JP5574558B2 - モジュール式、高エネルギ、広波長可変性、超高速、ファイバ光源 - Google Patents

Description

【発明の背景】
１．発明の分野この発明は、波長選択ができ、コンパクトで、モジュール式で、かつ効率的な高パワー超短レーザパルス光源に関し、この超短レーザパルス光源は、超高速レーザ技術の工業使用における基本的な構成要素である。

２．関連技術の記述ファイバレーザは、これまで長い間、超短パルス発生用の有効な媒体を与えると認識されてきた。しかしながら、これまで、そのようなシステムは、主に、波長可変性に対して制限されたオプションをもち、かつ最小の達成可能パルス幅に限界がある、チャープしたブラッグ回折格子を使用したチャープパルス増幅に基づいていた（A. Galvanauskas and M.E. Fermann,'Optical Pulse Amplification using Chirped Bragg Gratings,'United States Patent,No.5,499,134)。チャープしたブラッグ回折格子は、実に広く入手できるデバイスに発達してきた、そして、ブラッグ回折格子内のチャープは、線形に、あるいはチャープパルス増幅システム内での任意のオーダの分散を補償するために、非線形に、さえもデザインされる（A.Galvanauskas et al.,'Hybrid Short-Pulse Amplifiers with Phase-MismatchCompensated Pulse Stretchers and Compressors',U.S.Patent No.5,847,863)、このチャープパルス増幅システムは、バンド幅制限パルス、すなわち、与えられたスペクトルのパルスバンド幅にとって最も短くできるパルス、の発生に重要である。

光ファイバのパワーとエネルギの限界を最大化するために、チャープパルス増幅を使用することは、明らかに望ましいが、同時に、システム集積化の要求（ブラッグ回折格子は、最も高い可能な分散を与えるために、透過よりむしろ反射で動作する必要がある）は、そのような標準的なチャープパルス増幅システムの使用を実用的でなくする。チャープパルス増幅の代わりとして、多モードファイバ増幅器での高パワーパルス増幅が提案された（M. E. Fermann and D. Harter,'Single-mode Amplifiers and Compressors Based on Multi-mode Optical Fibers',UnitedStates Patent,No.5,818,630)。またチャープパルス増幅の代わりとして、ファイバ増幅器でのソリトンラマン圧縮を使用することや、あるいは、一般的に、非線形ファイバ増幅器中でのパルス圧縮を使用することが提案された（M.E.Fermann, A.Galvanauskas and D.Harter,'Apparatus and Method for the Generationof High-power Femtosecond Pulses from a Fiber Amplifier',United States Patent,No.5,880,877)。

明らかに、多モードファイバの使用は、そのようなシステムの性能をさらに改善するために、チャープパルス増幅およびソリトンラマン圧縮と結合される。しかしながら、今日まで、全体のシステム性能をさらに最適化するためのパルス形状制御法は、全然記述されなかった。同じく、そのようなチャープパルス増幅システムの拡張器部分に自己−位相変調を使用することは、提案されていなかった。

さらに、システムのコンパクト化と高エネルギ化の折衷案として、バルク光学圧縮器と合同してファイバ分散遅延ラインを使用することは、有利であり、少なくとも、高−エネルギファイバレーザシステムの部分的な集積化をもたらす（M.E.Fermann A.Galvanauskas and D.Harter:'All fiber souce of 100 nJ sub-picosecond pulse',Appl.Phys.Lett.,vol.64,1994,pp.1315-1317）。しかしながら、今日まで、バンド幅限界近くまでパルスを再圧縮するために、拡張器と圧縮器の組合せの中で、より高次の３次および４次分散を制御する有効な方法は、全然開発されなかった。

チャープパルス増幅の代わりとして、高−利得正分散（ソリトンを支持しない）シリカ−ベースの単一モードエルビウム増幅器をバルクプリズム圧縮器と組み合わせて使用することにより、有効なパルス圧縮が得られるということも以前に提案された(K.Tamura and M.Nakazawa,'Pulse Compression by Nonlinear Pulse Evolution with Reduced Optical Wave Breaking in Erbium-Doped Fiber Amplifiers,'Opt.Lett.,Vol.21,p.68(1996))。しかしながら、この技術をシリカ−ベースのエルビウム増幅器と合同して使用することは、問題である、なぜなら、正分散のための要求がファイバコアサイズを約５ミクロンに制限するか、さもなければ、負の材料分散が、正の導波路分散を支配し、全体を負のファイバ分散にするからである。同様に、シリカ−ベースの多モードファイバは、エルビウム増幅器波長で負の分散をもち、有効なパルス圧縮のためにそれらを使用することを妨げている。このように、正分散エルビウム増幅器の限定されたコアサイズは、達成可能なパルスエネルギを大きく減少させる。

さらに、一つのエルビウム増幅器の後で付加的なスペクトル拡大やパルス増幅を行う方法は、田村らによって示されなかった。同様に、エルビウム増幅器の分散を補償するためにプリズムパルス圧縮器の性能を最適化させる方法は、田村らによって教示されなかった。

チャープパルス増幅の別の代わりとして、非増幅光ファイバをバルク回折格子圧縮器と合同して使用することが提案された（D.Grischkowsky et al.and J.Kafka et al.,U.S.Patent No.4,750,809)。しかしながら、そのようなシステムには利得がないので、高パルスエネルギが、高出力パワーを得るために非線形光学素子に結合されなければならず、システムのピークパワー特性を低下させる。さらに、そのような光学配置で、より高次の分散を補償する方法は議論されておらず、このアプローチの実現性を大きく制限している。さらに、そのようなシステムへの入力でのパルス形状を制御することなしで、線形チャープをもつスペクトル広がりは、非常に限定された入力パワーでのみ得られる。入力パルス形状の制御は、Kafkaらによって議論されなかった。同様に、バルク回折格子圧縮器と合同して最も短い可能なパルスを得るために、そのような非線形光学素子における２次および３次分散制御が、必要とされるが、これもKafkaらによって議論されなかった。

別の（分散−補償）導波路素子中に色分散を使用しての（低パワー）光波信号中の色分散補償は、電気通信システムの性能を最適化するために導入された（C.D.Poole,'Apparatus of compensating chromatic dispersion in optical fibers,'US Patent No.5,185,827)。しかしながら、高−パワーパルス光源の場合、分散−補償導波路素子によって導入される自己−位相変調は、それらの有効な使用を妨げる。さらに、Pooleによって議論されたシステムは、分散−補償導波路素子中で高次モードを選択的に吸収するため、あるいは、分散−補償導波路素子中で基本モードを選択的に増幅するために、モード−変換器および、あるいは希土類添加ファイバと合同して動作するだけである。自己−位相変調の存在下での高−パワー光パルスの分散を補償する方法は、何ら教示されなかった、また、モード−変換器なしの分散−補償導波路を実施する方法は、何ら提案されなかった。

モード−変換器と高次モードを使用する代わりとして、Ｗ−スタイルの屈折率プロファイルをもつファイバが知られている（B.J.Ainslie and C.R.Day, 'A review of single-mode fibers with modified dispersion characteristics';J.Lightwave Techn.,vol.LT-4,No.8,pp.967-979,1988)。しかしながら、高−パワーファイバチャープパルス増幅システムへの、そのようなファイバデザインの使用は、議論されたことがなかった。

超高速ファイバ増幅器の効率を最大にするために、Ｙｂファイバ増幅器の使用が提案された（D.T.Walton,J.Nees and G.Mourou,“Broad-bandwidth pulse amplification to the 10μj level in an ytterbium-doped germanosilicate fiber,”Opt.Lett.,vol.21,no.14,pp.1061(1996))、しかしながら、Waltonらによる研究は、信号パルスの光源としてモードロックＴｉ：サファイアレーザを採用するばかりでなく、Ｙｂ添加ファイバの励起にアルゴン−レーザポンプＴｉ：サファイアレーザを採用したが、これは、非常に効率がわるく、且つ明らかに小型装置と両立しない。さらに、増幅過程で光パルスの位相を制御する方法は、何ら提案されなかった、すなわち、Ｔｉ：サファイアレーザからの１００ｆｓパルスが、１．６ｋｍの長さの単一モードファイバ分散遅延ラインを通してＹｂ増幅器に結合されたが、この遅延ラインは、高次分散による大きな位相歪みを起こし、システムを超高速応用に適用することを大きく制限する。それよりは、Ｙｂ増幅器中で高品質高パワー放物線状パルスを誘起するためには、２００−４００ｆｓの範囲のシードパルスが数ｍの長さのＹｂ増幅器には好ましい。Waltonらによる単一モードＹｂ添加ファイバ増幅器の使用は、Ｙｂ増幅器のエネルギとパワーの限界をさらに大きく制限する。多モードＹｂ添加ファイバの使用は、内容がここに参考文献として組み入れられた米国出願Ｎｏ．０９／３１７，２２１に提案されたが、Ｙｂ増幅器と両立する小型超短パルス光源は、わかりにくいまま残った。

能動的な光変調機構を組み入れた広可変パルスＹｂ−ファイバレーザが、最近記述された（J.Porta et al.,'Environmentally stable picosecond ytterbium fiber laser with a broad tuning range',Opt.Lett.,vol.23,pp.615-617(1998))。このファイバレーザは、おおよそＹｂの利得バンド幅内の同調範囲を設けているが、そのレーザを超高速光学に適用することは、そのレーザで発生される比較的長いパルスにより制限される。一般的に能動モードロックレーザは、受動モードロックレーザより長いパルスを発生し、この現状のケースでは、発生したパルスのバンド幅は、５ｐｓの最小パルス幅をもち僅か０．２５ｎｍである。

非線形結晶中での周波数変換と合同してラマン−シフトを使った広波長可変ファイバレーザ光源が、最近記述された。（M.E.Fermann et al.,US Patent No.5,880,877 and N.Nishizawa and T.Goto,"Simultaneous Generation of Wavelength Tunable Two-Colored Femtosecond Soliton Pulses Using Optical Fibers,"Photonics Techn.Lett.,vol.11,no.4,pp421-423参照)。基本的に、空間的に不変なラマンシフタが提案され、その結果、波長可変範囲は３００−４００ｎｍに制限される（Nishizawa et al.参照）。さらに、非線形光学結晶での継続したラマンシフトと非線形周波数変換の応用に基づくそのような高度な非線形システムのノイズを最小にする方法は、何も知られていない。さらに、西沢らによって記述されたシステムは、ラマンシフタをシードするための付加的偏光制御エルビウムファイバ増幅器で増幅された比較的複雑な低パワー偏光制御エルビウムファイバ発振器によった。さらに、Ｅｒファイバレーザからの周波数逓倍出力のラマンシフトを可能にする方法は、何も記述されていない。

高パワーファイバ発振器からのパルスで、あるいは、高パワーファイバ発振器からの周波数変換されたパルスで、直接シードされたラマンシフタが明らかに好ましい。そのようなファイバ発振器は、最近多モード光ファイバを使って記述された（M.E.Fermann,'Technique for mode-locking of multi-mode fibers and the construction of compact high-power fiber laser pulse sources',U.S.serial number 09/199,728)。しかしながら、ラマンシフトをその後使用したような発振器の周波数を変換する方法は、今日まで論証されたことがない。

【発明の要旨】
したがって、本発明の目的は、モジュール化しやすく、小型、広波長可変、高ピーク、高平均パワー、低ノイズ超高速ファイバ増幅レーザシステムを提供することである。

１）短パルスシード光源、２）広バンド幅ファイバ増幅器、３）分散パルス拡張素子、４）分散パルス圧縮素子、５）非線形周波数変換素子、６）ファイバ分配用光学部品、のような様々な容易に交換できる光学系を使用することで、システムのモジュール化を確実にすることが、発明の別の目的である。さらに、提案された任意のモジュールは、交換できる光学系の一部で構成され得る。

高度に集積化された分散遅延ラインも、ダイオードレーザで直接あるいは間接にポンプされた有効なファイバ増幅器も、使用することで、システムの小型化を確実にすることが、発明の別の目的である。ファイバ増幅器の高ピークパワー特性は、放物線状あるいは他の最適化されたパルス形状を使うことで、大きく拡大される。自己位相変調と合同して、放物線状パルスは、大バンド幅、高ピークパワーパルスの発生も、良く制御された分散パルス拡張も、可能にする。高パワー放物線状パルスは、ファイバの材料分散が正である波長で動作する高利得の単一あるいは多モードファイバ増幅器で発生される。

放物線状パルスは、自己位相変調あるいは一般的なカー効果型光学非線形性の存在下でも相当なファイバ長に沿って分配されるかあるいは伝搬され、十分に線形なパルスチャープのみを招く。そのようなファイバ分配あるいはファイバ伝搬ラインの端部で、パルスは、おおよそバンド幅限界まで圧縮される。

さらに、ファイバ増幅器の高エネルギ特性は、放物線状パルスあるいは他の最適なパルス形状と合同してチャープパルス増幅を使用することで大きく拡大され、そのパルス形状は、パルス品質の劣化なしに沢山の自己位相変調を許容できる。より高度に集積化されたチャープパルス増幅システムは、バルク光学パルス圧縮器（あるいは低非線形性ブラッグ回折格子）あるいはパルス圧縮を周波数変換と結びつける周期的に分極された（ポールした）非線形結晶を使用することで、光ファイバの高エネルギ特性を損なうことなく作られる。

ファイバパルス拡張器とバルク光学圧縮器での分散は、調整可能な２次、３次、４次分散をもつファイバパルス拡張器を組み込むことで、４次の位相まで適合される。調整可能な高次分散は、最適化された屈折率分布をもつ高開口数単一モードファイバのみを使うか、または線形チャープファイバ回折格子と合同して標準的な階段状屈折率分布（ステップ−インデックス）高開口数ファイバを使用することで得られる。あるいは、高次分散は、高開口数の数モードファイバでの高次モードの分散特性を使用するか、非線形チャープファイバ回折格子を使用するか、あるいは透過型ファイバ回折格子と合同して線形チャープファイバ回折格子を使用することで、制御される。調整可能な４次分散は、ファイバブラッグ回折格子、透過型ファイバ回折格子のチャープを制御し、且つ異なる割合の２次、３次、４次分散をもつファイバを使用することで、得られる。同様に、高次分散は、周期的にポールした非線形結晶を使用することで得られる。

ファイバ増幅器は、好ましくは短パルスファイバ光源の形をした短パルスレーザ光源でシードされる。Ｙｂファイバ増幅器の場合、ラマンシフトした周波数逓倍短パルスＥｒファイバレーザ光源が、広波長可変シード光源として、実装される。１．５μｍから１．０μｍへの周波数変換のノイズを最小にするために、Ｅｒファイバレーザパルス光源の自己−制限ラマンシフトが使われる。あるいは、非線形周波数変換プロセスのノイズは、自己−制限周波数逓倍を実施することで最小化される。逓倍結晶の同調曲線の中心波長は、ラマンシフトパルスの中心波長より短い。

ラマンシフトと周波数逓倍のプロセスは逆にすることも可能である。そこでは、Ｅｒファイバレーザは、最初に周波数逓倍され、その後８００ｎｍ前後以上の波長に対してソリトン−維持分散を与える最適化されたファイバで、ラマンシフトされ、１μｍの波長領域のシード光源をつくる。

Ｙｂ増幅器用の低−複雑シード光源の代わりとして、モードロックＹｂファイバレーザが使用される。ファイバレーザは、強くチャープしたパルスを作るようにデザインされ、光学フィルタが、Ｙｂ増幅器用バンド幅限界近いシードパルスを選定するために結合される。

放物線状パルスは、十分なファイバ長に沿って伝送されるので、そのパルスは、ファイバ光学通信システムにも使用される。このシステムでは、外部パルス光源で発生された放物線状パルスが伝送される。あるいは、放物線状パルスは、伝送プロセスでも発生される。後者のケースでは、伝送システムでの光学非線形性の有害な作用が、長い、分布型、正分散光増幅器を実装することで一般的に最小化される。そのような増幅器は、少なくとも１０ｋｍの長さと１０ｄＢ／ｋｍ以下の利得をもつ。増幅器当たりの全利得は、光学非線形性の有害な作用の最小化のための放物線状パルス形成の開始を活用するために、１０ｄＢを超えるべきである。伝送ラインのチャープ補償は、ファイバ伝送線に沿ってと伝送線の端部にもチャープファイバブラッグ回折格子を使用することで、通常実施される。光学バンド幅フィルターが、伝送したパルスのバンド幅制御のために、さらに実装される。

光ファイバでの短パルスのラマンシフトに基づく波長可変パルス光源は、多くの応用、たとえば、分光分析で有益である。しかしながら、電気通信システム用の波長可変ファイバラマン増幅器の製作にラマンシフトを応用することで、非常に魅力的な装置が作られる。この波長可変システムにおいて、ラマンシフトしたポンプパルスは、可変波長範囲のためにラマン利得を与え、ポンプパルスに関して赤にシフトされる。さらに、ラマン利得スペクトルの形状は、ラマンシフトしたポンプパルスを変調することで、制御される

【提出された実施例の詳細説明】
発明の一般化されたシステム図が、図１に示される。レーザシード光源１（シードモジュール；ＳＭ）で発生されたパルスは、パルス拡張モジュール２（ＰＳＭ）に結合され、そこでパルスは、分散的に時間が拡張される。拡張されたパルスは、クラッドポンプされたＹｂファイバ増幅器３（増幅器モジュール、ＡＭ１）の基本モードに結合され、そこでパルスは、少なくとも１０倍増幅される。最後に、パルスは、パルス圧縮器モジュール４（ＰＣＭ）に結合され、そこでほぼバンド幅限界近くまで時間的に圧縮される。

図１に示した実施例は、モジュール型で、４つのサブシステム；ＳＭ１，ＰＳＭ２，ＡＭ１３， ＰＣＭ４、からなる。サブシステムは、別の実施例に記載されたように、異なる形状にはもちろん、個別でも使用される。

以下、議論はＳＭ−ＰＳＭ−ＡＭ１−ＰＣＭシステムに関連する。ＳＭ１は、好ましくはフェムト秒パルス光源（シード光源５）を有する。ＰＳＭは、好ましくは一本のファイバ６を有し、ＳＭとＰＳＭの間の結合は、好ましくは融着で行われる。ＰＳＭの出力は、好ましくはＡＭ１モジュール３の内部のＹｂ増幅器７の基本モードに注入される。結合は、融着、ファイバ結合器、あるいはＰＳＭ２とファイバ増幅器７の間のバルク光学結像システム、で行われる。すべてのファイバは、好ましくは偏光保持型が選択される。ＰＣＭ４は、好ましくは小型化の理由で、一つあるいは二つのバルク光学回折格子で形成される分散遅延ラインを有する。あるいは、多数のバルク光学プリズムやブラッグ回折格子がＰＣＭ４に使われる。ＰＣＭ４への結合は、図１に単レンズ８で描写されているように、バルク光学レンズシステムで行われる。ファイバブラッグ回折格子を含むＰＣＭの場合、ファイバピッグテールがＰＣＭへの結合に使われる。

フェムト秒レーザシード光源の一例として、ラマンシフト周波数逓倍Ｅｒファイバレーザが、図２のＳＭ１ｂ内に示されている。フェムト秒レーザ９は、波長１．５７μｍで２００ｆｓパルス、繰り返し周期５０ＭＨｚで１ｎＪのパルスエネルギを供給する市販の高エネルギソリトン光源（IMRA America, Inc., Femtolite B-60TM)である。

１．５μｍから２．１μｍの波長領域への最適なラマンシフトのために、偏光保持ラマンシフトファイバ１０の長手方向にコア経（テーパ化した）を減らすことが行われる。コア経の減少は、１．５から２．１μｍまでの全波長範囲でラマンシフタでの２次分散を零（しかし負）近くまで保つために必要とされる。２次分散の絶対値を小さく保つことで、ラマンシフタ内でのパルス幅が最小化され、このことは、ラマン周波数シフトの最大化をもたらす（J.P.Gordon,“Theory ofthe Soliton Self-frequency Shift,”Opt.Lett.,11,662(1986))。テーパ化なしでは、ラマン周波数シフトは、一般に２．００μｍ前後に制限され、この２．００μｍは、周波数逓倍後でもＹｂファイバ増幅器の利得バンド幅と一致しない。

この特別の例では、それぞれ６μｍと４μｍのコア経をもつ３０ｍと３ｍの長さのシリカ‘ラマン’ファイバ（１．５６μｍで単一モード）からなる２段階ラマンシフタ１０が実装される。シリカの赤外吸収端の始まりが２．０μｍであることにより、ラマンシフタ１０の終端方向にテーパ化する率を増加することが有利である。当例では、１．５７μｍから２．１０μｍへの変換効率２５％以上が得られている。なめらかに変化するコア経をもつ、より多数のファイバを使うか、あるいはなめらかに変化するコア経をもつ単一のテーパ化ファイバを実装することで、よりよい変換効率が得られる。

ラマンシフトしたパルスの１．０５μｍ領域への周波数変換は、適当に選定されたポーリング周期をもつ一本の周期的にポールしたＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）結晶１１で行われる。（この仕様全てに渡り、周波数変換用の好ましい材料は、ＰＰＬＮであると示されているが、他の周期的にポールしたＰＰリチウムタンタレート、ＰＰ ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３，ＰＰ ＫＴＰのような強電性光学材料あるいはＫＴＰ異種同形体の周期的にポールした結晶も有利に使用されることが理解されるべきである。）ＰＰＬＮ結晶１１との結合は、図２にレンズ１２と示されたレンズシステムを使って行われる。ＰＰＬＮ結晶１１の出力は、レンズ１２で出力ファイバ１３に結合される。２．１μｍの周波数逓倍の場合１６％の変換効率が得られ、結果的に１μｍの波長領域で４０ｐＪまでのパルスエネルギをもたらす。周波数変換されたパルスのスペクトル幅は、ＰＰＬＮ結晶１１の長さの適当な選択で選定される、たとえば、１３ｍｍの長さのＰＰＬＭ結晶は、約８００ｆｓのパルス幅に対応する１．０５μｍ領域での２ｎｍのバンド幅を生成する。発生されたパルス幅は、おおよそＰＰＬＮ結晶の長さに比例する。すなわち、４００ｆｓのパルス幅をもつ周波数変換されたパルスは、長さ６．５ｍｍのＰＰＬＮを必要とする。このパルス幅縮小は、周波数変換されたパルス幅が、約１００ｆｓに達するまで続けられ、ラマンシフトしたパルスの制限された１００ｆｓのパルス幅は、さらなるパルス幅の減少を制限する。

さらに、周波数変換されたパルス幅がラマンシフトしたパルスのパルス幅より十分長いとき、ラマンパルスの広いバンド幅は、周波数変換されたパルスの波長同調を可能にするために活用される。すなわち、有効な周波数変換は、周波数で２（ω１−δω）から２（ω１＋δω）までのパルス範囲にとって得られる。ここで、２δωは、ラマンシフトしたパルスのスペクトルの最大値の半分でのスペクトル幅である。ここでの連続波長同調は、周波数変換結晶１１の温度を調節することで簡単に行われる。

ラマンシフタ、ＰＰＬＮ結晶の組み合わせ、の増幅されたノイズは、次のように最小化される。Ｅｒファイバレーザパルス光源の自己制限ラマンシフトは、ラマンシフトをシリカベースの光ファイバでの２μｍより大きい方に拡張することで使用される。２μｍ以上の波長の場合、シリカの赤外吸収端がパルスを大きく減衰し始め、ラマンシフトの制限や増幅変動の減少をもたらす。すなわち、１．５μｍでの増加したパルスエネルギは、より大きなラマンシフトや２μｍの波長領域でのより大きな吸収に移るのに役立ち、この増加は、したがってこの領域でのラマンシフトしたパルスの振幅を安定させる。

あるいは、非線形周波数変換プロセスのノイズは、自己制限周波数逓倍を行うことで最小化され、その場合、逓倍結晶の同調曲線の中心波長は、ラマンシフトしたパルスの中心波長より短い。再び、１．５μｍ領域での増加したパルスエネルギは、より大きなラマンシフトに移り、減少した周波数変換効率を引き起こし、したがって、周波数逓倍したパルスの振幅が安定化される。したがって、入力パワーが大きな変化しても一定の周波数変換されたパワーが得られる。

これが図３に示されおり、ここで、１μｍ波長領域での周波数変換された平均パワーが、１．５６μｍでの平均入力パワーの関数として示されている。自己−制限周波数逓倍は、図３にも示すように、１μｍの波長領域での周波数シフトが１．５６μｍの波長領域での平均入力パワーに依存しないということを確実にもする。

ＰＳＭ２にはいくつかの選択できる物がある。図１に示すように、ＰＳＭとして一本のファイバ（拡張ファイバ）が使用されるとき、システムからバンド幅限界に近いパルスを得るために、適当な分散遅延ラインがＰＣＭ４に使用される。しかしながら、ＰＣＭ４の分散遅延ラインが、図４に示すようにバルクの回折格子１４から構成されると、問題が生じうる。２次と３次の比｜３／２｜次分散は、１μｍの波長領域で動作する典型的な階段状屈折率分布光ファイバでの２次と３次の比｜３／２｜次分散に比べて、回折格子型分散遅延ラインで１−３０倍大きい。さらに、１μｍの波長領域で動作する低開口数をもつ標準的な階段状屈折率分布ファイバの場合、ファイバでの３次分散の符号は回折格子型分散遅延ラインでの符号と同じである。このように、回折格子型拡張器と合同してファイバ拡張器は、システムでの３次および高次分散の補償ための予備手段にならない。

１０倍以上のパルス拡張を行うためには、３次および高次分散の制御が、ＰＣＭ４での最適なパルス圧縮に重要になる。この問題を打破するために、ＰＳＭ２の拡張ファイバ６が、Ｗ状多クラッド屈折率分布をもつファイバ、すなわち、‘Ｗ−ファイバ’（B.J.Ainslie et al）あるいはホーリファイバ（T.M.Monroe etal.,‘Holey Optical Fibers’An Efficient Modal Model,J.Lightw.Techn.,vol.17,no.6,pp.1093-1102）と置き換えられる。Ｗ−ファイバとホーリファイバの両方は、２次、３次、および高次の分散の調整可能な値を許可する。Ｗおよびホーリファイバで可能な小さいコアサイズにより、標準的な単一モードファイバでの値より大きな３次分散の値が得られる。実装は、図１に示されているのに類似しており、別々には表示されない。そのようなシステムの優位性は、ＰＳＭが純粋に透過型で動作するということである。すなわち、ＰＳＭは反射型で動作する分散ブラッグ回折格子の使用を避け、異なるシステム構成のためにシステムに接続及び取り外しされる。

２次、３次、および４次分散の調整可能な値をもつ別のＰＳＭ２が図５に示されている。ＰＳＭ２０ａは、通常の階段状屈折率分布光ファイバが、正、ゼロ、あるいは、負いずれかの３次分散を作ることができるという原理に基づいている。ファイバでの最も高い３次分散の値は、ファイバの最初の高次モード、カット−オフ近くのＬＰ_１１モード、を使うことで作られる。図５で、ＰＳＭ２０ａの４次と３次分散は、パルス拡張ファイバの３区間１５、１６、１７を使うことで、調整される。最初の拡張ファイバ１５は、ゼロの３次と適切な４次分散をもつ一本のファイバである。最初の拡張ファイバ１５は、２番目の拡張ファイバ１６に接続され、全チャープパルス増幅システムはもちろん、回折格子圧縮器の３次分散を補償するために選定される。ＬＰ_１１モードの３次分散の優位性を確保するために、最初の拡張ファイバ１５は、２番目の拡張ファイバ１６と互いのファイバ中心でオフセットをもって接続され、２番目の拡張ファイバ１６でのＬＰ_１１モードの主な励起をもたらす。２番目の拡張ファイバ１６での３次分散の値を最大化するためには、高開口数ＮＡ＞０．２０をもつファイバが望ましい。ＬＰ _１１ モードを３番目の拡張ファイバ１７の基本モードにもどすため、２番目の拡張ファイバ１６の終端部で類似の接続技術が使われる。ファイバの適切な選定によって、全増幅器、圧縮器の４次分散が最小化される。３番目の拡張ファイバ１７は、無視できる分散をもち、短くできる。

光学的なモード変換器の使用なしでＬＰ_１１モードからＬＰ_０１モードへのパワー伝搬を行うことで受ける避けられない５０％あるいはそれ以上の損失により、全ファイバ拡張器アッセンブリの伝搬損失は、少なくとも２５％である。２番目の拡張ファイバのＬＰ_０１モードの残余のエネルギは、図５に示すように、選択できる反射型ファイバ格子１８で反射される。基本モードと次の高次モードとの間の有効屈折率の大きな差により、二つのモード間で回折格子共鳴波長が１０−４０ｎｍの間変化し、１０−４０ｎｍの間のスペクトル幅をもつパルスでは一方のモードを他方に対して選択的に排除することを許容する。

ファイバ拡張器アッセンブリのエネルギ損失は、３番目の拡張ファイバ１７をＹｂ増幅器に同調させることで、小さくされる。この実装は、別々には示されない。

４次分散が大きくないとき、最初の拡張ファイバ１５は取り除かれる。３次と４次分散が最初と２番目の拡張ファイバの間で異なりさえすれば、４次分散もゼロでない３次分散をもつ最初の拡張ファイバを使用することで、補償される。

ＡＭ１３の内部のＹｂ添加ファイバは、Ｙｂ添加レベルが２．５モル％で、長さが５ｍである。単一モードおよび多モード両方のＹｂ添加ファイバが使用され、出力ビームの空間的品質を最適化するために、多モードファイバの場合基本モードが励起されるが、ファイバのコア径は、１−５０μｍ間で変化する。必要とされる利得の値に依存して、異なる長さのＹｂ添加ファイバが使用される。最も高い可能なパルスエネルギを発生させるために、長さ１ｍのＹｂファイバが実装される。

パルス圧縮は、ＰＣＭ４で行われる。ＰＣＭ４は、通常のバルク光学部品（図４に示すバルク回折格子対のような）、単一回折格子圧縮器、あるいは、多数の分散プリズムやグリズム、その他の分散遅延ラインを含む。

あるいは、ファイバやバルクブラック回折格子あるいはチャープした周期的にポールした結晶が使用される。チャープした周期的にポールした結晶は、パルス圧縮と周波数逓倍の機能を結びつけ（A.Galvanaskas,et al.,‘Use of chirped quasi-phase matched materials in chirped pulse amplification systems’U.S.Application No.08/822,967,その内容は、ここに参考文献で具体化されている）、透過型で動作し、独自のコンパクトなシステムを提供する。

本発明に対する他の変更や修正は、これまでの開示や教示からの技術に熟練したものに明白である。

特に、ＳＭ１は、周波数領域１．５２−２．２μｍのバンド幅近くに限定されたフェムト秒パルスを作るための自立ユニットとして使われ、非線形結晶での周波数変換後に周波数領域７６０ｎｍ−１．１μｍのパルスを作るのにも使われる。周波数領域は、フッ化ラマンシフトファイバあるいはシリカより長い赤外吸収端をもつ他の光ファイバを使うことでさらに拡大される。この技術を使って、約３−５μｍ以上の波長が達成される。周波数逓倍と共に、７６０ｎｍから５０００ｎｍ、までの連続同調が達成される。２μｍ領域のパルスパワーは、ＴｍあるいはＨｏ添加ファイバを使うことで、さらに高められる。そのような増幅器で、バンド幅限界近くの１０ｎＪを超えるパルスエネルギをもつラマン−ソリトンパルスが、２μｍの波長領域の単一モードファイバに供給される。周波数逓倍後、数ｎＪのエネルギをもつフェムト秒パルスが、分散パルス圧縮器の使用なしで、１μｍ領域で得られる。そのようなパルスは、大きなコアの多モードＹｂ増幅器のために高エネルギシードパルスとして使用され、多モードＹｂ増幅器は、増幅された自然放出を抑えるために単一モードＹｂ増幅器より高いシードパルスエネルギを必要とする。

シリカラマン−シフタ２０、Ｔｍ添加増幅器２１および第２のフッ化ガラスベースラマンシフタ２２をもつＥｒファイバレーザパルス光源１９と組み合わせた超広波長可変ファイバ光源の一例が図６のＳＭ１ｃに示されている。選択できる周波数逓倍器は示されていない；最適な安定性のために、全てのファイバは偏光保持でなければならない。Ｅｒファイバレーザパルス光源に代わる別のものとして、Ｅｒ増幅器をもつダイオードレーザパルス光源の組合せが使われる；これは分離して示されない。

ＳＭの別の代わりとして、ＳＭ１ｄが図７に示されており、ラマンシフトホーリファイバ２４と合同して周波数逓倍高パワー受動型モードロックＥｒあるいはＥｒ／Ｙｂファイバ発振器２３を有する。ここで、１．５５μｍの波長領域で動作する発振器２３からのパルスは、周波数逓倍器２５とレンズ系２６を使って最初に周波数逓倍され、その後周波数逓倍されたパルスは、７５０ｎｍ以上の波長あるいは少なくとも８１０ｎｍ以上の波長に対してソリトン維持分散を与えるホーリファイバ２４でラマンシフトされる。１μｍ波長帯あるいは１．３、１．５、２μｍ波長帯でラマンシフトしたパルスを増幅し、且つ異なるデザインのラマンシフトファイバを選定することで、波長領域が約７５０ｎｍから５０００ｎｍの間で動作する連続的に可変な光源が作られる。多数の付属増幅器２７をもつそのような光源のデザインも図７に示されている。

最適なラマン自己−周波数シフトのために、ホーリファイバ分散が、波長の関数として最適化されなければならない。ホーリファイバの３次分散の絶対値は、シリカの３次材料分散の絶対値以下か、あるいは等しくなければならない。これは、同調波長範囲の大部分において２次分散の絶対値が小さくとどまることを確実にすることに役立つ。さらに２次分散の値は負でなければならず、２次分散ゼロはシード入力波長から３００ｎｍ以内でなければならない。

Ｙｂ増幅器用シード光源の別の代替物として、反ストークスファイバでの反ストークス発生が使用される。反ストークス発生後、広い波長可変光源を作るために、付加的長さのファイバ増幅器とラマンシフタが使用される。一般的な構成は、図７に示されているものに類似している、ここで、周波数逓倍手段２５は省略され、ラマンシフタ手段２４は反ストークス発生手段と置き換えられる。たとえば、１．５５μｍで動作するＥｒファイバレーザシード光源を使った反ストークス発生手段で１．０５μｍ波長帯の光を効率よく発生するためには、小さいコアと低い値の３次分散をもつ光ファイバの形をした反ストークス発生手段が最適である。３次分散の低い値は、ここでは、１．５５波長領域での標準的な電子通信ファイバの３次分散の値に比べて小さい３次分散の値と定義される。さらに、反ストークスファイバの２次分散の値は、負でなければならない。Ｙｂ増幅器の別の代替シード光源として、受動モードロックＹｂあるいはＮｄファイバレーザがＳＭ内部に使用される。好ましくは、負分散で動作するＹｂソリトン発振器が使用される。Ｙｂソリトン発振器を作るために、図８に示すように、出力ファイバ３６に接続されたチャープファイバ格子２９によって負共振器分散が共振器内に導入される；あるいは、ホーリファイバ（T.Monroe,et al）のような負分散ファイバがＹｂソリトンレーザ共振器に使用される。そのような配列を具体化するＳＭが、図８中に１ｅとして示されている。ここで、Ｙｂファイバ３０は、偏光保持で、偏光子３１がファイバ（結合がレンズ３２で達成されている）の一つの軸に沿う発振を選ぶために組み入れられる。簡単のために、Ｙｂファイバ３０は、図８に示すように、側方からクラッドポンプされる。しかしながら、通常の単一モードファイバを組み入れる受動モードロックＹｂファイバレーザも使われる。そのような配列は別々に示されていない。図８ではSA２８は短光パルス形成を誘導するために使われる。回折格子３５は、分散制御のために使用され、また、内部共振器ミラーとして使用される。ポンプダイオード３３は、Ｖ溝３４を通してポンプ光を供給する。

ホーリファイバを組み入れる配列は図８に示したシステムとほとんど同じであり、ここで付加的なホーリファイバは共振器のどこかに接続される。ホーリファイバを組む入れる場合、ファイバブラッグ回折格子が負分散をもつ必要はなく、同様にブラッグ回折格子は誘電体ミラーで置き換えられる。

実施するのに最も簡単なものは、しかしながら、正分散で動作するＹｂ発振器であり、それは、共振器分散を制御するために負分散ファイバブラッグ回折格子あるいは、ホーリファイバのような特別の共振器要素を必要としない。‘放物線状’Ｙｂ増幅器（あるいは通常のＹｂ増幅器）と共に、高パワーＹｂ増幅器システムのための非常にコンパクトなシード光源が得られる。Ｙｂ増幅器４０をもつそのようなＹｂ発振器が図９に示されており、ここで、好ましくは、Ｙｂ増幅器４０は後に議論するような‘放物線状’Ｙｂ増幅器である。図８中と同じ要素には同じ番号が付与されている。

図９の中のＳＭ１ｆは、図８に関して記述されたような側方ポンプＹｂ増幅器４０を有するが、他のポンピング配列も実装されている。Ｙｂファイバ４４は、当然偏光保持で、偏光子３１が単一の偏光状態を選ぶために挿入される。ファイバブラッグ回折格子３７は、Ｙｂの利得バンド幅に比べ小さな反射バンド幅をもち、Ｙｂの利得バンド幅に比べ小さなバンド幅をもつパルスの発振を確実にする。ブラッグ回折格子３７はチャープされるか、あるいはチャープされない。チャープされないブラッグ回折格子の場合、Ｙｂ発振器内で発振するパルスは、正にチャープされる。Ｙｂ発振器内でのパルス発生あるいは受動モードロックは、可飽和吸収体２８で始められる。光ファイバ３９は付加的で、Ｙｂ増幅器４０に送り出されたパルスのバンド幅をさらに制限する。

ＳＭ１ｆ内のＹｂ増幅器４０内の放物線状パルスの形成を最適化するために、入力パルスはＹｂの利得バンド幅に比べ小さいバンド幅をもつべきである；またＹｂ増幅器４０への入力パルス幅は、出力パルス幅に比べ小さくなければならないし、Ｙｂ増幅器４０の利得はできるだけ高く、すなわち、１０以上でなければならない。また、Ｙｂ増幅器４０内の利得飽和は小さくなければならない。

放物線状増幅器の一例として、長さ５ｍのＹｂ増幅器が使用される。放物線状パルスの形成は、約０．２−１ｐｓのパルス幅と３−８ｎｍのスペクトルバンド幅とをもつシード光源を使用することで確実にされる。放物線状パルスの形成は、Ｙｂ増幅器４０内でシード光源のバンド幅を約２０−３０ｎｍまで広げるが、出力パルスは、約２−３ｐｓに広げられる。放物線状パルス内でのチャープが高度に線形であるので、圧縮後に１００ｆｓオーダのパルス幅が得られる。標準的な超高速固体増幅器が許容できる自己位相変調からの非線形位相シフトは大きくてもｐｉ（最近の技術で良く知られた）だけであるが、放物線状パルスファイバ増幅器は、１０＊ｐｉおよびそれ以上の大きさの非線形位相シフトを許すことができる。簡単のために、我々は高利得Ｙｂ増幅器を放物線状増幅器と呼ぶ。放物線状増幅器は単純な縮尺則に従い、増幅器長を適当に増やすことで、１ｎｍあるいはそれ以下のスペクトルバンド幅をもつ放物線状パルスの発生を可能にする。たとえば、約２ｎｍのスペクトルバンド幅をもつ放物線状パルスが、約１００ｍの長さの放物線状増幅器を使用することで発生される。

放物線状パルスが自己変調の大きな値と、パルスの中断を招くことなしのスペクトル拡張の大きな値とを許すことができるので、放物線状増幅器のピークパワー能は、標準的な増幅器に比べ大きく高められる。これは次のように説明される。長さＬの光ファイバでの自己位相変調で受けた時間依存位相遅れΦｎｌ（ｔ）はピークパワーに比例する、すなわち、Φ_nl（ｔ）＝γＰ（ｔ）Ｌ、ここで、Ｐ（ｔ）は光パルス内での時間依存ピークパワーである。周波数変調は位相変調の導関数で与えられ、すなわち、δω＝γＬ［∂Ｐ（ｔ）／∂ｔ］。放物線状パルスプロファイルＰ（ｔ）＝Ｐ₀［１−（ｔ／ｔ₀）²］、ここで、（−ｔ₀＜ｔ＜ｔ₀）の場合、周波数変調は線形である。それで、実にパルスプロファイルも放物線状のままであり、線形周波数変調と線形パルスチャープの発生のみを伴う大きなピークパワーの発生を可能にすることが示されている。

Ｙｂ増幅器４０で発生されたチャープパルスは、図４に示すような回折格子圧縮器を使って圧縮される。あるいは、チャープした周期的にポールした結晶４２とレンズ４１が、図９に示されるように、パルス圧縮のために使われる。図９に示すＳＭ１ｆと関連して、約５３０ｎｍのグリーンスペクトル領域でのフェムト秒パルスを出す非常にコンパクトな自立光源が得られる。

図９に示す受動モードロックＹｂファイバレーザ４４のほかに、Ｙｂ増幅器にシードするために別の光源も使われる。これら別の光源は、ラマンシフトＥｒあるいはＥｒ／Ｙｂファイバレーザ、周波数シフトＴｍあるいはＨｏファイバレーザおよび、ダイオードレーザパルス光源から成りうる。これら別の実装物は別々に示されない。

図１０でファイバ供給モジュール（ＦＤＭ）４５が図１に示す基本システムに加えられる。この場合ＰＳＭ２は除かれる；しかしながら、増幅モジュールのピークパワー能を高めるためにＰＳＭ２は必要なとき含まれる。図１０に示すＹｂ増幅器７は非放物線状、放物線状の両方で動作できる。

最も簡単な構成では、ＦＤＭ４５が一本の光ファイバ４６（供給ファイバ）からなる。放物線状増幅器の場合、供給ファイバ４６はパルス品質での損失を招くことなくＹｂ増幅器７に直接接続される。むしろ、放物線状パルスプロファイルにより、沢山の自己位相変調の場合でも、ＰＣＭ４でのさらなるパルス圧縮を可能にするパルスに近似的に線形なチャープが付加される。ＰＣＭ４は、図４に示す小寸法バルク回折格子圧縮器１４を使って供給ファイバと共にＦＤＭ４５に集積化される。この場合、適当なコリメートレンズと接続する供給ファイバは、図４に示す入力と置き換えられる。そのような実施の別々の図は示されてない。しかしながら、ＰＣＭ４の使用は付随的で、たとえば、チャープ出力パルスがシステムから要求されるなら、省かれる。ＰＣＭ４と共に、図１０に記載されたシステムは、派生的なチャープパルス増幅システムを構成し、ここで、パルスが時間に関して分散的に広げられる間、利得はもちろん自己位相変調も加えられる。通常のチャープパルス増幅システムに自己位相変調を付加することは、一般的にパルス圧縮後に大きなパルス変形をもたらす。放物線状パルスの使用はこの制限を打破する。

先端ファイバ光通信システムは、チャープパルス増幅システムと解釈される（たとえば、D.J.Jones et al.,IEICE Trans.Electron .,E81-C,180(1998)参照）。明らかに、放物線状パルスによるパルス変形の最小化は、光通信システムに等しく関連する。

５０ｆｓより短いパルス幅を得るためには、ＦＤＭモジュールあるいは光ＰＳＭ内の３次および高次の分散の制御が重要になる。ＰＳＭでの高次分散の制御は、図１と５に関連して既に議論された；ＦＤＭの高次分散の制御は、非常に類似しており、図１１に示すＦＤＭ４５ａの模範的な実施例で議論される。図１に丁度示すように、大きな３次分散のＷ−ファイバがバルクＰＣＭ４の３次分散を補償するために使用される。図５に丁度示すように、ＦＤＭの高次分散に対して異なる値をもつファイバ１５、１６、１７を使うことで、バルク回折格子を有するＰＣＭ４を含む全システムの高次分散が補償される。

ＰＳＭの別の実施例が図１２及び図１３に示されており、それらはＰＳＭに市場で入手できる線形チャープファイバブラッグ回折格子を使用できるようにするような実際的な価値をも持ち、ＰＣＭもＰＳＭも有する全チャープパルス増幅システムの高次分散を補償する。別の代替物として、非線形チャープファイバブラッグ回折格子もＰＣＭの分散を補償するためにＰＳＭに使用される。そのような配列は分離して示されていない。

Ｗ−ファイバの使用あるいはＰＳＭでのＬＰ_１１モードを避けるために、図１２に示すようなＰＳＭの別の実施例がＰＳＭ２ｂとして示されている。ここで負の線形チャープブラッグ回折格子４７が、負の３次分散をもつ単一モード拡張ファイバ４８とサーキュレータ４９と接続して使用される。負の線形チャープブラッグ回折格子の導入は、ＰＳＭ２ｂでの比（３次／２次）分散を増大させ、バルク回折格子圧縮器が使用されるとき、ＰＣＭ４での３次分散の高い値の補償を可能にする。ＰＳＭ２ｂは、ＰＳＭの柔軟性をさらに改善するために線形チャープファイバブラッグ回折格子と接続したＷ−ファイバを含むこともできる。

高次分散補償用ＰＳＭの別の実施例として、図１３に配列がＰＳＭ２ｃとして示されており、それは、正の線形チャープファイバブラッグ回折格子４９、サーキュレータ５０、および別のファイバ透過型回折格子５１を有する。ここで、ＰＣＭモジュール内の線形および高次分散を補償するために、正の線形チャープファイバブラッグ回折格子４９は、正の２次分散を作り、他のファイバ透過型回折格子５１は、適当な値の付加的な２次、３次、４次分散を作る。一つ以上のファイバ透過型回折格子あるいはファイバブラッグ回折格子が、３次、４次およびできればより高次の分散の適当な値を得るために使用される。

Ｙｂ増幅器からの増幅されたパルスエネルギをｍＪのオーダおよびそれ以上まで増大させるために、パルス採集素子とさらなる増幅段が図１４に示すように実装される。この場合、パルス採集器５２は最初の増幅段ＡＭ１ ３ａと２番目の増幅段ＡＭ２ ３ｂの間と、ＰＳＭ２と最初の増幅モジュールＡＭ１ ３ａの間とに挿入される。任意の数の増幅器とパルス採集器が、最も高い可能な出力パワーを得るために使われ、ここで、最後の増幅段は好ましくは、多モードファイバからなる。回折限界出力を得るために、多モード増幅器の基本モードが選択的に励起され、よく知られた技術（M.E.Fermann et al.,United States Patent,No.5,818,630）を使ってガイドされる。パルス採集器５２は、一般的に音響−光学あるいは電気−光学変調器のような光変調器からなるように選択される。パルス採集器５２は、ＳＭ１から出てくるパルスの繰り返し周期を与えられた値（たとえば、５０ＭＨｚから５ＫＨｚへ）だけ低下させ、平均パワーは小さいままで非常に高いパルスエネルギの発生を可能にする。あるいは、直接スイッチできる半導体レーザも、システムの繰り返し周期を任意の値に固定するために使用される。さらに、後方の増幅器段に挿入されたパルス採集器５２は増幅器での増幅された自然放出の増強を抑えもし、高エネルギ超短パルスに出力パワーを集中させることを可能にする。増幅段は、以前議論したようなＰＳＭやＰＣＭと合致しており、ここでは、全システムの分散がシステムの出力で最も短い可能なパルスを得るために最小化される。

増幅器モジュールＡＭ１ ３ａは、放物線状スペクトルをもつパルスを生成する放物線状増幅器のようにデザインされる。同様に、ＡＭ１ ３ａからの放物線状パルスは、図１４にも示されるようなパルス成形あるいはパルス拡張ファイバ５３で放物線状パルススペクトルをもつパルスに変換され、ここで、自己位相変調と正分散の相互作用がこの変換をうまく行う。これは理解されるであろう、なぜなら、放物線状パルスプロファイルをもつチャープパルスが一本のファイバ中で放物線状スペクトルをもつ放物線状パルスに進化することができるからである。放物線状パルス形状は、次の増幅段でかなりの自己位相変調の量を最大化し、順番に、ＰＳＭ２とＰＣＭ４で必要とされる分散パルス拡張と圧縮の量を最小化する。同様に、放物線状パルス形状は、大きなパルス変形なしに、ＰＳＭ２での十分な量の自己位相変調を許容することを認める。

一度パルスが拡張されると、次の増幅器での自己位相変調の有害な影響は、平らなパルス形状を使うことで最小化される。平らなパルス形状は、平らなパルススペクトルを生成するために、図１４に示すような 光振幅フィルタ５４を最後の増幅モジュールの前に挿入することで生成される。平らなスペクトルは、十分なパルス拡張の後、本当に平らなパルスに変換される、なぜなら、十分なパルス拡張の後のスペクトル含有量と時間遅れの間には直接の関連があるからである。自己位相変調の値が１０＊πと同じ大きさでも、大きなパルス変形を招くことなく平らなパルス形状に対して許容される。

図１４に示すような振幅フィルタも、増幅器でのパルススペクトルの再形成が無視できるとき、すなわち、放物線状パルスが発生される体制の外側で、自己位相変調の存在で強くチャープしたパルスに対する増幅器チェーンでの高次分散を制御するために使用される。この場合、自己位相変調は、かなりの量の次式で表される高次分散を生成する：β_n ^SPM＝γＰ₀Ｌ_eff［ｄⁿＳ（ω）／ｄωⁿ］ω_=0,ここで、Ｐ₀はパルスのピークパワーであり、Ｓ（ω）は規格化されたパルススペクトルである。Ｌ_effハ有効非線形長で、Ｌ_eff=［ｅｘｐ（ｇＬ）−１］／ｇ、ここで、Ｌは増幅器長で、ｇは単位長さ当たりの増幅器利得である。したがって、図１４に示すような振幅フィルタで強くチャープしたパルスのスペクトルを正確に制御することで、任意の量の高次分散がチャープパルス増幅システムでの高次分散の値を補償するために導入される。それは、約１ｎｓに拡張した５００ｆｓパルスに対して本当に示された、〜１０πの位相シフトは、１８００本／ｍｍの溝をもつバルク格子からなるバルク圧縮器（図４に示すような）の３次分散を補償するために十分である。魅力的な制御性のよい振幅フィルタは、たとえば、ファイバ透過型回折格子であるが、任意の振幅フィルタが、パルススペクトルを制御するために、高次分散を引き起こす増幅器の前に使用される。

パルス採集器をもつ増幅器モジュールの組合せに対する別の実施例として、図１５に示す構成が使用される。非常に高いエネルギのパルスは、それらの増幅のために大きなコアの多モードファイバを必要とするので、シングル−パスの偏光保持ファイバ増幅器で基本モードを制御することは困難である。この場合モード結合を最小化するためと高品質の出力ビームを得るために、高度に中心対称の非偏光保持ファイバ増幅器を使うことが好ましい。そのような増幅器から決定論的な環境に対して安定な偏光を得るために、図１５に示すようなダブル−パス構成が要求される。ここで、単一モードファイバ５５が増幅器５６の最初のパスの後に空間モードフィルタとして使用される；あるいは、ここに開口が使用される。空間モードフィルタ５５は、多モード増幅器５６の最初のパスの後のモードを綺麗にし、多モード増幅器の達成可能な利得を制限しがちな高次モードの増幅された自然放出を抑える。レンズ６０は、増幅器５６、空間モードフィルタ５５、およびパルス採集器５２ａ、５２ｂに結合出入りするために使用される。ファラディ回転子５７は、後方伝搬光が前方伝搬光と直交するように偏光されることを確実にし、後方伝搬光は、図示した偏光ビームスプリッタ５８でシステムの外に出される。システムの効率を最適化するために、システムの入力部で多モードファイバ５６の基本モードに回折限界近い光源が結合され、ここで、利得ガイドが多モードファイバで増幅されたビームの空間的品質をさらに改善するために使用される。ＳＭから供給されるパルス列繰り返し周期を小さくするためと多モード増幅器での増幅された自然放出を抑えるために、第１光変調器５２ａが多モード増幅器の最初のパスの後に挿入される。理想的な場所は図示するように反射ミラー５９の前である。結果として、６０−７０ｄＢの大きさのダブル−パス利得がそのような構成で得られ、ｐＪエネルギをもつシードパルスをｍＪエネルギレベルまで増幅することから要求される増幅段の数を最小化する。この種の増幅器は、以前議論したようなＳＭ_Ｓ、ＰＳＭ_ＳおよびＰＣＭ_Ｓと完全に合致し、ｍＪのエネルギをもつフェムト秒パルスの発生を可能にする。高利得増幅器モジュール構築の別の代替物として、ＳＭで供給されるパルス列の繰り返し周期を低下させることが、図１５に示すような増幅器モジュールに注入する前に、付加的な第２変調器５２ｂで行われる。第１変調器５２ａの透過窓の繰り返し周期は、第２変調器５２ｂの透過窓の繰り返し周期と同じかそれより低くなければならない。そのような構成は、別々には示されていない。図１５は、ここに参考文献として添付された米国特許５，４００，３５０の図５といくつかの類似性を共有する。

本発明の別の実施例として、長い分布屈折率型正分散増幅器６１での放物線状パルスの形成を使う光通信システムが図１６に示されている。分散補償素子６３が、ファイバ光増幅器の間に挿入される。光学フィルタ６２が増幅器でのパルス形成プロセスを最適化するために、さらに実装される。光フィルタは、繰り返し透過スペクトル特性をもつように、限定された自由スペクトル範囲をもつ光学エタロンに基づいており、波長分割多重で要求されるような多波長チャンネルの同時透過を可能にする。

キーとなる有利なことは、ファイバ透過システムの光カー非線形性で導入されるチャープを線形化するために、長い正分散ファイバの大きな利得を組合せることである。したがって、一般に、光通信システムの透過特性は、正分散（非ソリトン支持）増幅器を実装することで、改善される。そのような増幅器は、少なくとも１０Ｋｍの長さをもち、１０ｄＢ／Ｋｍ以下の利得をもつ。光学非線形性の有害な効果を最小化するための放物線状パルス形成の始まりを利用するために、増幅器当たりの総合利得は１０ｄＢを超えることができる。さらなる改善は、３ｄＢ／Ｋｍ以下の利得をもち、総合利得が２０ｄＢ以上であるように全長を長くした増幅器を使うことで増進される。ファイバ透過ラインの透過特性のさらなる改善は、ファイバ透過ラインの負分散素子のカー非線形性の量を最小化することで得られる。これは負分散素子のためにチャープファイバ回折格子を使用することで達成される。

透過ラインでの放物線状パルスの形成に加えて、外部光源で放物線状パルスを発生させること、そしてそれらを非ソリトン支持増幅器ファイバに注入することも有利である。そのようなシステムを有効に使用するために、ホーリファイバで可能にされた低損失正分散透過が有益である。ファイバ透過ラインに沿ってとファイバ透過ライン端とに分散補償素子が実装される。そのようなシステムの実施は、図１６に示すものに類似しており、別々には示されていない。上述のような類似のデザインをもつ光通信システムは、ここに参考文献として添付された暫定出願Ｎｏ．６０／２０２，８２６に開示されている。

電気通信領域における本発明の別の実施例として、波長可変ラマン増幅器がラマンシフトパルスを使って構築される。与えられたポンプ波長の高パワー光信号がポンプ波長に関してレッドシフトした信号波長のラマン利得を作るということは、最近の技術でよく知られている。事実、それは、ここで議論された波長可変パルス光源の構築に使用されるポンプパルス自身に作用する効果である。

波長可変ラマン増幅器の一般的なデザインが図１７に示されている。ここで、短い光パルスはシード光源で作られる。シードパルスは変調器６５で光学的に変調され、光増幅器６６で増幅される。シードパルスは次に一本のラマンシフトファイバ６７に注入される。ラマンシフトファイバは一本のホーリファイバあるいはその他のデザインのファイバである。ラマンシフトパルス間の時間周期は、図１７に示すようなパルス分割手段（ポンプパルス分割器）６８を使って減少される。このパルス分割手段は、たとえば、不均衡なマッハ−ツェンダ干渉計のアレイであるが、単一パルスからパルス列を発生させる任意の手段が受け入れられる。適当に波長シフトした増幅され変調されたシードパルスは、ラマン増幅器６９に注入されるポンプパルスを含み、信号入力７０で動作し、信号出力７１を作るために、図１７に示すように、ラマン増幅器で信号波長の光利得を発生する。

ラマン増幅器ファイバ内で、信号波長での光信号は、ラマン増幅器のポンプパルスと反対方向に伝搬する。いくつかの信号波長も信号結合器を使ってラマン増幅器に注入され、そのような増幅器を光波長分割多重に合致するようにする。たとえば、波長１４７０ｎｍのポンプパルスは、シリカファイバ中で１５６０ｎｍの波長領域近辺でのラマン利得を生成する。ラマン増幅器の利得を最適化するために、ホーリファイバあるいは相対的に小さいファイバコアをもつその他のファイバが使用される。

ラマン利得が得られる波長の中心波長は、ポンプパルスの波長を同調することで同調される。ポンプパルスの波長同調は、ラマンシフタファイバ６７に注入される前にシードパルスの幅とパワーとを変調することで達成される。

さらに、ラマン増幅器の利得スペクトルはポンプパルスの波長を高速に同調することで調整され、信号パルスは、有効に変更されたラマン利得スペクトルに合わされる。有効なラマン利得が時間に依存しないことを確かめるために、ポンプパルスを同調するスピード、すなわち、必要な波長範囲にわたってパルスを同調するのにかかる時間周期は、信号パルスがラマン増幅器ファイバ６９を移動するのに要する時間に比べて小さくされなければならない。

このように、電気通信システムのラマン増幅器にとって、単一パルスからできる利得より広いスペクトル利得を得ることが有利である。異なる波長で伝搬される変化するデータ量を補償するために、ＷＤＭ電気通信システムの利得を動的に変えることができることも有利である。スペクトル利得を広げる一つの方法は、通信ファイバを伝搬する時間に比べてポンプ波長を早く同調することである。利得は、ポンプが異なる波長でとどまる時間を変えることで動的に調整される。利得スペクトルを調整する別の方法は、異なる波長ごとに複数のポンプパルスをラマンシフトファイバに使用することである。各波長ごとに相対的な数のパルスを変調することは、相対的な利得プロファイルを変更することを可能にする。

より具体的に言うと、図１に示されたフェムト秒パルス光源は、高パワーのためにＹｂ増幅器で増幅される。これらのパルスは、フェムト秒パルス光源の動作点より短い波長で零分散点をもつファイバで、１４００−１５００ｎｍ領域にラマン自己周波数シフトされる。このファイバはホーリファイバでもよい。１４００−１５００ｎｍ領域にラマン自己周波数シフトをもつワットレベルのパワーを達成するためには、光源の最適繰り返し周期が１Ｇｈｚ以上の高周波数であるべきである。利得スペクトル拡張と自動利得制御は、異なる量のラマンシフトを得るために、複数のポンプ波長を使用することで、ポンプ波長を同調することで、あるいは、パルス列の個々のパルスのパルス振幅を変調することで、得られる。

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関する高ピーク、高平均パワー、超短レーザパルス発生用のモジュール化したコンパクトな波長可変システムの図である。
【図２】本発明に使用するためのシードモジュール（ＳＭ）の第一実施例の図である。
【図３】本発明の第一実施例に関する与えられた入力パワーで出力される平均周波数逓倍パワーと波長の関係を示すグラフである。
【図４】本発明で使用するためのパルス圧縮器モジュール（ＰＣＭ）の第一実施例の図である。
【図５】本発明で使用するためのパルス拡張器モジュール（ＰＳＭ）の第一実施例の図である。
【図６】本発明で使用するためのシードモジュール（ＳＭ）の第二実施例の図である。
【図７】本発明で使用するためのシードモジュール（ＳＭ）の第三実施例の図である。
【図８】本発明で使用するためのシードモジュール（ＳＭ）の第四実施例の図である。
【図９】本発明で使用するためのシードモジュール（ＳＭ）の第五実施例の図である。
【図１０】ファイバ分配モジュール（ＦＤＭ）が、図１に示された本発明の実施例に付加された本発明の一実施例の図である。
【図１１】本発明で使用するためのファイバ分配モジュール（ＦＤＭ）の一実施例の図である。
【図１２】本発明で使用するためのパルス拡張器モジュール（ＰＳＭ）の第二実施例の図である。
【図１３】本発明で使用するためのパルス拡張器の第三実施例の図である。
【図１４】パルス採集素子と付加的増幅段が付加された本発明の一実施例の図である。
【図１５】パルス採集素子のような光変調器と組み合わせてファイバ増幅器が少なくとも一つの前方パスと一つの後方パスで動作する本発明の別の実施例の図である。
【図１６】光通信の面における本発明の別の実施例の図である。
【図１７】電気通信用波長可変ラマン増幅器の面における本システムの別の実施例の図である。

Claims (11)

1. ダイオードポンプされたＮｄ又はＹｂ受動モードロックファイバレーザと、可飽和吸収体と、を含み、１μｍ帯の波長におけるフェムト秒パルスを生成する、シード光源と、
   前記ファイバレーザの出力を増幅し、非線形位相シフトを許容するように構成され、放物線状パルスを生成可能な、Ｙｂファイバ増幅器と、
   前記受動モードロックファイバと前記Ｙｂファイバ増幅器との間に設けられた光学変調器であって、前記モードロックファイバレーザからのパルスの繰返し周期を低減し、前記Ｙｂ増幅器によって増幅された利用可能なパルスエネルギを増大させ、前記Ｙｂ増幅器による増幅のためのパルスの選択を提供するように制御可能な光学変調器とを備えたレーザシステム。
   
2. 前記シード光源と前記ファイバ増幅器との間のパルス拡張器と、前記ファイバ増幅器の出力に光学的に結合されたパルス圧縮器とをさらに備え、前記レーザシステムはチャープパルス増幅システムとして動作する請求項１に記載のレーザシステム。
   
3. 前記受動型モードロックファイバレーザは、多モードである、請求項１に関するレーザシステム。
   
4. 前記受動型モードロックファイバレーザは、偏光保持である、請求項１に関するレーザシステム。
   
5. 前記受動型モードロックファイバレーザは、単一モードで偏光保持である、請求項１に関するレーザシステム。
   
6. 前記シード光源は、前記ファイバ増幅器で放物線状パルスの生成を誘起するパルスを発生する、請求項１に関するレーザシステム。
   
7. 前記シード光源と前記ファイバ増幅器との間にあって、該シード光源を該ファイバ増幅器に結合し、１Ｋｍ以下の長さの光ファイバをもつ結合器をさらに有する請求項６に関するレーザシステム。
   
8. 前記ファイバ増幅器の出力に結合され、増幅されたパルスを前記Ｙｂファイバ増幅器から受け取る光ファイバをさらに有し、該Ｙｂファイバ増幅器及び該光ファイバは、前記パルスを時間に関して分散的に広げる一方で、自己位相変調及び利得を加える、請求項１に関するレーザシステム。
   
9. 前記光ファイバは、ホーリファイバ、一本の数モードファイバおよび一本あるいは二本の単一モードファイバに接続された一本の数モードファイバからなる群から選択される請求項８に関するレーザシステム。
   
10. 前記シード光源は、前記ファイバ増幅器で放物線状パルスの生成を誘起するように１００ｐｓより短いパルスを発生し、さらに、前記ファイバ増幅器は、１０より大きい利得をもつ、請求項１に関するレーザシステム。
    
11. 該パルス圧縮器の分散は、該パルス圧縮器がバンド幅限界に近いパルスを出力するようなものである、請求項２に関するレーザシステム。
    

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