δλが２ｎｍ、８ｎｍ、１６ｎｍであれば、各々約０．１ＴＨｚ、１ＴＨｚ、４ＴＨｚ程度の周波数を有するテラヘルツ波が生成される。従って、テラヘルツ波はレーザー光の第１及び第２波長差が最大に大きいとき一番高い周波数を有する。
第１及び第２レーザー共振器１０、２０は第１及び第２ブラッグ格子１２、２２を通じて共振されるレーザー光の第１及び第２波長を可変する。テラヘルツ波はレーザー光の第１及び第２波長が可変されると周波数が変更される。
従って、本発明の実施形態による光ファイバーレーザーは第１及び第２レーザー共振器１０、２０から共振されるレーザー光の第１及び第２波長を個別的に変更して周波数が可変されるテラヘルツ波を生成することができる。
１０ 第１レーザー共振器
２０ 第２レーザー共振器
３０ レーザー光源
３２ 第１光ファイバー
３４ ポンプ光源
３６ 入力カプラー
３８ 第１アイソレータ
３９ 第２アイソレータ
５６ 出力カプラー
６０ 偏光調節器

Claims (9)

  1. レーザー光を発振する光源と、
    前記レーザー光を第１及び第２波長に共振させる第１及び第２共振器と、
    前記光源から発振される前記レーザー光を前記第１及び第２共振器に分離して供給し、前記第１及び第２共振器から各々共振される前記第１及び第２波長のレーザー光を前記光源に再びフィードバックするカプラーと、
    前記第１及び第２共振器は前記カプラーから分岐される第２及び第３光ファイバーと、前記第２及び第３光ファイバーに各々連結される第１及び第２ブラッグ格子と、
    前記第１及び第２共振器は前記第１及び第２ブラッグ格子を引っ張る少なくとも１つの変換ステージと、
    を含み、
    前記第１及び第２共振器は前記第１及び第２波長のレーザー光を各々安定化する安定化レーザー光を供給する第１及び第２安定化光源と、前記第１及び第２安定化光源を前記第２及び第３光ファイバーに各々連結する第１及び第２共振カプラーをさらに含み、前記第１及び第２安定化光源はファブリーペローレーザーダイオードを含む光ファイバーレーザー。
  2. 前記第１及び第２ブラッグ格子は各々光ファイバーブラッグ格子またはポリマーブラッグ格子を含む請求項１に記載の光ファイバーレーザー。
  3. 前記第１及び第２安定化光源と、前記第１及び第２共振カプラーとの間に各々形成される第１及び第２アイソレータを含む請求項１に記載の光ファイバーレーザー。
  4. 前記カプラーは光ファイバーカプラー、導波路カプラーまたは多重モード干渉カプラーの中で何れか１つを含む請求項１に記載の光ファイバーレーザー。
  5. 光源は、前記カプラーに連結された第１光ファイバーと、前記第１光ファイバーにポンプ光を供給するポンプ光源と、前記カプラーからフィードバックされる前記第１及び第２波長の前記レーザー光を出力する出力端を含む請求項１に記載の光ファイバーレーザー。
  6. 前記光源は、前記ポンプ光源と前記第１光ファイバーを結合する入力カプラーと、前記出力端及び前記第１光ファイバーを結合する出力カプラーをさらに含む請求項５に記載の光ファイバーレーザー。
  7. 前記第１光ファイバーは、前記出力カプラー、前記入力カプラー及び前記カプラーを連結する循環リングからなる請求項６に記載の光ファイバーレーザー。
  8. 前記光源は、前記第１光ファイバーで前記入力カプラーから前記出力カプラーに進行される前記ポンプ光をフィルタリングする少なくとも１つのアイソレータをさらに含む請求項７に記載の光ファイバーレーザー。
  9. 光源は、前記カプラーに連結された第１光ファイバーと、前記第１光ファイバーに形成された半導体光増幅器を含む請求項１に記載の光ファイバーレーザー。
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