JP6290077B2 - コンパクトな光周波数コム・システム - Google Patents

Description

本発明は、コンパクトな光周波数コム・システムおよびその例示的用途に関する。

高輝度で広帯域の光周波数コム源は、医学、分光法、顕微鏡検査、測距、感知および計測学に多くの用途がある。このような供給源は、高度に頑健で、長期安定性があり、大量市場用途向けに高度の光集積化を伴って部品数も最少である必要がある。特に、周波数拡大を併用する受動モード同期レーザ（ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ）または非線形性の強いファイバもしくは導波路におけるスーパーコンティニューム発生に基づく広帯域の光周波数コム源には、多くの関心が寄せられている。全ファイバのシステムを構築して、特に短パルス・ファイバレーザと併用すると、スーパーコンティニューム発生が可能であり、これは、製造手順の大幅な簡素化、低コストおよび高度な熱機械的安定性などの利点がもたらされる。

ファイバ・ベースのスーパーコンティニューム源は、紫外線から中間ＩＲのスペクトル出力を生成することができ、過去数年に幅広い研究がなされており、例えばＪ．Ｍ． Ｄｕｄｌｅｙら、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ （２０１０）を参照されたい。例えば約２．５〜１０．０μｍの波長領域の中間ＩＲに達するために、最近Ｊ．Ｈ．Ｖ． Ｐｒｉｃｅら、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅｒｒｉｔｙ ｉｎ ｓｏｆｔ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒｓ」、Ｊ．Ｍ． Ｄｕｄｌｅｙら、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ （２０１０）の第ＶＩ章で論評されているように、軟質ガラスまたは重金属酸化物ガラスがスーパーコンティニューム発生用に実現され得る。中間ＩＲで動作するこのようなファイバ・ベースの中間ＩＲ源は、より確立されている光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）および光パラメトリック発生器（ＯＰＧ）を可能性として置換することができ、したがって、非常に盛んに取り組まれている。

光ファイバ周波数コムは、例えばＨｏｌｚｗａｒｔｈらの米国特許第６，７８５，３０３号に開示されているように、レーザ共振器の内部で繰返し率ならびにキャリア・エンベロープのオフセット周波数（ＣＥＯ）の両方を制御することにより、モード同期レーザから好都合に構成される。共振器の繰返し率は、現況技術で周知のように、圧電型変換器または電気光学変換器を使用して、ＭＨｚの繰返し率で調整することができる。それと対照的に、米国特許第６，７８５，３０３号では、ＣＥＯ周波数を制御するのに、例えばレーザ共振器に結合される光ポンプ出力の調整といった、はるかに遅い調整メカニズムを用いることが示唆されている。

ＣＥＯ周波数の急速な制御方法は、Ｆｅｒｍａｎｎらの「Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ」という名称の米国特許出願公開第２０１０／０１９５６７７号に開示されており、搬送波の位相制御のために、アドレス指定可能な共振器内構成要素を組み込むことが示唆されている。例えば、種々の構成が、光ファイバ・グレーティングの圧力の急速な制御、光ファイバ・グレーティング温度の制御、および／または繰返し率とＣＥＯ周波数の間のいかなる従属性も切り離すための複数のフィードバック・ループを含んでいる。制御可能な位相変化を導入するための他の技法も示唆されている。

モード同期レーザ共振器の内部の共振器内損失を制御することによる、ＣＥＯ周波数の急速な制御は、Ｆｅｒｍａｎｎらの、「Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｕａｌ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願公開第２０１０／０２２５８９７号にさらに示唆されている。具体的には、音響光学変調器を組み込むことにより、ＣＥＯ周波数の制御がＭＨｚの変調速度で可能になり、光ポンプ変調で可能な速度より何桁も高速にすることができる。米国特許出願公開第２０１０／０１９５６７７号および、米国特許出願公開第２０１０／０２２５８９７号の内容の全体が、参照によってここで組み込まれる。

受動モード同期レーザでは、Ｑスイッチングの不安定性を抑制するために付加的な設計基準を満たす必要があるｃｗ動作にわたって短パルス動作を促進するのに、一般に共振器内の可飽和吸収体が必要となる。最近、モード同期を容易にするためのグラフェン・ベースの可飽和吸収体が、Ｊ．Ｍ． Ｄａｗｌａｔｙら、「Ｐｒｏｂｉｎｇ Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ａｎｄ Ｈｏｌｅｓ ｉｎ Ｇｒａｐｈｅｎｅ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ、ｐａｐｅｒ ＣＦＵ７（２００８）に示唆されている。グラフェン・ベースの可飽和吸収体は、Ａ． Ｍａｌｔｉｎｅｚら、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｉｎ ａ ｆｉｂｅｒ ｆｅｒｒｕｌｅ ｆｏｒ ｐａｓｓｉｖｅ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｉｎｇ」、Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ、ｖｏｌ． １８、ｐｐ． ２３０５４ （２０１０）で論じられた光ファイバなどの光学利得材料上に直接堆積することができ、したがって大変興味深いものである。

しかし、現在まで、受動モード同期レーザおよび光周波数コム、または特に受動モード同期ファイバレーザおよびファイバ・ベースの周波数コムは、依然として製造するのが比較的困難であり、構成要素が多く高コストであるため、大量適用が妨げられている。

米国特許第６，７８５，３０３号 米国特許出願公開第２０１０／０１９５６７７号 米国特許出願公開第２０１０／０２２５８９７号 米国特許出願第１３／０２６，７６２号 米国特許第７，８０９，２２２号 米国特許出願第１２／９５５，７５９号 米国特許第６，８１９，６９０号

Ｊ．Ｍ． Ｄｕｄｌｅｙら、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ （２０１０） Ｊ．Ｈ．Ｖ． Ｐｒｉｃｅら、「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｍ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｎｌｉｎｅｒｒｉｔｙ ｉｎ ｓｏｆｔ ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒｓ」 Ｊ．Ｍ． Ｄａｗｌａｔｙら、「Ｐｒｏｂｉｎｇ Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ ａｎｄ Ｈｏｌｅｓ ｉｎ Ｇｒａｐｈｅｎｅ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｃｏｎｆ． ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ、ｐａｐｅｒ ＣＦＵ７（２００８） Ａ． Ｍａｌｔｉｎｅｚら、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｉｎ ａ ｆｉｂｅｒ ｆｅｒｒｕｌｅ ｆｏｒ ｐａｓｓｉｖｅ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｉｎｇ」、Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ、ｖｏｌ． １８、ｐｐ． ２３０５４ （２０１０） Ｔ．Ｒ． Ｓｃｈｉｂｌｉら、「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、ＴＯＰＳ ｖｏｌ． ６８ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒｓ、ｐｐ． ４９８ （２００２） Ｔ．Ｒ． Ｓｃｈｉｂｌｉ、Ｕ． Ｍｏｒｇｎｅｒ、ａｎｄ Ｆ．Ｘ． Ｋａｒｔｎｅｒ、「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ ｂｙ ａｃｔｉｂｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ」、Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２６、１４８〜１５０頁 （２００１） Ｓ． Ｏｓｔｅｒｍａｎ、Ｓ． Ｄｉｄｄａｍｓ、Ｍ． Ｂｅａｓｌｅｙ、Ｃ． Ｆｒｏｎｉｎｇ、Ｌ． Ｈｏｌｌｂｅｒｇ、Ｐ． ＭａｃＱｕｅｅｎ、Ｖ． Ｍｂｅｌｅ、ａｎｄ Ａ． Ｗｅｉｎｅｒ、「Ａ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ−ｂａｓｅｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ ６６９３、６６９３１Ｇ （２００７）

受動モード同期レーザおよびファイバレーザに基づくコンパクトな光周波数コム・システムが説明される。少なくとも１つの実施形態では、へき開された、または研磨された光ファイバの面上に可飽和吸収体の媒体を直接堆積することにより、コンパクトなシステムを構築することができる。したがって、コンパクトなファイバレーザ共振器を構成するために、可飽和吸収体を他のファイバ構成要素に直接結合することができる。光周波数コム源は、コム間隔が大きい光周波数コムを構成するために、ＧＨｚの繰返し率で動作するように設計することができる。

光周波数コムの間隔は、圧電素子または従来の電気光学素子などの標準的な変換器を使用して制御することができる。種々の実施形態で、ＣＥＯ周波数の急速な変調は、可飽和吸収体自体であり得るさらなる光学素子の透過損失または反射損失を電気的に変調することにより、実現することができる。

例として、２つの電極の間に挟まれた薄いグラフェン膜および絶縁誘電体材料は、急速な損失変調をもたらすことができる。あるいは、グラフェン薄膜を透明な電極として使用することができる。損失変調要素は、共振器終端ミラーとして、または透過に使用することができる。そのうえ、損失変調器は、ファイバの表面に直接堆積することができる。

いくつかの実施形態では、グラフェン膜を省略することができ、共振器内部の繰返し率制御は、誘電材料の屈折率の電気光学変調によって実現することができる。これは、ファイバ共振器の正確な温度制御に関連して用いることができる。

別の実施形態では、受動モード同期を助長するために、可飽和吸収体としてグラフェン膜も使用することができる。グラフェン膜の損失変調を用いて、モード同期の自動スタート動作をさらに助長することができ、またレーザ共振器内部のＱスイッチングを抑制することもできる。

モード同期ファイバレーザを用いて短パルスを発生するために、共振器の内部に、チャープ光ファイバ・グレーティングまたは別々の分散パラメータを有するファイバ長さなどの分散補償要素を組み込むことができる。それに加えて、２次および３次の分散補償を同時に実現することができ、これは、１７００ｎｍを上回る波長における受動モード同期ファイバレーザの動作に特に有益である。小さなコア径の正分散ファイバをより大きなコア径の負分散ファイバと併せて使用することにより、発生されるパルスの光帯域幅がさらに広がり、したがって、発振器の内部で、シミラリトン（ｓｉｍｉｌａｒｉｔｏｎ）または放物線パルスの発振が助長される。

受動モード同期ファイバ発振器の出力に、非線形性の強いファイバを直接結合することにより、オクターブに及ぶスーパーコンティニューム・スペクトルを発生することができ、非線形性の強いファイバの上流に、さらなるファイバ増幅器またはパルス圧縮段を使用することができる。

種々の実施形態では、周波数コム・システムのスペクトルの有効範囲を拡大するために、差周波発生とともにラマン・シフトも実現することができる。

個々のコム・ラインは、共振器長の調整を実施することにより、急速に調整することができる。中間の赤外線スペクトル領域で動作する急速に調整可能な光周波数シンセサイザを作製するために、ファイバレーザの出力を、量子カスケード・レーザなどの単一周波数レーザにさらにロックすることができる。急速に調整可能な周波数シンセサイザは、吸収分光法でさらに使用され得る。

数ＧＨｚのコム間隔を有する周波数コム・レーザを使用して得られる大きなコム間隔により、標準的な分光器の技法を用いる個々のコム・ラインの分解能および広帯域の吸収分光法の実装形態がもたらされる。大きなコム間隔を有するファイバレーザは、天体分光カメラの較正にも使用することができる。

大きなコム間隔を有するファイバ・コム・レーザを使用し、光学的基準とコム・レーザの間にマイクロ波ビート信号を用いて、コム・レーザを光基準周波数に対して正確にロックすることにより、低位相雑音のマイクロ波源を構成することができる。

少なくとも１つの実施形態は、レーザ利得媒体の外部の共振器内光学素子を有するレーザを含んでいる。この光学素子は、例えば、薄膜層であり得る電気的に制御可能な活性領域を有する多層デバイスといった複数材料の一体化構造体を備えてよい。この活性領域は、種々の導電材料、誘電材料、および／または半導体材料とともに配置されてよく、透過または反射のいずれかで動作するように構成されてよい。この光学素子は、可飽和吸収体として動作可能である一方で、外部の電気制御により、レーザ共振器の損失および／または共振器の経路長を調整し得る。いくつかの実装形態では、この光学素子は、光ファイバのへき開された、または研磨された終端上に形成されてよい。

キャリア・エンベロープのオフセット周波数を制御するためのグラフェン・ベースの損失変調器を組み込んだ受動モード同期ファイバレーザを示す概略図である。 グラフェン・ベースの損失変調器を示す概略図である。 グラフェン・ベースの損失変調器の代替実施形態を示す概略図である。 グラフェン・ベースの損失変調器の代替実施形態を示す概略図である。 グラフェン・ベースの可飽和吸収体を組み込んだ、急速な内部の損失変調も可能な受動モード同期ファイバレーザを示す概略図である。 グラフェン・ベースの可飽和吸収体を組み込んだ、急速な内部の損失変調と併せてスーパーコンティニューム発生も可能な、受動モード同期ファイバレーザに基づくファイバ・ベースのコンパクトな周波数コム源を示す概略図である。

短パルスの発生および広域のコヒーレントなスペクトルのために最適化された、受動モード同期ファイバ発振器１００のいくつかの構成要素が図１に示されている。例示的実施形態では、Ｔｍでドープされたシリカ・ファイバを利得媒体として使用することができるが、その他の希土類元素のドーパントも可能である。１９００ｎｍで負分散を有し、ＮＡ＝０．２５の開口数を有するＴｍでドープされたアルミノ・ケイ酸塩ファイバを使用することができる。Ｔｍファイバの負（ソリトン支持）分散およびポンプ結合器Ｃｌによってもたらされたファイバのリード線（ｆｉｂｅｒ ｐｉｇｔａｉｌｓ）は、正常分散ファイバによって補償される。ポンピングのために、１５００〜１６５０ｎｍの波長範囲またはほぼ７９０ｎｍで放射するポンプ源が、好都合に使用され得る。このシステムは、共振器の一端に従来の半導体可飽和吸収体ミラーＳＡ、第２の遠位端に平坦な金のミラーすなわち損失変調ミラーＬＭを有するファブリ・ペロー構成を備える。ここで、ＬＭだけが示されている。しかし、従来のミラーは、ＬＭを置換して、同じ位置に正確に配置され得る。

類似のレーザ設計が、２０１１年２月１４日出願の「Ｃｏｍｐａｃｔ， ｃｏｈｅｒｅｎｔ， ａｎｄ ｈｉｇｈ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｄ ａｎｄ ｆａｒ ＩＲ」という名称の米国特許出願第１３／０２６，７６２号で論じられている。米国特許出願第１３／０２６，７６２号の内容の全体が、参照によってここで組み込まれる。

図１を再び参照して、正常分散ファイバが、共振器の２次分散と３次分散の両方を補償している。波長板Ｗ１およびＷ２は偏光制御に使用され、４分の１波長板および半波長板が好都合に使用されている。４分の１波長板Ｗ３が可調出力結合に使用されており、図１に示されるような共振器内偏光ビームスプリッタの反射から共振器の出力が得られる。

共振器分散を正に調節すると、共振器内波長板を適切に調節することにより、高エネルギーのシミラリトンまたは放物線パルスを発生することができ、非線形分極が発生することによってパルス短縮が助長され、１００ＭＨｚの繰返し率、１００フェムト秒未満のパルス幅で数ｎＪのパルス・エネルギーを有するパルスが発生する。

共振器のキャリア・エンベロープのオフセット周波数を制御するために、第２の共振器終端にグラフェン・ベースの損失変調器が組み込まれる。ファイバの部分を伸ばす、または圧電型変換器にＳＡを取り付けることにより、発振器の繰返し率を制御することができる。このような方式は、現況技術では周知であり、ここでさらに説明することはない。

適切な損失変調器（ＬＭ）の一例が、図２ａに示されている。ＬＭは、例えば基板２１０−ａと金または適切な金属の薄膜２０３−ａとから成る、金または適切な金属のミラー上に堆積される。次いで、２つの電極の間に挟まれた薄いグラフェン層２０１−ａによってミラーの反射率が調整される。この実例では、各電極が、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）の層すなわち光透過性電極２０９−ａと、金または金属の薄膜２０３−ａとの２つの外層を含み、膜２０３−ａは、基板２１０−ａ上に直接堆積されている。あるいは、グラフェン層２０１−ａは、電極の少なくとも一部分として、任意選択のＩＴＯ層２０９−ａなしで実現されてもよい。さらに別の代替形態として、グラフェンの位置と透明な電極の位置を入れ替えてもよい。損失変調器は、適切な電気的相互接続（図示せず）によって、変調用の時変電界を印加するための電源と相互接続される。この実例では、金または金属の膜２０３−ａ上に誘電体２０５−ａが堆積され、誘電体は、例えばＳｉＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３を含むことができる。Ｈｉｇｈ−ｋ誘電体として知られている他の誘電体も用いることができる。好ましくは、これらのＨｉｇｈ−ｋ誘電体は、高誘電率を有し、例えば先進のＭＯＳＦＥＴエレクトロニクスの設計から知られている。適切な材料は、例えばハフニウム・シリケートを含むことができる。誘電体２０５−ａ上に、グラフェン層２０１−ａが、例えば化学的気相成長法によって堆積される。上記で論じたように、多層構造には、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）などの任意選択の透明な電極材２０９−ａも含まれてよい。ＩＴＯの層２０９−ａおよび金または金属の膜２０３−ａに外部電源（図示せず）を接続することにより、グラフェンに電界を印加することができる。

他の材料の追加のバッファ層も堆積されてよい。グラフェン膜と誘電体を積み重ねる順序を逆にすることもできる。反射率の調整を可能にするこのようなミラーは、米国特許出願公開第２０１０／０１９５６７７号で論じられており、他の実装形態も可能である。

例示的単一グラフェン層および約１００ｎｍの誘電体膜厚さを用いて、約１００Ｖの電圧を印加すると、グラフェン層の相対反射率を約１％だけ調整することができ、これは、レーザ発振器の内部でキャリア・エンベロープのオフセット周波数（ＣＥＯ）を正確に制御するのに十分なものである。グラフェン変調器を用いて有効な変調度を増加するために、例えば硝酸でグラフェン層をさらにドープすることができる。ｎドーピングならびにｐドーピングの両方が組み込まれてよい。また、損失変調器の性能を最適化するために、２つ以上のグラフェン層を組み込んでもよい。損失変調器としてのグラフェン層の性能を最適化するために、グラフェン層の内部の電界強度を最大化／最小化するように、種々の他の膜の厚さをさらに制御することができる。

損失変調器の他の設計も可能である。例えば、ＩＴＯ電極を省略して、第２の電極をグラフェン層に直接取り付けることができる。あるいは、ＩＴＯ電極の位置とグラフェン層の位置を入れ替えることができる。このような実装形態は個別には示されていない。

別の実装形態では、グラフェン層は、へき開された、または研磨されたファイバ終端に直接堆積することができ、このファイバ終端は、好ましくは口金の中に保持される。次いで、グラフェンの頂部に誘電体の膜および金の膜が堆積されて、別の基板の必要性が解消される。このような構成を用いて、非常にコンパクト設計を実現することができる。このような実装形態は別個に示されてはいないが、類似のデバイスが、図２ｂおよび図２ｃに関して以下で論じられる。

損失変調器のための別の代替構成が図２ｂに示されている。この構成では、損失変調器は、光が基板２１０−ｂを通過することによって反射で動作する。光の方向は太い矢印で示されている。好ましくは、基板からの望ましくないファブリ・ペロー共振を避けるために、光は、ある角度でサンプルを通って伝搬される。基板２１０−ｂは、好ましくは、レーザの動作波長においてさらに反射防止コーティングされる。光は、誘電体膜２０５−ｂを透過して、適切な金属膜２０７−ｂから反射される。ここで、基板は、ファイバ終端の、へき開された、または研磨された面であり得て、個々の層はファイバ終端上に直接堆積することができる。この場合、光はグラフェン層２０１−ｂを垂直入射で通過する。このような一実装形態では、反射防止コーティングは不要である。

さらに別の代替構成では、損失変調器は、図２ｃに示されるように、透過にも使用することができる。この構成では、損失変調器は、光が基板２１０−ｃを通過するように構成されており、したがって金のミラーは不要である。この実例では、損失変調器は、透明な電極２０８−ｃ、誘電体２０５−ｃおよびグラフェン層２０１−ｃを含む。光伝搬の方向は矢印で示されている。望ましくない表面反射を回避するために、損失変調器の両方の外表面を反射防止コーティングすることができ、デバイスを通る光はブルースター角で、または垂直入射から外れて伝搬することができる。図２ｂのように、この構造体はファイバ表面に直接堆積することができ、基板の必要性が解消される。このような損失変調器は、一体型ファイバ・リング共振器の設計において特に有益である。

図２ａ〜図２ｃに示された構造体のすべてが、システムの性能をさらに改善するために追加の膜を含むことができる。図２ｃに示されるような構造体を組み込むことができる適切なリング・レーザの設計は、例えば米国特許出願公開第２０１０／０１９５６７７号で論じられており、ここでさらに説明することはない。

図２ａ〜図２ｃに示された構造体のすべてにおいて、損失変調機能は、可飽和吸収体としてデバイスを動作させるために、可飽和損失と結合することもできる。したがって、図１に関して、図２ａに示されたようなデバイスを共振器の一端で使用することができ、個別の可飽和吸収体ミラーの必要性が解消される。例えば、グラフェン・ベースの可飽和吸収体の一般的な飽和強度は５０〜３００ｍＷ／ｃｍ^２程度であり、これは、受動モード同期ファイバレーザの可飽和吸収体としての動作に理想的である。それに加えて、グラフェン・ベースの可飽和吸収体の可飽和吸収体緩和時間は、１０フェムト秒と短くなり得て、２次時定数は、いくつかのより長い時定数と同様に約１ピコ秒である。グラフェンの緩和時間が非常に短いため、受動モード同期ファイバレーザにおいて非常に短いパルスを生成するための非線形分極発生が不要になる。

上記で論じたように、図２ａ〜図２ｃの実例で示されたような複数材料のデバイスは、損失変調および／または光路長調整ための共振器内光学素子として利用されてよい。これらのデバイスは、可飽和吸収体として受動モード同期に用いられてよく、非常にコンパクトなレーザ源をもたらすように光ファイバに接合されてよい。そのうえ、いくつかの実施形態では、例えばグラフェン層を用いる損失変調によって、レーザ共振器の往復時間と正確に同期した繰返し率で、能動モード同期機構が利用されてよく、これを実施するやり方は、当業者には容易に理解されよう。このような機構は、外部供給源によるモード同期動作の制御およびコンパクトな構成をもたらす。

グラフェン・ベースの可飽和吸収体および損失変調器を組み込んだモード同期ファイバレーザ３００の例示的設計が、図３に示されている。この設計は、図１に示された設計に似ているが、図２ａ〜図２ｃに関して論じられたように、個別の可飽和吸収体ミラーが省かれて、損失変調器／可飽和吸収体要素ＬＭＳＡで置換されている。ＬＭＳＡは、共振器の第２の終端に配置されている。共振器の第１の終端に配置されたミラーは、急速な共振器長制御を可能にするために、圧電変換器上にさらに取り付けられている。共振器内レンズは、平坦なミラー上に合焦する。レーザの出力は結合器Ｃ２を介して得られ、結合器Ｃ２は、一般に１：９と９：１の間の分割比を有する結合器を含む。レーザからの出力の偏光変動を最小化するために、偏光保持構成要素および共振器内偏光器を組み込むこともできる。

グラフェン・ベースの可飽和吸収体を有し、スーパーコンティニュームを発生するようにさらに構成されている、ＧＨｚの繰返し率のモード同期レーザ４００の例示的設計が図４に示されている。ファブリ・ペロー共振器の設計が示されているが、リング共振器の設計または他の共振器の構成も可能である。共振器は、グラフェン・ベースの可飽和吸収体（ＳＡ）からファイバ・コネクタの中心へと延在する。ファイバ・コネクタは、ポンプ光を通し、かつ信号光を部分的に伝送するようにファイバ口金の一端に直接コーティングされたダイクロイック・ミラーを含む。Ｔｍファイバレーザ、ＥｒファイバレーザまたはＹｂファイバレーザまたはその他のドープされたファイバ材料が、利得をもたらすように用いられ得る。ポンプは、波長分割多重方式結合器Ｃ１によって共振器に向けられる。共振器の内部の分散は、例えば、正分散の非ドープのファイバと併せて負分散利得ファイバを使用することによって限定される。したがって、ＴｍファイバまたはＹｂファイバの場合には数ｄＢ／ｃｍの利得値を達成することができ、したがって１ｃｍ以下と短い共振器長を実現することができ、１０ＧＨｚを上回る繰返し率が可能になる。１００フェムト秒より長いピコ秒範囲までのパルスの発生が可能であれば、分散補償ファイバを省くこともできる。偏光保持ファイバを使用することもできるが、このような短い共振器長の偏光制御は必要とされないからである。

可飽和吸収体ミラーは、好ましくは図２ｂに示されたような設計を用いて共振器内ファイバの一端に直接堆積され、この実例では、基板が同ファイバであり、光は垂直入射でグラフェン吸収材を通過する。

コンティニュームを発生するために、ファイバレーザの出力はスーパーコンティニューム・ファイバに導かれ、スーパーコンティニューム・ファイバは、好ましくは、発振器の放射波長において、ゼロ近い、またはわずかに負の分散を有するように設計されている。Ｔｍファイバ発振器を使用すると、１，０００〜１０，０００ｎｍのスペクトルの放射を発生するために、例えばフッ化物ベース、亜テルル酸塩ベース、またはカルコゲナイド・ガラスベースのスーパーコンティニューム・ファイバが実現され得る。スーパーコンティニューム・ファイバの内部のテーパは、スペクトルの有効範囲を最大化するようにさらに利用することができる。さらなるパルス圧縮段、パルス拡大段およびパルス増幅器段もスーパーコンティニューム・ファイバの上流に挿入されてよい。スーパーコンティニューム・ファイバに加えて、非線形性の強い導波路もスーパーコンティニューム発生に使用することができる。図４に示されるファイバレーザ・デバイスは、低価格で簡単に大量生産することができ、中間ＩＲの好ましい発生源になり得る。Ｔｍファイバの代わりにＹｂファイバを使用すると、可視でＩＲに近いスペクトル域に及ぶ好ましいスーパーコンティニューム源を構成することができる。

光ファイバのスーパーコンティニューム発生の代替として、非線形性の強い導波路のスーパーコンティニューム発生も用いることができる。発生源のスペクトルの有効範囲は、スーパーコンティニューム発生の後に差周波数段を追加することにより、さらに拡大することができる。スペクトル領域のスペクトルパワー密度は、非線形性の強いファイバまたは導波路においてラマン・シフトまたは自己周波数シフトを用いることにより、さらに増加され得る。このような実装形態は個別には示されていない。

図４に示されたレーザは、さらなる共振器長制御を実施すると、周波数コムの動作も可能にする。例えば、このような共振器長制御は、ファイバに取り付けられた圧電型変換器を用い、ポンプ出力制御もしくはグラフェン・ベースの可飽和吸収体にわたる電磁界の制御またはその組合せによる、さらなる搬送波位相制御を用いて実施されてよい。周波数コムの繰返し率を外部無線周波数基準信号または光周波数基準に同期させるために、また、ＣＥＯ周波数を外部無線周波数信号に同期させるためにも、ｆ−２ｆの干渉計と併せて追加の電子的フィードバック・ループをさらに用いることができる。このような方式は、現況技術では周知であり、例えば米国特許出願公開第２０１０／０２２５８９７号ならびにＨａｒｔｌらの「Ｌａｓｅｒ ｂａｓｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」という名称の米国特許第７，８０９，２２２号に論じられており、ここでさらに論じることはない。

いくつかの構成では、図２ｂに示されるようなデバイスは、誘電体またはグラフェンの内部に印加される電界によって誘起される屈折率の変化を用いることにより、共振器長の制御にも使用することができる。長さを急速に制御するために、グラフェン層を除去することができる。共振器の一端にグラフェン・ベースの可飽和吸収体を用い、共振器の他端に共振器長調整器を使用して、コンパクトな周波数コム・レーザための別の変形形態が可能である。このような一実装形態は、別個には示されていない。共振器長制御を簡易化するために、「非常にコンパクトな」ファイバ共振器は、正確な温度制御がさらに可能であり、繰返し率を制御するのに必要とされる誘電体の屈折率変化が最小化される。

図３に示されたシステムにより、急速に調整可能な周波数シンセサイザを構成することもできる。ここで、共振器の第１の終端に共振器終端ミラーがあることにより、レーザの繰返し率を改変する圧電アクチュエータの使用が可能になる。外部の単一の周波数レーザを１つの個別のコム・ラインに同期させることにより、急速に調整可能な周波数シンセサイザを構成することができる。このようなシステムは、２０１０年１１月２９日に出願された「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｓｏｕｒｃｅ ｗｉｔｈ ｌａｒｇｅ ｃｏｍｂ ｓｐａｃｉｎｇ」、という名称の米国特許出願第１２／９５５，７５９号で論じられており、ここでさらに説明することはない。米国特許出願第１２／９５５，７５９号の内容の全体が、参照によってここで組み込まれる。

図４に関して論じられたような大きなコム間隔を有する周波数コム・レーザは、従来の分光器の要素とともに、高分解能分光の用途でさらに実施することができる。このような用途では、現況技術においてよく知られているように、パルス発生源からの出力は、例えばガス・セルといった試験体を通ってから、１つの格子分光計および仮想的に結像される位相配列（ＶＩＰＡ）を用いて１次元または２次元に分散される。次いで、個々のコム・ラインは、十分なコム間隔を伴って１次元または２次元に分解され、１次元または２次元の検出器配列の上にそれぞれ結像され得る。したがって、検出器の１つのピクセル当たり約１〜１０ＧＨｚの光学解像度が達成可能である。このような方式に基づく超高分解能分光計も米国特許出願第１２／９５５，７５９号に説明されており、ここでさらに論じることはない。

大きなコム間隔を有するファイバ周波数コム・レーザの別の好ましい用途には、低位相雑音のマイクロ波発生源がある。この装置では、コム・レーザの出力が検出器で検出され、レーザの繰返し率またはその高調波のうちの１つで無線周波数信号に変換される。この装置では、損失変調器に接続された電子的フィードバック・ループによってファイバ・コム・レーザの出力電力を安定化するのに、共振器内損失変調器を使用することができ、したがって、レーザの振幅変動と、マイクロ波発生源の位相雑音とが最小化される。共振器内損失変調を用いて変調帯域幅を大きくすることができるので、内部の損失変調器による振幅雑音最小化は、現況技術で一般に用いられているポンプパワー制御と比較して、はるかに効果的であり得る。好ましくは、１０ＧＨｚのマイクロ波基準用には、１０ＧＨｚのコム間隔を有する光コム・レーザが用いられ、コム間隔は約１ＧＨｚ以上が適切である。低位相雑音基準の他の詳細は、米国特許出願第１２／９５５，７５９号で論じられており、ここでさらに説明することはない。本明細書で説明された共振器内損失変調器は、受動モード同期レーザのＱスイッチングの不安定性を抑制し、かつ強化するのに使用することができる。電子的フィードバック制御によるＱスイッチングの抑制／強化は、Ｔ．Ｒ． Ｓｃｈｉｂｌｉら、「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｉｎ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ」、Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ、ＴＯＰＳ ｖｏｌ． ６８ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｌａｓｅｒｓ、ｐｐ． ４９８ （２００２）、Ｔ．Ｒ． Ｓｃｈｉｂｌｉ、Ｕ． Ｍｏｒｇｎｅｒ、ａｎｄ Ｆ．Ｘ． Ｋａｒｔｎｅｒ、「Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ ｂｙ ａｃｔｉｂｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ」、Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２６、１４８〜１５０頁 （２００１）、およびＫａｅｒｔｎｅｒらの米国特許第６，８１９，６９０号に説明されている。出力パワーの一部分が検出され、損失変調器に対して作用する制御ループにより、出力パワーが所与の値に安定化される。上記の出版物に説明されているように、Ｑスイッチを首尾よく抑制するには、フィードバック制御ループの帯域幅が、レーザ緩和振動周波数をかなり上回る必要がある。

１つまたは複数の実施形態では、緩和振動または低ノイズのＱスイッチングは、所望の変調周波数でレーザ共振器の共振器損失を変調することにより、さらに強化することができる。このようなレーザ共振器は、短い光パルスの発生を助長するために可飽和吸収体を含むことができる。例えば、低雑音のＱスイッチレーザは、ファブリ・ペロー共振器の一方の面上の誘電体ミラーを有する固体マイクロチップ利得媒体と、他方の面上のグラフェン・ベース変調器および可飽和吸収体ミラーとを含むことができる。可飽和吸収体とグラフェン変調器は、１つの要素に組み合わせることもできる。特定の好ましい実施形態では、コンパクトなシステム構築を助長するように、一体化された機構ではすべての光学素子を互いに取り付けることができる。このような取付けを助長するために、光学的結合材または直接被覆を組み込むことができる。

大きなコム間隔を有する周波数コム・レーザは、１０ＧＨｚを上回るコム間隔が一般的に求められる天体分光カメラの較正にさらに用いることができる。用途の要件に依拠して、コムのスペクトルバンド幅は、可視スペクトル領域または近赤外線スペクトル領域のどこにでも存在し得る。可視スペクトルの出力が必要であれば、適切な周波数倍増水晶、周波数３倍増水晶、または周波数４倍増水晶を使用することで、論じられた周波数コム発生源を利用することができる。図４に関して、このような周波数アップコンバージョン水晶は、例えばスーパーコンティニューム・ファイバからの出力の後に挿入され得る。周波数コムを用いる光学分光写真器の較正のいくつかの原理が、Ｓ． Ｏｓｔｅｒｍａｎ、Ｓ． Ｄｉｄｄａｍｓ、Ｍ． Ｂｅａｓｌｅｙ、Ｃ． Ｆｒｏｎｉｎｇ、Ｌ． Ｈｏｌｌｂｅｒｇ、Ｐ． ＭａｃＱｕｅｅｎ、Ｖ． Ｍｂｅｌｅ、ａｎｄ Ａ． Ｗｅｉｎｅｒ、「Ａ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ−ｂａｓｅｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」、Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ ６６９３、６６９３１Ｇ （２００７）に説明されている。具体的には、天体望遠鏡の較正については、周波数コムは、ｆ_０およびｆ_ｒｅｐのどちらにおいても、例えばＧＰＳ制御の（ＧＰＳ ｄｉｓｃｉｐｌｉｎｅｄ）ルビジウム時計といったＧＰＳ制御のマイクロ波クロックに対して安定化されなければならない。コム間隔は、必要に応じて、非線形コンバータの前段および／または後段のフィルタ共振器によってさらに増加され得る。

このように、本発明がいくつかの実施形態において説明されてきた。これらの実施形態は互いに矛盾するものではなく、一実施形態と関連して説明された要素は、所望の設計目的を達成するのに適切なやり方で、他の実施形態と組み合わせたり、他の実施形態から除去されたりしてよいことを理解されたい。

少なくとも１つの実施形態は、出力を生成するレーザを含む。このレーザは、固体またはファイバの利得媒体と、利得媒体を光学的にポンピングするためのポンプ源とを備えるレーザ共振器を含む。利得媒体は、ポンプ源とともに、レーザ共振器内で共振器内光ビームを発生する。共振器内光学素子は利得媒体の外部に配置される。この光学素子は、レーザ共振器の損失の変調、共振器の光路長の調整、またはその両方を行なうように構成されている。共振器内光学素子は、電源に動作可能に接続された材料の少なくとも１つの層を含む。共振器の損失変調および／または光路長の調整は、この電源によって発生されて材料に印加される電界を用いて誘起される。上記の材料の少なくとも１つの層が電極の間に配置され、共振器内光ビームは、電極のうち少なくとも１つを通過するように構成される。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、複数材料の一体化構造体を備えてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、材料に印加される電界を制御することによってレーザ共振器の光路長を調整するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、レーザ共振器の損失を変調し、かつ光路長を調整するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、材料は誘電体の層を含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、材料は半導体の層を含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、材料は、半導体および誘電体の層を含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、材料は、誘電体の層および少なくとも１つのグラフェンの層を含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、材料は、誘電体の層および複数のグラフェンの層を含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、グラフェン層は、電極のうちの１つの少なくとも一部分として構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、レーザ共振器は、光モード同期によって光パルスを発生するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、レーザ共振器は、能動的モード同期用または受動的モード同期用に構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、レーザ共振器は、モード同期を誘起するために可飽和吸収体を含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、可飽和吸収体として動作するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、レーザ共振器の緩和振動を抑制するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、レーザ共振器の緩和振動を強化するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、レーザ共振器の出力パワーを安定化するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、ファイバ利得媒体は、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｂｉ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｔｍ／ＨｏまたはＹｂ／Ｔｍでドープされたファイバを含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、ファイバ利得媒体は、希土類元素または遷移金属でドープされたファイバを含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、レーザ共振器は、光周波数コム・レーザの一部分として構成されてよく、周波数コム・レーザは、一連の短い光パルスを発生し、パルス繰返し率およびキャリア・エンベロープのオフセット周波数でさらに特徴付けられる。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、周波数コム・レーザのキャリア・エンベロープのオフセット周波数を調整するようにさらに構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、周波数コム・レーザの繰返し率を調整するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、周波数コム・レーザの、キャリア・エンベロープのオフセット周波数と繰返し率とを調整するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、光パルスは、スーパーコンティニュームを発生するように、非線形性の強いファイバまたは導波路に導かれてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、非線形性の強いファイバまたは導波路の出力は、周波数をアップコンバージョンまたはダウンコンバージョンするように構成された少なくとも１つの水晶へと導かれてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、周波数のダウンコンバージョン・プロセスは、差周波数混合を含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、光パルスは、光パルスの周波数のダウンコンバージョンまたはアップコンバージョンのために、非線形性の強いファイバまたは導波路に導かれてよい。

少なくとも１つの実施形態は、利得媒体を有するレーザと、膜層を備える電気的に制御可能な活性領域を有する複数材料の一体化構造体を備える共振器内光学素子とを含む。共振器内光学素子は、活性領域の少なくとも一部分に印加された電気信号に応答して、共振器の損失を変調し、かつ／または光路長を調整ことができる。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、複数材料の一体化構造体は、導電材料、誘電材料、および／または半導体材料を有する複数の層を含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、この共振器内素子は反射で動作してよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、この共振器内素子は透過で動作してよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、この共振器内素子は光ファイバに接合されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、膜層は、それぞれが電気信号をもたらす信号源に接続されている２つの電極の間に配置されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、膜層はグラフェンを含んでよく、電極はグラフェンの少なくとも一部分を含んでよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は可飽和吸収体として構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、レーザは能動的モード同期向けに構成されてよく、共振器内光学素子は、レーザ共振器の往復時間に同期した繰返し率で損失変調をもたらすように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、利得媒体は固体媒体またはファイバ利得媒体でよく、共振器内光学素子は利得媒体の外部にあってよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、利得媒体は固体媒体またはファイバ利得媒体を含んでよく、共振器内光学素子は、利得媒体に対して取り付けてよく、または光学的に結合してもよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、レーザ共振器のＱスイッチングを誘起するように構成されてよい。

実施形態のいずれかまたはすべてにおいて、共振器内光学素子は、レーザ共振器のＱスイッチングを安定化するように構成されてよい。

本発明を要約するために、本発明の特定の態様、利点および新規の特徴が本明細書で説明されている。しかし、いずれかの特定の実施形態によって、このような利点の必ずしもすべてが達成されるわけではないことを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書で教示され得る、または示唆され得るように、必ずしも他の利点を達成することなく１つまたは複数の利点を達成するやり方で、実施され、または実行されてよい。

したがって、本明細書では特定の実施形態だけが具体的に説明されているが、これらの実施形態に対して、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく多くの変更がなされ得ることが明らかであろう。これらの機構が互いに矛盾するものではないことを理解されたい。各要素は、所望の設計目的を達成する適切なやり方で、実施形態の間で組み合わせられてよい。さらに、頭字語は、明細書および特許請求の範囲の読みやすさを向上するためにのみ用いられている。これらの頭字語は、用語の普遍性を減じることを意図するものではなく、そこで説明された実施形態に対する特許請求の範囲を制限するように解釈されるべきではないことに留意されたい。

Claims (37)

1. パルス繰返し率およびキャリア・エンベロープのオフセット周波数を有することにより特徴付けられる一連の出力パルスを発生する周波数コム・レーザであって、
   固体利得媒体またはファイバ利得媒体を備えるレーザ共振器と、
   受動モード同期のために構成されたモード同期機構と、
   前記利得媒体を光学的にポンピングするためのポンプ源であって、前記利得媒体が、前記ポンプ源とともに、前記レーザ共振器において共振器内光ビームを発生するポンプ源と、
   前記利得媒体の外部に配置された共振器内光学素子であって、グラフェン・ベースの損失変調器として、前記レーザ共振器の損失の変調を行い、前記キャリア・エンベロープのオフセット周波数の調整、前記共振器の光路長の調整、またはその両方を行なうように構成されており、電源に動作可能に接続された材料の少なくとも１つの層を備え、前記共振器の損失の変調および／または光路長の調整が、前記電源によって発生されて前記材料に印加される時変電界を用いた前記共振器内光学素子の透過損失または反射損失の電気的な変調によって誘起され、前記材料の少なくとも１つの層が電極の間に配置され、共振器内光ビームが、前記電極のうち少なくとも１つを通過するように構成される共振器内光学素子とを備えるレーザ。
2. 前記グラフェン・ベースの損失変調器が複数材料の一体化構造体を備える請求項１に記載のレーザ。
3. 前記共振器内光学素子が、前記材料に印加される電界を制御することによって前記レーザ共振器の光路長を調整するように構成されている請求項１に記載のレーザ。
4. 前記材料が誘電体の層を備える請求項１に記載のレーザ。
5. 前記材料が半導体の層を備える請求項１に記載のレーザ。
6. 前記材料が半導体および誘電体の層を備える請求項１に記載のレーザ。
7. 前記材料が誘電体の層および少なくとも１つのグラフェンの層を備える請求項１に記載のレーザ。
8. 前記材料が誘電体の層および少なくとも２つ以上のグラフェンの層を備える請求項１に記載のレーザ。
9. 前記グラフェン層が、前記電極のうちの１つの少なくとも一部分として構成されている請求項１に記載のレーザ。
10. 前記レーザ共振器が、能動または受動光モード同期によって光パルスを発生するようにさらに構成されている請求項１に記載のレーザ。
11. 前記レーザ共振器が、前記モード同期を誘起するために可飽和吸収体をさらに備える請求項１に記載のレーザ。
12. 前記共振器内光学素子が、可飽和吸収体として動作するようにさらに構成されている請求項１に記載のレーザ。
13. 前記ファイバ利得媒体が、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｂｉ、Ｅｒ、Ｅｒ／Ｙｂ、Ｔｍ、Ｔｍ／ＨｏまたはＹｂ／Ｔｍでドープされたファイバを備える請求項１に記載のレーザ。
14. 前記ファイバ利得媒体が、希土類元素または遷移金属でドープされたファイバを備える請求項１に記載のレーザ。
15. 前記光パルスが、スーパーコンティニュームを発生するために、非線形性の強いファイバまたは導波路に導かれる請求項１に記載のレーザ。
16. 前記非線形性の強いファイバまたは導波路の出力が、周波数をアップコンバージョンまたはダウンコンバージョンするように構成された少なくとも１つの水晶へと導かれる請求項１５に記載のレーザ。
17. 請求項１記載の周波数コム・レーザと、
    前記周波数コム・レーザから下流側に配置され、前記周波数コム・レーザからの光パルスを受け取る非線形性の強いファイバまたは導波路とを備える光周波数コム・システム。
18. 前記非線形性の強いファイバまたは導波路が、スーパーコンティニュームを発生する請求項１７に記載の光周波数コム・システム。
19. 前記キャリア・エンベロープのオフセット周波数を制御するように構成されたｆ−２ｆの干渉計および１以上のフィードバック・ループを備える請求項１７または１８に記載の光周波数コム・システム。
20. 前記周波数コムの繰返し率を基準信号または光周波数基準に同期させるように構成されたｆ−２ｆの干渉計および１以上のフィードバック・ループを備える請求項１７または１８に記載の光周波数コム・システム。
21. 前記非線形性の強いファイバまたは導波路の出力が、周波数をアップコンバージョンまたはダウンコンバージョンするように構成された少なくとも１つの水晶へと導かれる請求項１７に記載の光周波数コム・システム。
22. 前記周波数ダウンコンバージョン・プロセスが差周波数混合を含む請求項２１に記載の光周波数コム・システム。
23. 前記非線形性の強いファイバまたは導波路が、前記光パルスの周波数のダウンコンバージョンまたはアップコンバージョンのために構成されている請求項１７に記載の光周波数コム・システム。
24. モード同期された固体またはファイバの利得媒体であって、パルス繰返し率およびキャリア・エンベロープのオフセット周波数を有することにより特徴付けられる一連の出力パルスを発生する利得媒体と、
    グラフェン・ベースの損失変調器として構成され、膜層を備える電気的に制御可能な活性領域を有する複数材料の一体化構造体を備える共振器内光学素子であって、前記活性領域の少なくとも一部分に印加された電気信号に応答して、共振器の損失を変調し、かつ／または光路長を調整することができる共振器内光学素子とを備え、時変電界を前記共振器内光学素子に印加することによって前記共振器内光学素子の透過損失または反射損失の電気的な変調が実行されて、前記キャリア・エンベロープのオフセット周波数を調整するレーザ。
25. 前記複数材料の一体化構造体が、導電材料、誘電材料、および／または半導体材料を有する複数の層を備える請求項２４に記載のレーザ。
26. 前記共振器内素子が反射で動作する請求項２４に記載のレーザ。
27. 前記共振器内素子が透過で動作する請求項２４に記載のレーザ。
28. 前記共振器内素子が光ファイバに接合されている請求項２４に記載のレーザ。
29. 前記膜層が２つの電極の間に配置されており、各電極が、前記電気信号をもたらす信号源に接続されている請求項２４に記載のレーザ。
30. 前記膜層がグラフェンを備え、前記電極が前記グラフェンの少なくとも一部分を備える請求項２９に記載のレーザ。
31. 前記共振器内光学素子が、可飽和吸収体として構成されている請求項２４に記載のレーザ。
32. 前記レーザが能動的モード同期用に構成されており、前記共振器内光学素子が、レーザ共振器の往復時間と同期した繰返し率において損失変調をもたらすように構成されている請求項２４に記載のレーザ。
33. 前記利得媒体が固体またはファイバの利得媒体を備えるとき、前記共振器内光学素子が前記利得媒体の外部に配置される請求項２４に記載のレーザ。
34. 前記共振器内光学素子が、前記利得媒体に対して取り付けられる、または光学的に結合される請求項２４に記載のレーザ。
35. 前記共振器内光学素子が、前記レーザ共振器のＱスイッチングを誘起または安定化するように構成されている請求項２４に記載のレーザ。
36. 出力を発生するレーザであって、
    固体利得媒体またはファイバ利得媒体を備えるレーザ共振器と、
    前記利得媒体を光学的にポンピングするためのポンプ源であって、前記利得媒体が、前記ポンプ源とともに、前記レーザ共振器において共振器内光ビームを発生するポンプ源と、
    前記利得媒体の外部に配置された共振器内光学素子であって、グラフェンを備え、前記レーザ共振器の損失の変調、前記共振器の光路長の調整、またはその両方を行なうように構成されており、電源に動作可能に接続された材料の少なくとも１つの層を備え、前記共振器の損失の変調および／または光路長の調整が、前記電源によって発生されて前記材料に印加される電界を用いて誘起され、前記材料の少なくとも１つの層が電極の間に配置され、共振器内光ビームが、前記電極のうち少なくとも１つを通過するように構成される共振器内光学素子とを備えるレーザ。
37. 利得媒体と、
    膜層を備える電気的に制御可能な活性領域を有する複数材料の一体化構造体を備える共振器内光学素子であって、グラフェンを備え、前記活性領域の少なくとも一部分に印加された電気信号に応答して、共振器の損失を変調し、かつ／または光路長を調整することができる共振器内光学素子とを備え、前記膜層が２つの電極の間に配置されており、各電極が、前記電気信号をもたらす信号源に接続されているレーザ。

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