JP7026373B2

JP7026373B2 - 光ファイバーレーザー装置

Info

Publication number: JP7026373B2
Application number: JP2017034063A
Authority: JP
Inventors: 真司山下; ジイヨンセット; 知恭本田
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2022-02-28
Anticipated expiration: 2037-02-24
Also published as: JP2018139279A

Description

本発明は、光ファイバーを共振器とする光ファイバーレーザー装置に関し、特にピコ秒或いはフェムト秒といった領域の高強度の短パルスを発生する光ファイバーレーザー装置に関する。

ピコ秒又はフェムト秒領域の高強度短パルスは、非常に高いエネルギーが短時間に集中するため、微細加工、分光、計量、レーザー顕微鏡、レーザーイメージングなどに応用されてきている。また、高強度短パルスを正常分散領域の高非線形光ファイバーに入射するとスーパコンティニウム現象によりスペクトルが大きく広がったスーパコンティニウム光周波数コムが実現でき、分光計量、光コヒーレンストモグラフィなどの光源として重要な役割を果たしている。これまでは高強度短パルス光源としては、チタンサファイアレーザーに代表される固体レーザーが用いられてきたが、最近の技術の進展により短パルス光ファイバーレーザーでもフェムト秒領域の高強度短パルスを発生できるようになってきている。光ファイバーレーザーは、固体レーザーに比較して、Ｗａｌｌ－ｐｌｕｇ効率が高くグリーンである、ビーム品質が良い、放熱が良く冷却が不要、コンパクトでポータブルであり、低コストであり、高信頼性を有する、といった多くの特長がある。しかしながら現状では、光ファイバーレーザーには安定性や繰り返し周波数の点で問題も存在する。

ピコ秒又はフェムト秒領域の短パルス発生には、受動モード同期が用いられてきた。レーザー共振器中にモード同期素子として自己強度変調効果を有する高速な可飽和吸収素子（以下、ＳＡとも称する）を置くことで、レーザーの縦モードを同期させ、ピコ秒からフェムト秒領域のパルス列を得ることができる。このとき繰り返し周波数は共振器長に反比例し、典型的には数１０ＭＨｚである。このような短パルス発生のためには、高速なＳＡが必須である。一方、光変調器へ外部からＲＦ信号をかけることによりモード同期をかける方法もあり、これは能動モード同期と呼ばれる。能動モード同期では通常、パルス幅はピコ秒（典型的には数１０ｐｓ）領域に留まるが、高安定ＲＦ信号源を用いることで発生するパルスの安定性を高くでき、また高調波モード同期と呼ばれる手法によりパルスの繰り返し周波数を上げることもできる。

受動モード同期光ファイバーレーザー用の光ファイバー型可飽和吸収素子（ＳＡ）としては、パルスによる自己位相変調（ＳＰＭ）効果に基づく非線形位相回転を利用したものが一般的であるが、このレーザー構成では原理的に共振器内の偏波コントローラーが必要で、偏波の安定性が問題となっていた。偏波が安定な偏波維持光ファイバーで構成できるレーザー構成としては２０年以上前から非線形ループミラー（Nonlinear Loop Mirror：以下、ＮＯＬＭとも称す）、或いは非線形増幅ループミラー（Nonlinear Amplifying Loop Mirror：以下、ＮＡＬＭとも称す）を利用した８の字形レーザーがよく知られている。これは光ファイバーカプラーと光ファイバー（ＮＡＬＭの場合には増幅用光ファイバーが加わる）とからなる光ファイバーループミラーの動作が、光が弱い場合には反射するが、光が強い場合には時計回り（以下、ＣＷとも称す）と反時計回り（以下、ＣＣＷとも称す）光の強度の差に起因するＳＰＭによる非線形位相シフトが生じるため、透過するようになることを利用したＳＡである。しかしながら、８の字形レーザーはモード同期しきい値が高いためこれまではあまり用いられてこなかった。

このような８の字形レーザーを改良したものとして、９の字形レーザーが提案され、最近注目を浴びている（特許文献１及び２、非特許文献１～４）。９の字形レーザーでは、ＮＡＬＭ部分に非相反位相シフター（非相反偏波回転素子、ファラデー回転子）を挿入し、ＣＷパルスとＣＣＷパルスとに逆の非相反位相シフトを与える。これによりＣＷ光とＣＣＷ光との間に位相バイアスを与えることができ、位相バイアスを適切に選べばＳＡの飽和強度を下げてモード同期しきい値を低減できるのと同時に、ＮＡＬＭの動作を反転、つまり低強度成分が透過して高強度成分が反射するようにできるため、８の字形レーザーよりもより簡易な構成とすることができる。

なお、光ファイバーレーザー装置に関するものではないが、光ファイバーセンサー、特に光ファイバージャイロの分野では、線形な光ファイバーループミラーで同様にＣＷ光とＣＣＷ光とに非対称な位相変調をかけるとループの反射率が変化する、つまり強度変調がかかることがよく知られている（非特許文献５～７）。また、このような強度変調を利用した能動モード同期光ファイバーレーザーも提案されているが（非特許文献８及び９）、ループ中に増幅用光ファイバーが組み込まれておらず、非線形性を利用していないので超短パルスを可能にする受動モード同期で動作するものではない。

欧州特許出願公開第2637265号明細書米国特許第8,873,601号明細書

Y. Ozeki et al., "A wavelength-tunable, polarization-maintaining picosecond figure-nine fiber laser," CLEO2016, no. JTu5A.119, 2016. N. Kuse et al., "All polarization-maintaining Er fiber-based optical frequency combs with nonlinear amplifying loop mirror," Opt. Express, 24, 3095-3102, 2016. T. Jiang et al., "All PM Fiber laser mode locked with a compact phase biased amplifier loop mirror," Photonics Technology Letters, vol.28, no.16, August 15, 2016. W. Hansel et al., "All polarization maintaining fiber laser architecture for robust femtosecond pulse generation," Appl. Phys. B (2017) 123: 41. doi:10.1007/s00340-016-6598-2 保立和夫等："レーザージャイロ－光ファイバーレーザージャイロの研究動向－," 計測と制御, Vol.20, No.10, pp.937-946, Oct. 1981. 保立和夫："解説「光ファイバージャイロの現状と将来展望」," 光学(日本光学会誌), Vol.27, No.7, pp.352-359, July 1998. B. Culshaw, "Optical fiber sensor technologies: opportunities and-perhaps-pitfalls," in Journal of Lightwave Technology, vol. 22, no. 1, pp. 39-50, Jan. 2004. M. Y. Jeon et al., "Mode-locked fiber laser gyroscope," Opt. Lett. 18, 320-322 (1993) O. G. Okhotnikov et al., "Cavity dumping of fiber lasers by phase-modulated optical loop mirrors," Opt. Lett. 21, 57-58 (1996)

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、非線形増幅ループミラーを用いて受動モード同期の持つ超短パルス発生能力を生かしつつ、パルスの高安定性及び高繰り返し周波数化という特長を両立する優れた光ファイバーレーザー装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための光ファイバーレーザー装置は、偏波保持型の光ファイバーループと、光ファイバーループの両端に対して接続される一対の第１並列ポートを有する光カプラーと、一対の第１並列ポートに対向するように光カプラーの反対側に設けられた一対の第２並列ポートの少なくとも一方に接続される反射部材と、光ファイバーループ中に配置されるファイバー増幅部と、光ファイバーループ中において伝搬距離に関して非対称な位置に挿入される位相変調部と、位相変調部に対して任意波形の駆動信号を出力する駆動部とを備える。

上記光ファイバーレーザー装置では、駆動部が光ファイバーループ中において非対称な位置に配置される位相変調部に対して任意波形の駆動信号を出力するので、光ファイバーループを一方向に伝搬する光と、光ファイバーループを他方向に伝搬する光とに対して位相差を与えることができる。つまり、動的な位相変調部を利用した能動モード同期でのレーザーパルスの発生が可能になり、出力されるレーザーパルスの高安定性及び高繰り返し周波数化を達成できる。ここで、光ファイバーループと、光カプラーと、ファイバー増幅部とは、受動モード同期を可能にする非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）を構成し、超短パルスの発生が容易になっている。

本発明の具体的な側面では、上記光ファイバーレーザー装置において、位相変調部は、光ファイバーループを伝搬する光の位相を変化させる位相変調器である。この場合、光ファイバーループを双方向に伝搬する光に対して、目的とする位相差を直接的に与えることができる。

本発明の別の側面では、位相変調器は、ニオブ酸リチウム導波路型位相変調器である。

本発明のさらに別の側面では、位相変調部は、光ファイバーループを伝搬する光の周波数を変化させることによって、光ファイバーループを伝搬する光の位相を変化させる光周波数シフターである。この場合、光ファイバーループを双方向に伝搬する光に対して、周波数変化を介して間接的に目的とする位相差を与えることができる。

本発明のさらに別の側面では、光周波数シフターは、音響光学変調器、ニオブ酸リチウム導波路型単一側波帯変調器、及び光ファイバー型周波数シフターのいずれかである。

本発明のさらに別の側面では、駆動部は、位相変調部に対して周期的な波形の駆動信号を出力する。この駆動信号の周期は、光ファイバーループ、光カプラー、及び反射部材によって構成される共振器についての自由スペクトル間隔又はその整数倍に対応するものとする。

本発明のさらに別の側面では、反射部材は、一対の第２並列ポートに対して接続される反射用ファイバーループを含む。この場合、共振器部分において公知の８の字形レーザーと類似する配置構成となる。

本発明のさらに別の側面では、反射部材は、一対の第２並列ポートの一方に接続される反射用ファイバーと、当該反射用ファイバーの一端に設けられるミラーとを含む。この場合、共振器部分において公知の９の字形レーザーと類似する配置構成となる。

本発明のさらに別の側面では、光ファイバーループは、非線形ファイバーを光路上に含む。この場合、光ファイバーループの波長分散特性などを調整することができる。

第１実施形態の光ファイバーレーザー装置を説明する概念図である。図１の装置に組み込まれた位相変調器の駆動方法を説明する図である。第２実施形態の光ファイバーレーザー装置を説明する概念図である。図３の装置に組み込まれた周波数シフターの駆動方法を説明する図である。第３実施形態の光ファイバーレーザー装置を説明する概念図である。（Ａ）は、具体的な実施例の光ファイバーレーザー装置を説明する図であり、（Ｂ）は、別の実施例の光ファイバーレーザー装置を説明する図である。（Ａ）～（Ｄ）は、図６（Ａ）に示す光ファイバーレーザー装置の特性を説明する図である。実施例の光ファイバーレーザー装置から出力された光パルスをさらに増幅した波形を示す。（Ａ）～（Ｄ）は、図６（Ｂ）に示す光ファイバーレーザー装置の特性を説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１その他を参照して、本発明に係る第１実施形態の光ファイバーレーザー装置について説明する。

図１に示す第１実施形態の光ファイバーレーザー装置１００は、偏波保持型の光ファイバーループ１０と、光ファイバーループ１０に接続される光カプラー２０と、光カプラー２０を介して光ファイバーループ１０の反対側に接続される反射部材３０と、光ファイバーループ１０中に配置されるファイバー増幅部４０と、ファイバー増幅部４０に励起光ＰＬを供給する励起部５０と、光ファイバーループ１０中に挿入される位相変調部６１と、位相変調部６１に対して任意波形の駆動信号を出力する駆動部６２と、光ファイバーループ１０中に配置される非線形ファイバー７０とを備える。

光ファイバーループ１０は、偏波保持型の光ファイバーからなるループ要素１１を有する。光ファイバーループ１０は、ループ要素１１の他に、ファイバー増幅部４０や非線形ファイバー７０を含んでいる。光ファイバーループ１０の両端は、光カプラー２０の一対の第１並列ポート２１，２２に接続されている。

光カプラー２０は、偏波保持型の光カプラーであり、光ファイバーループ１０側に第１並列ポート２１，２２を有し、反射部材３０側に第２並列ポート２３，２４を有する。光カプラー２０は、例えば２本のファイバーを融着延伸した２×２カプラーである。光カプラー２０は、導波路素子型の光カプラーとすることもできる。

反射部材３０は、ループミラーであり、偏波保持型の反射用ファイバーループ３１を有する。反射用ファイバーループ３１の両端は、光カプラー２０の一対の第２並列ポート２３，２４に接続されている。反射用ファイバーループ３１の途中にはインライン型のアイソレーター３５が挿入されており、反射用ファイバーループ３１中では、アイソレーター３５の順方向つまり時計方向にのみ光が伝搬するようになっている。反射用ファイバーループ３１の途中には出力プラー３３が設けられており、光ファイバーレーザー装置１００によって形成されたレーザー光ＢＯは、出力プラー３３の出力ポート３３ａに接続された光ファイバー３４を介して外部に出力される。

ファイバー増幅部４０は、増幅機能を備えるようにドープされた偏波保持型の光ファイバーである。ファイバー増幅部４０は、ループ要素１１に接続され、光ファイバーループ１０にインラインで挿入され光ファイバーループ１０の一部を構成する。ファイバー増幅部４０は、エルビウム（Ｅｒ）などの希土類元素を添加したドープファイバーであり、光ファイバーループ１０を周回する光を増幅する。ファイバー増幅部４０は、例えば半導体光増幅器、ファイバーラマン増幅器などの他の増幅媒質を用いた光増幅素子に置き換えることができる。

励起部５０は、励起光源５１と合波カプラー５２とを有する。励起光源５１は、例えば半導体レーザーで構成され、例えば波長９８０ｎｍの励起光を出力する。合波カプラー５２は、ループ要素１１を例えば波長１５５０ｎｍの光が伝搬し周回することを妨げないものとなっている。励起部５０を介して光ファイバーループ１０に導入された励起光は、ファイバー増幅部４０のドープファイバーに添加されたドーパントを励起し、出力用の共振光の波長での誘導放出を可能にする。

以上において、ファイバー増幅部４０及び非線形ファイバー７０を含む光ファイバーループ１０と、反射部材３０と、光ファイバーループ１０及び反射部材３０を連結する光カプラー２０とは、光ファイバーレーザー装置１００において出力光又はレーザー光ＢＯのための共振器として機能する。また、光ファイバーループ１０と光カプラー２０とは、後述する位相変調部６１とともに、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａを構成する。非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａの機能については後述する。

位相変調部６１は、光ファイバーループ１０中に挿入されるインライン型の位相変調器６１ａである。位相変調器６１ａは、光ファイバーループ１０を伝搬する共振光に対応する例えば波長１５５０ｎｍの光の位相を所望のタイミングで変化させることができる。位相変調器６１ａは、例えばニオブ酸リチウム導波路型位相変調器で形成されている。駆動部６２は、位相変調部６１に対して任意波形の駆動信号を出力することができるが、この場合、位相変調部６１に対して周期的な波形の駆動信号を出力する。なお、位相変調器６１ａについては、光カプラーと位相変調器とをＬＮ導波路上に集積化したＩ－ＦＯＧチップを用いることもできる。この場合、位相変調部６１と光カプラー２０とを一体化した装置を光ファイバーループ１０中に組み込むことになる。

位相変調部６１は、光ファイバーループ１０中において屈折率も考慮した伝搬距離に関して非対称な位置に挿入されている。つまり、光カプラー２０から光ファイバーループ１０側に出力された共振光のうち一方の第１並列ポート２１から出力された光は、光ファイバーループ１０を時計方向に伝搬するＣＷ光として、ファイバー増幅部４０と非線形ファイバー７０とを順次通過し、その後位相変調器６１ａに入射する。これとは反対に、他方の第２並列ポート２２から出力された光は、光ファイバーループ１０を反時計方向に伝搬するＣＣＷ光として、最初に位相変調器６１ａに入射し、その後非線形ファイバー７０とファイバー増幅部４０とを順次通過する。この結果、時計方向に伝搬するＣＷ光と、反時計方向に伝搬するＣＣＷ光とは、異なるタイミングで位相変調器６１ａに入射する。このことを利用すれば、位相変調器６１ａによって時計方向に伝搬するＣＷ光に与えられる位相シフト量と、位相変調器６１ａによって反時計方向に伝搬するＣＣＷ光に与えられる位相シフト量との間に所望のシフト量差又は位相差を与えることができる。このため、位相変調器６１ａは、駆動部６２からのＲＦ信号によって駆動され、ＣＷ光及びＣＣＷ光に互いに異なる位相シフト量を生じさせ、光カプラー２０の第１並列ポート２１，２２に入射する一対の共振光に所望の位相差を生じさせる。

上記のように位相変調部６１によって、光ファイバーループ１０を時計方向に伝搬するＣＷ光と光ファイバーループ１０を反時計方向に伝搬するＣＣＷ光とに異なる位相シフト量を与え位相バイアスを生じさせることができるので、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａにおいてＣＷ光及びＣＣＷ光間に位相バイアスを与えることができる。つまり、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａの位相バイアスを適切に選べば、光ファイバー型可飽和吸収素子（ＳＡ）としての非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａの飽和強度を下げてモード同期閾値を低減できるのと同時に、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａの動作を反転させて、低強度成分が透過して高強度成分が反射するようにできる。より具体的には、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａからの弱い光は、光カプラー２０の一方の第２並列ポート２３から反射用ファイバーループ３１に反時計方向に入射して伝搬が阻止され、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａからの強い光は、他方の第２並列ポート２４から反射用ファイバーループ３１に時計方向に入射して高い透過率で伝搬する状態とできる。つまり、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａを利用した受動モード同期的な同期によって短パルス発生が可能になる。その一方で、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａによって与える位相バイアスは、位相変調部６１及び駆動部６２によって動的に調整できるので、能動モード同期的な動作が可能になり、短パルスを高周波で繰り返し発生させることができる。このように、第１実施形態の光ファイバーレーザー装置１００は、受動モード同期と能動モード同期とがもつ特長を両立させることのできる受動・能動ハイブリッドモード同期型の光ファイバーレーザーと見ることができる。受動・能動ハイブリッドモード同期により、受動モード同期のもつフェムト秒領域での超短パルス発生能力と、能動モード同期のもつパルスの高安定性（例えば、低ジッタ、低強度雑音）及び高繰り返し周波数化（～１０ＧＨｚ）という特長を両立する優れた短パルス光ファイバーレーザー光源を実現できる。このような高安定な短パルス光ファイバーレーザー光源（受動・能動ハイブリッド型の光ファイバーレーザー光源）は、特に計測及び計量において重要であり、高繰り返し周波数ＳＣコムの計量及び計測、非線形光学顕微鏡、及びＲＺパルス光通信などのシステムの光源としての応用が期待される。

以下、光ファイバーループ１０における位相変調部６１の配置について説明する。ＣＷ光であるパルス光Ｂ１に関しては、光ファイバーループ１０の一端から位相変調部６１までの長さ又は光路長をＬ１とし、ＣＣＷ光であるパルス光Ｂ２に関しては、光ファイバーループ１０の他端から位相変調部６１までの長さ又は光路長をＬ２とすると、両長さＬ１，Ｌ２は等しくなく、Ｌ１＞Ｌ２なる関係が成立している。さらに、光ファイバーループ１０の端から反射用ファイバーループ３１を周回する長さ又は光路長を２×Ｌ３とする。

ここで、図２に示すように、正弦波での位相変調を考える。図２のグラフにおいて横軸は時間であり、縦軸は位相である。実線で示す正弦波は、位相変調器６１ａによって共振光に与えられる位相変調による位相シフトを示す。また、一点鎖線で示す上下に延びる線は、ＣＷ光であるパルス光Ｂ１が位相変調器６１ａを通過するタイミングを示し、点線で示す上下に延びる線は、ＣＣＷ光であるパルス光Ｂ２が位相変調器６１ａを通過するタイミングを示す。図から明らかなように、ＣＷのパルス光Ｂ１とＣＣＷのパルス光Ｂ２とに与える位相差が最大になるのは、ＣＷのパルス光Ｂ１のパルス列がＣＣＷのパルス光Ｂ２のパルス列とのちょうど中間に来るときである。このような条件は、光ファイバーレーザー装置１００の共振器長Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＋２×Ｌ３として、
Ｌ１－Ｌ２＝Ｌ／２
２×Ｌ３＝Ｌ１－３×Ｌ２
を満たすときに成り立つ。ただし、この条件から多少ずれても得られる位相差が減少するだけである。このとき、駆動部６２から位相変調器６１ａに供給する駆動信号であるＲＦ電気信号の周波数ｆ_ＲＦは、共振器長で決まる自由スペクトル間隔（ＦＳＲ）と同じ、若しくはその整数倍
ｆ_ＲＦ＝Ｎ×ＦＳＲ＝Ｎ×ｃ／（ｎ・Ｌ）
（ｃ：光速、ｎ：共振器を構成する光ファイバーの屈折率、Ｎ：整数）
に合わせる必要がある。ここで、位相変調器６１ａに与える位相差Δφの大きさは、位相変調器６１ａに与えるＲＦ電気信号の大きさで調整する。また、この手法は、非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａを用いる強度変調によって能動モード同期をかける方式でもあるため、実施形態の光ファイバーレーザー装置１００については、高調波能動モード同期が可能である。よって、周波数ｆ_ＲＦ＝Ｎ×ＦＳＲ中の整数Ｎは、モード次数に相当する。

以上のように、第１実施形態の光ファイバーレーザー装置１００では、駆動部６２が光ファイバーループ１０中において非対称な位置に配置される位相変調部６１に対して任意波形の駆動信号を出力するので、光ファイバーループ１０を一方向に伝搬するＣＷ光と、光ファイバーループ１０を他方向に伝搬するＣＣＷ光とに対して所望の位相差を与えることができる。つまり、位相変調部６１を利用した能動モード同期でのレーザーパルスの発生が可能になり、出力されるレーザーパルスの高安定性及び高繰り返し周波数化を達成できる。ここで、光ファイバーループ１０と、光カプラー２０と、ファイバー増幅部４０と、位相変調器６１ａとは、受動モード同期を可能にする非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａを構成し、超短パルスの発生が容易になっている。

本実施形態の光ファイバーレーザー装置１００は、共振器の一端側として、光カプラー２０の一対の第２並列ポート２３，２４に対して接続される反射用ファイバーループ３１を含む。この場合、光ファイバーループ１０も含めた共振器部分において公知の８の字形レーザーと類似する配置構成となる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る光ファイバーレーザー装置について説明する。なお、第２実施形態に係る光ファイバーレーザー装置は、第１実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様である。

図３に示すように、第２実施形態の光ファイバーレーザー装置では、位相変調部６１として周波数シフター６１ｂを用いている。周波数シフター６１ｂは、光ファイバーループ１０中において屈折率も考慮した伝搬距離に関して非対称な位置に挿入されている。この結果、周波数シフター６１ｂは、ＣＷのパルス光Ｂ１とＣＣＷのパルス光Ｂ２とに対してΔｆの周波数変化を与えることで、両パルス光Ｂ１，Ｂ２に非対称な位相シフトを与えることができる。なお、第２実施形態の光ファイバーレーザー装置は、周波数シフト帰還型レーザ（ＦＳＦ）として動作する。

図４は、光ファイバーループ１０を伝搬するパルス光Ｂ１，Ｂ２について、周波数シフター６１ｂによる位相変調を示している。周波数シフター６１ｂによる位相シフト又は位相差Δφは、周波数変化をΔｆ、導波時間をｔとして、Δφ＝２πΔｆ・ｔで与えられる。位相シフトを±πの間のみで考えると、実線で示す周波数変調に伴って、ＣＷのパルス光Ｂ１とＣＣＷのパルス光Ｂ２とに対して例えば鋸波状の位相シフト又は位相変調を付与することができる。周波数シフター６１ｂが非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａ内の非対称な位置にあるとすれば、一点鎖線で示すＣＷのパルス光Ｂ１と、点線で示すＣＣＷのパルス光Ｂ２とは、異なる位相シフトを受ける。このような位相差Δφが常に同じになるためには、駆動部６２が周波数シフター６１ｂに付与するＲＦ電気信号（ここでは鋸波状の信号もＲＦの概念に含めて考える）の周波数ｆ_ＲＦは、位相変調の場合と同じく
ｆ_ＲＦ＝Ｎ×ＦＳＲ＝Ｎ×ｃ／（ｎ・Ｌ）
である必要がある。このときの位相差Δφは、
Δφ＝２πΔｆ×ｎ×（Ｌ１－Ｌ２）／ｃ
で与えられる。したがって、両パルス光Ｂ１，Ｂ２に与えられる位相差は、周波数シフター６１ｂの光ファイバーループ１０中の位置により調整できる。ここで、位相変調器６１ａの配置は、非対称性があればよく、配置の自由度が比較的高い。周波数シフター６１ｂとして、例えば音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いることができ、数１０ＭＨｚ程度の光周波数シフトが得られる。この他に、周波数シフター６１ｂとして、高速なＬＮ導波路型単一側波帯（ＳＳＢ）変調器を利用することもできる。また、周波数シフター６１ｂとして光ファイバー型周波数シフターを用いると、高出力及び高信頼性の観点で有利である。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る光ファイバーレーザー装置について説明する。なお、第３実施形態に係る光ファイバーレーザー装置は、第１実施形態を変形したものであり、特に説明しない部分については、第１実施形態と同様である。

図５に示すように、第３実施形態の光ファイバーレーザー装置１００は、反射部材３０として、反射用ファイバー１３１とミラー３２とを有する。反射用ファイバー１３１は、偏波保持型の光ファイバーであり、一端において光カプラー２０の第２並列ポート２３，２４のうち一方（つまり第２並列ポート２３）に接続され、他端においてミラー３２の反射面に接合されている。反射用ファイバー１３１の途中には出力プラー３３が設けられており、光ファイバーレーザー装置１００によって形成されたレーザー光ＢＯは、出力プラー３３の出力ポート３３ａに接続された光ファイバー３４を介して出力される。

反射部材３０において、光カプラー２０のうち一方（つまり第２並列ポート２３）から反射用ファイバー１３１に入射した光は、ミラー３２によって反射用ファイバー１３１を往復する。以上において、ファイバー増幅部４０及び非線形ファイバー７０を含む光ファイバーループ１０と、反射部材３０と、光ファイバーループ１０及び反射部材３０を連結する光カプラー２０とは、光ファイバーレーザー装置１００において出力光又はレーザー光ＢＯのための共振器として機能する。

なお、位相変調部６１としては、第１実施形態のように位相変調器６１ａを用いることができるが、第２実施形態のように周波数シフター６１ｂを用いることもできる。

本実施形態の光ファイバーレーザー装置１００は、共振器の一端側として、光カプラー２０の一対の第２並列ポート２３，２４の一方のポート２３に接続される反射用ファイバー１３１と、当該反射用ファイバー１３１の一端に設けられるミラー３２とを含む。この場合、光ファイバーループ１０も含めた共振器部分において公知の９の字形レーザーと類似する配置構成となる。

以上で説明した第１～第３実施形態の光ファイバーレーザー装置１００は、ピコ秒又はフェムト秒領域の高強度短パルスを発生する光源を応用する分野、例えば微細加工、分光、計量、レーザー顕微鏡、レーザーイメージングなどの分野に応用することができる。

〔実施例１〕
図６（Ａ）を参照して、第１実施形態に対応する実施例１について説明する。光ファイバーレーザー装置１００を構成する光ファイバーは、全て偏波維持（ＰＭ）ファイバーである。光ファイバーレーザー装置１００の光ファイバーループ１０は、ループ要素１１と、ファイバー増幅部４０と、非線形ファイバー７０とを含んでおり、ループ要素１１は、偏波維持シングルモードファイバー（ＰＭ－ＳＭＦ）で形成し、長さを２５ｍとした。ファイバー増幅部４０は、Ｅｒドープファイバー（ＰＭ－ＥＤＦ）で形成し、長さを５ｍとした。非線形ファイバー７０は、分散シフトファイバー（ＰＭ－ＤＳＦ）で形成し、長さを２０ｍとした。非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａは、ＰＭ－ＳＭＦ、ＰＭ－ＥＤＦ、及びＰＭ－ＤＳＦの他、１：１分岐の３ｄＢの光カプラー２０、及びニオブ酸リチウム導波路型位相変調器である位相変調器６１ａを備えるものとした。Ｅｒドープファイバー（ＰＭ－ＥＤＦ）に対しては、レーザーダイオードからの波長９８０ｎｍでポンプパワー２５０ｍＷのレーザー光によって励起を行った。非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）１００ａには、励起光を導入する合波カプラー５２として１５５０／９８０ＷＤＭカプラーや、励起光をループ外に排出する分岐カプラー５３として１５５０／９８０ＷＤＭカプラーが挿入されている。反射部材３０において、反射用ファイバーループ３１は、偏波維持シングルモードファイバー（ＰＭ－ＳＭＦ）で形成し、長さを３４ｍとした。反射用ファイバーループ３１の途中には２つのアイソレーター３５が挿入されており、３０％の出力プラー３３を用いている。出力プラー３３の出力ポート側にも、アイソレーター１３５が挿入されている。以上の構成において、ファンクションジェネレーターである駆動部６２から位相変調器６１ａに供給するＲＦ電気信号を変調電圧０～３．５Ｖ（Ｖ_π≒３．２Ｖ）で変調周波数０～１５ＭＨｚとすることでモード同期が実現された。

図７（Ａ）は、実施例１の光ファイバーレーザー装置を測定した結果であり、変調周波数１．６４ＭＨｚでの出力パルスの光スペクトラムを示す。図７（Ｂ）は、実施例１の光ファイバーレーザー装置の自己相関波形を示し、図７（Ｃ）は、出力パルス列をオシロスコープに表示させものであり、図７（Ｄ）は、実施例１の光ファイバーレーザー装置のＲＦスペクトラムを示す。図８は、実施例１の光ファイバーレーザー装置から出力された光パルスを不図示の増幅器で増幅した波形を示す。以上の測定において、オートコリレーターの分解能は２５ｆｓであり、平均回数は３２回である。得られたパルス光のパルス幅（Ｓｅｃｈ型）は２１０ｆｓであり、スペクトル幅は１７．９４ｎｍであり、帯域時間積は０．４６９であった。得られたパルス光の繰り返し周波数は１．５４ＭＨｚであり、ＲＦスペクトルのＳＮ比は５０ｄＢであり、パルスパワーは３．４ｐＪであった。モード同期は複数の変調周波数で実現し、１．６４ＭＨｚを除く１．６４±ｎ×約０．１ＭＨｚ（ｎは自然数）でモード同期が実現した。実現したどのモード同期でも繰り返し周波数は１．６４ＭＨｚであり、分数モード同期が起こっていると考えられる。

〔実施例２〕
図６（Ｂ）を参照して、第３実施形態に対応する実施例２について説明する。光ファイバーレーザー装置１００を構成する光ファイバーは、全て偏波維持（ＰＭ）ファイバーである。光ファイバーレーザー装置１００を構成する光ファイバーループ１０と、光カプラー２０と、励起部５０と、位相変調部６１と、駆動部６２とは、図６（Ａ）に示す実施例１と同一の構成となっている。反射部材３０において、ミラー３２として反射率９９％のファイバーフェルール型ミラーを用い、反射用ファイバー１３１として長さを３４ｍの偏波維持シングルモードファイバー（ＰＭ－ＳＭＦ）を用いた。この場合、光カプラー２０の一対の第２並列ポート２３，２４のうち反射用ファイバー１３１に接続されていない側のポート２３を出力ポートとして用いアイソレーター１３５を設けている。

図９（Ａ）は、実施例２の光ファイバーレーザー装置を測定した結果であり、変調周波数１．６４ＭＨｚでの出力パルスの光スペクトラムを示す。図９（Ｂ）は、実施例２の光ファイバーレーザー装置の自己相関波形を示し、図９（Ｃ）は、出力パルス列をオシロスコープに表示させものであり、図９（Ｄ）は、実施例２の光ファイバーレーザー装置のＲＦスペクトラムを示す。実施例２の光ファイバーレーザー装置の測定は、実施例１の光ファイバーレーザー装置の測定と同様に行われ、実施例１の光ファイバーレーザー装置と同様のパルス光が得られた。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、励起光源５１及び光ファイバーループ１０で使用する励起用レーザー光及び増幅レーザー光の波長は、上記に例示するものに限らず、様々なものを使用できる。

図２に示す正弦波状の位相変調すなわちＲＦ電気信号と、図４に示す鋸波状の位相変調すなわちＲＦ電気信号とは、いずれも単なる例示であり、光ファイバーレーザー装置１００の用途などに応じて位相変調又はＲＦ電気信号の波形を調整することができる。

位相変調部６１は、光ファイバーループ１０上の一箇所に限らず、複数箇所に設けることもできる。

１０…光ファイバーループ、１１…ループ要素、２０…光カプラー、２１，２２…第１並列ポート、２３，２４…第２並列ポート、３０…反射部材、３１，１３１…反射用ファイバーループ、３２…ミラー、３３…出力プラー、３４…光ファイバー、３５…アイソレーター、４０…ファイバー増幅部、５０…励起部、５１…励起光源、５２…合波カプラー、６１…位相変調部、６１ａ…位相変調器、６１ｂ…周波数シフター、６２…駆動部、７０…非線形ファイバー、１００…光ファイバーレーザー装置、Ｂ１，Ｂ２…パルス光、ＢＯ…レーザー光

Claims

偏波保持型の光ファイバーループと、
前記光ファイバーループの両端に対して接続される一対の第１並列ポートを有する光カプラーと、
前記一対の第１並列ポートに対向するように前記光カプラーの反対側に設けられた一対の第２並列ポートの少なくとも一方に接続される反射部材と、
前記光ファイバーループ中に配置されるファイバー増幅部と、
前記光ファイバーループ中において伝搬距離に関して非対称な位置に挿入される位相変調部と、
前記位相変調部に対して、光に正弦波及び鋸波状のいずれかの位相変化を生じさせる駆動信号を出力する駆動部とを備える、光ファイバーレーザー装置。
前記位相変調部は、前記光ファイバーループを伝搬する光の位相を変化させる位相変調器である、請求項１に記載の光ファイバーレーザー装置。
前記位相変調器は、ニオブ酸リチウム導波路型位相変調器である、請求項２に記載の光ファイバーレーザー装置。
前記位相変調部は、前記光ファイバーループを伝搬する光の周波数を変化させることによって、前記光ファイバーループを伝搬する光の位相を変化させる光周波数シフターである、請求項１に記載の光ファイバーレーザー装置。
前記光周波数シフターは、音響光学変調器、ニオブ酸リチウム導波路型単一側波帯変調器、及び光ファイバー型周波数シフターのいずれかである、請求項４に記載の光ファイバーレーザー装置。
全体の共振器長をＬとし、前記光ファイバーループにおける前記光カプラーから前記位相変調部までの距離をＬ１及びＬ２とし、前記反射部材の光路長を２×Ｌ３としたとき、
Ｌ１－Ｌ２＝Ｌ／２
２×Ｌ３＝Ｌ１－３Ｌ２
である請求項１～５のいずれか一項に記載の光ファイバーレーザー装置。
前記反射部材は、前記一対の第２並列ポートに対して接続される反射用ファイバーループを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の光ファイバーレーザー装置。
前記反射部材は、前記一対の第２並列ポートの一方に接続される反射用ファイバーと、及び当該反射用ファイバーの一端に設けられるミラーとを含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の光ファイバーレーザー装置。
前記光ファイバーループは、非線形ファイバーを光路上に含む、請求項１～８のいずれか一項に記載の光ファイバーレーザー装置。