JPH0690050A

JPH0690050A - モード同期レーザ装置

Info

Publication number: JPH0690050A
Application number: JP4239761A
Authority: JP
Inventors: Hidehiko Takara; 秀彦高良; Satoki Kawanishi; 悟基川西; Masatoshi Saruwatari; 正俊猿渡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1992-09-08
Publication date: 1994-03-29
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: JP2772600B2

Abstract

(57)【要約】【目的】モード同期レーザ装置において複数の波長で
同時に光パルスを発生する。【構成】互いに異なる複数のスペクトル領域でそれぞ
れ利得を示す複数の光増幅器２−１、２−２をレーザ共
振器内に配置し、さらに、この複数のスペクトル領域の
それぞれの波長で同時にモード同期発振の条件が満たさ
れるように、波長分散手段３により波長によって異なる
屈折率を与える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高速光パルス列の発生に
利用する。特に、複数の波長で同時に光パルス列を発生
することのできる多波長のモード同期レーザ装置に関す
る。本発明は、複数の波長を多重して光ファイバに伝送
させる光波長多重伝送装置や波長差を利用して計測を行
う装置に使用される多波長の高速パルスレーザ装置とし
ての利用に適する。

【０００２】

【従来の技術】従来の波長多重型のレーザ装置は、基本
的には独立した複数のレーザ共振器を集積化した構成で
あり、例えばアレイ型の分布帰還型半導体レーザが開発
されている。

【０００３】しかし、分布帰還型半導体レーザの場合に
は、異なる波長で発振させるために回折格子のピッチ
（単位長あたりの溝数）を変える必要があり、製造が困
難なために製造歩留りも極めて悪かった。また、半導体
レーザ固有の問題として、発振波長の制御が難しく、波
長の変動が避けられない問題があった。また、半導体レ
ーザからの出力光を光ファイバに結合することも容易で
はない上に、アレイ型の複数の半導体レーザから１本の
光ファイバに効率良く結合することは極めて困難な状況
にあった。さらに、半導体レーザは注入電流によって直
接変調できる特徴があるものの、アレイ型の半導体レー
ザではチャネル間のクロストークが避けられなかった。

【０００４】一方、従来のモード同期レーザ装置は、利
得スイッチ半導体レーザやＱスイッチ固体レーザなどの
他のレーザ装置に比べ、極短光パルス（フェムト秒オー
ダ）の発生が可能、発振波長が広帯域で可変、長距離光
伝送に適したトランスフォームリミット光パルス、すな
わち時間バンド幅が最小となる光パルスを容易に発生で
きるなどの利点を有しており、これまで、大容量長距離
光通信や高速光計測などの分野への適用を目指して活発
に研究開発が進められている。しかしながら、従来、発
振波長が一つに限られており、複数の波長で同時に発振
するものはなかった。

【０００５】ここで、図２３ないし図２９を参照して従
来のリング共振器型モード同期レーザ装置の動作原理に
ついて説明する。

【０００６】図２３は装置構成の一例を示す。

【０００７】この装置は、光の損失あるいは位相をある
一定の周波数で変調する光変調器１、光パルスを発生し
て増幅する光増幅器２、光パルスの進行方向を規定し反
射戻り光を遮断する光アイソレータ４および増幅された
光パルスを外部に取り出す光分岐器５を備え、これらが
光ファイバその他の導波路または空間からなる光結合手
段を介して光学的にリング状に結合され、リング共振器
を構成する。光変調器１には駆動電源７が接続される。

【０００８】光変調器１としては、ＬｉＮｂＯ₃その他
の電気光学効果を利用した変調器が主として用いられ
る。光増幅器２としては、主に、光ファイバにエルビウ
ムＥｒ、ネオディミウムＮｄ、プラセオディウムＰｒそ
の他の希土類元素を添加した希土類ドープ光ファイバ増
幅器や、半導体レーザ増幅器が用いられる。

【０００９】図２４ないし図２６は希土類ドープ光ファ
イバ増幅器の動作方法を示し、図２７は半導体レーザ増
幅器の動作方法を示す。

【００１０】希土類ドープ光ファイバ１３は励起光源１
４からの励起光を入射することにより励起され、この希
土類ドープ光ファイバ１３に伝搬する光パルスを増幅す
ることができる。励起方法としては後方励起、前方励起
および双方向励起があり、これらをそれぞれ図２４、図
２５、図２６に示す。

【００１１】後方励起の場合には、図２４に示すよう
に、励起光源１４からの励起光と増幅すべき光パルスと
を逆方向に希土類ドープ光ファイバ１３に入射する。励
起光と増幅された光パルスとは、波長合波器１５により
分離される。

【００１２】前方励起の場合には、図２５に示すよう
に、励起光源１４からの励起光と増幅すべき光パルスと
を波長合波器１５で合波して同方向に希土類ドープ光フ
ァイバ１３に入射する。

【００１３】双方向励起は後方励起と前方励起を組み合
わせたものであり、図２６に示すように、希土類ドープ
光ファイバ１３の両側から励起光を入射する。

【００１４】半導体レーザ増幅器１６の場合には、図２
７に示しように、励起電流源１７からの電流により励起
され、入射光パルスを増幅して出力する。

【００１５】図２８はモード同期により得られる代表的
なスペクトル特性を示し、図２９はその時間特性を示
す。

【００１６】図２３に示したリング共振器の光路長Ｌ
は、各構成要素の物理長をｈ_i、その屈折率をｎ_iとし
たとき、個々の物理長と屈折率との積、すなわち光路
長、の和により、Ｌ＝Σｈ_iｎ_i …（１）と表される。

【００１７】さて、リング共振器では、光速度ｃに対し
てｆ_r＝ｃ／Ｌで与えられる周波数間隔をもつ多数の縦
モードが存在する。ここで、図２３の構成における光変
調器１で繰り返し周波数ｆ_m＝ｆ_rの光変調を加える
と、図２８に示すように、周波数間隔ｆ_rのすべて縦モ
ードの位相が揃うモード同期発振状態となり、図２９に
示すように、繰り返し周波数１／ｆ_rの光パルス列が得
られる。このときのパルス幅は、多数の縦モードスペク
トルの包絡線で定まる発振スペクトル幅δνの逆数に関
連した値となり、このスペクトル包絡線の中心が中心波
長（周波数ν₀）となる。

【００１８】すなわち、モード同期における縦モード発
振は繰り返しパルス列のフーリエ変換で定義される側帯
波スペクトルであり、スペクトル全体でひとつの光パル
ス列が形成されるのであって、複数の波長の光パルス列
が同時に発生しているものではない。なお、変調周波数
を１以上の整数Ｋに対してｆ_m＝Ｋ×ｆ_rとし、ｆ_rの
整数倍で動作させる倍数モード同期についても実現でき
るが、これは繰り返し周波数がＫ倍されるだけであっ
て、パルス幅、スペクトル幅は変わらない。

【００１９】このように、従来のモード同期レーザ装置
では複数の波長の光パルス列を同時に発生することはで
きず、そのような光パルス列を発生できるレーザ装置
は、前述したように複雑であると共に、高速動作や短光
パルス発生、光ファイバとの高効率結合を行うことが難
しく、また、発振波長の制御も容易ではなかった。

【００２０】本発明者等は、このような課題を解決する
ため、複数の波長の光パルス列を同時に発生することの
できる多波長モード同期レーザ装置を発明し、既に特許
出願した（特願平３−２３５１４３、本願出願時未公
開、以下「先の出願」という）。この先の出願では、共
振器内に偏光によって光路長の異なる部分を設け、それ
ぞれの光路長で異なる波長を共振させることにより、多
波長のモード同期を実現した。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、先の出願と
はまた別の新しい原理に基づき、高速かつ超短パルス幅
の光パルス列を複数の波長で同時に発生させることので
きるモード同期レーザ装置を提供することを目的とす
る。

【００２２】さらに本発明は、構成および光ファイバと
の結合が極めて簡単であり、発振波長の制御も可能な多
波長のモード同期レーザ装置を提供することを目的とす
る。

【００２３】

【課題を解決するため手段】本発明のモード同期レーザ
装置は、レーザ共振器（以下単に「共振器」という）
と、この共振器内の光の損失または位相をこの共振器で
発生する縦モードの周波数間隔ｆ_rの１以上の整数倍の
周波数で変調する光変調手段とを備えたモード同期レー
ザ装置において、共振器の内部に、互いに異なる複数の
スペクトル領域にそれぞれ利得を有する光増幅手段と、
この複数のスペクトル領域のそれぞれの波長で同時にモ
ード同期発振の条件が満たされるように、波長によって
異なる屈折率（光路長）を与える波長分散手段とを備え
たことを特徴とする。

【００２４】共振器はリング共振器型でもよく、ファブ
リペロ型でもよい。リング共振器型の場合には、共振器
内にさらに、光の進行方向を規定し反射戻り光を防ぐ光
アイソレータと、共振器内で発生した光パルスを外部に
取り出す光分岐手段とを備え、各構成要素を光ファイバ
その他の光結合手段により互いに光学的に結合して所定
の長さのリング状光路を形成する。ファブリペロ型の場
合には、共振器内の光の大部分を反射させる二つの光反
射手段を両端に配置し、その間に各構成要素を配置して
光学的に結合し、所定の長さの往復光路を形成する。

【００２５】光増幅手段は、複数の光増幅器を直列また
は並列に含むことがよい。すなわち、直列に接続された
互いに利得スペクトル領域の異なる複数の光増幅器を含
んでもよく、異なる波長の光を分離する波長分離手段
と、分離された光をそれぞれ増幅する複数の光増幅器
と、増幅された複数の光を合波する波長合波手段とを含
んでもよい。さらに、一個の光増幅器で複数のスペクト
ル領域をもつもの、例えば複数種類の希土類元素が添加
された光ファイバ増幅器を用いてもよい。

【００２６】光増幅器を直列に接続する場合、および複
数の元素を添加した希土類ドープ光ファイバを使用する
場合は、他の光増幅器または他の元素による吸収を避け
るため、複数のスペクトル領域が互いに実質的に重なり
あうことのない領域であることが望ましい。光増幅器を
並列に接続する場合には、そのような制約は不要であ
る。

【００２７】共振器内の光を複数に分岐しそれぞれに異
なる光路長を与える光路差付与手段をさらに備えること
もできる。この光路差付与手段は、光パルスを分離する
光分岐器と、分離された光パルスを再び合波する光合波
器と、この光分岐器と光合波器との間を光学的に結合す
る光路長の異なる複数の光路とを備えることができる。
また、１または複数の複屈折媒質、例えば複屈折光ファ
イバや複屈折結晶、を利用することもできる。複数の複
屈折媒質を使用する場合には、互いの光学軸のなす角度
が４５度となるように配置する。

【００２８】波長分散手段は、光路差付与手段を設ける
場合にはそれとの組み合わせにおいて、光増幅器を並列
に接続する場合にはそれとの組み合わせにおいて、複数
ｍの利得スペクトル領域に含まれる波長λ_j（ｊ＝１、
２…ｍ）における光路長および高調波モード次数をそれ
ぞれＬ_j、Ｋ_j（Ｋ_jは１以上の整数）とし、高速をｃ
としたときに、異なる波長における共振器周波数（＝高
速×モード同期次数／光路長）が等しくなる条件、すな
わち、Ｋ₁／Ｌ₁＝Ｋ₂／Ｌ₂＝ … ＝Ｋ_m／Ｌ_m を満たすように設定する。

【００２９】波長分散手段は、個別の素子として実現さ
れる必要はなく、場合によっては、共振器内に設けられ
る各素子およびそれらを結合する光結合手段の波長分散
特性を利用することにより実現できる。

【００３０】

【作用】互いに異なる複数のスペクトル領域にそれぞれ
利得を有する光増幅手段を共振器内に設け、複数の波長
を同時に光増幅する。その一方で、それらの複数の波長
でそれぞれモード同期の共振周波数条件が満たされるよ
うに、波長により異なる屈折率（光路長）を与える。こ
れにより、見かけ上ひとつのモード同期レーザで、複数
の波長の光パルス列を同時発振させることができる。

【００３１】また、共振器内の光を複数に分岐しそれぞ
れに異なる光路長を与えると、それぞれの光路に対応し
て別々の波長をモード同期発振させることができ、その
モード同期共振周波数条件の設定が容易になる。

【００３２】上述した先の出願では、ひとつの共振器内
に光路長の異なる部分を設け、異なる共振周波数条件を
同時に実現することにより、多波長のモード同期を実現
していた。これは、本発明における光路差付与手段に相
当するものである。しかし、この先の出願は、一つの利
得スペクトル領域内で複数波長の同時モード同期発振を
達成するものであり、この点で本発明とは異なる。

【００３３】

【実施例】図１は本発明第一実施例の多波長モード同期
レーザ装置を示すブロック構成図であり、図２はモード
同期で得られる代表的なスペクトル特性、図３はその時
間特性を示す。なお、ここでは２波長発振のモード同期
レーザを例に説明する。

【００３４】この実施例装置は本発明をリング共振器型
モード同期レーザ装置に実施したものであり、光変調器
１、二つの光増幅器２−１、２−２、波長分散手段３、
光アイソレータ４および光分岐器５が光ファイバその他
の導波路または空間からなる光結合手段によりリング上
で光学的に結合される。リング共振器を構成する各部の
配置位置は任意である。光変調器１は駆動電源７により
駆動され、共振器内の光の損失または位相をこの共振器
で発生する縦モードの周波数間隔ｆ_rの１以上の整数倍
の周波数で変調することができる。

【００３５】ここで本実施例の特徴とするところは、共
振器の内部に、互いに異なるスペクトル領域にそれぞれ
利得を有する光増幅手段として二つの光増幅器２−１、
２−２を直列に備え、この二つの光増幅器２−１、２−
２のそれぞれの利得スペクトルの波長で同時にモード同
期発振の条件が満たされるように波長によって異なる屈
折率を与える波長分散手段３を備えたことにある。

【００３６】波長分散手段３は単独の素子として実現さ
れるものではないが、ここでは、説明を簡単にするた
め、光増幅器２−１、２−２、光アイソレータ４、光分
岐器５およびこれらを光学的に結合する光結合手段、場
合によってさらに付加される構成要素、にそれぞれ含ま
れる屈折率が「１」ではない成分、例えば光ァイバや誘
電体材料、を等価的に集中させたものとし、波長分散手
段３以外の各構成要素の屈折率を「１」として扱う。す
なわち、リング共振器全体の長さをｈとしたとき、長さ
をｒｈ（０＜ｒ≦１）の波長分散手段３の屈折率を波長
λの関数ｎ（λ）とすることにより、波長分散手段３を
除く長さ（１−ｒ）ｈの部分の屈折率を「１」として扱
うことができる。

【００３７】このリング共振器型モード同期レーザ装置
の動作原理について説明する。

【００３８】本実施例の構成では、物理的にひとつのリ
ング共振器であっても、二つの光増幅器２−１、２−２
の異なる利得スペクトル領域のため、二つの異なる波長
λ₁、λ₂が共存し、しかも波長分散によりその二つの
波長λ₁、λ₂の光路長が異なる状態となる。ただし、
波長λ₁、λ₂はそれぞれ光増幅器２−１、２−２の利
得スペクトル領域内の波長とする。すなわち、波長
λ₁、λ₂に対する光路長Ｌ₁、Ｌ₂は、Ｌ₁＝｛ｒｎ(λ₁）＋１−ｒ｝ｈ …（２）Ｌ₂＝｛ｒｎ(λ₂）＋１−ｒ｝ｈ …（３）となる。

【００３９】ここで、各波長に対するモード同期の変調
周波数をｆ_m1、ｆ_m2とすると、モード同期を起こすため
には、各波長に対する共振器の縦モード間隔（高調波も
含める）がそれぞれｆ_m1、ｆ_m2と一致しなくてはならな
い。すなわち、ｆ_m1＝｛ｃ／Ｌ₁｝×Ｋ₁ …（４）ｆ_m2＝｛ｃ／Ｌ₂｝×Ｋ₂ …（５）の条件を満たさなくてはならない。ここでｃは真空中の
光速であり、Ｋ₁、Ｋ₂は１以上の整数である。

【００４０】さらに、これらの２波長で同期してモード
同期発振を起こすためには、ｆ_m1＝ｆ_m2（＝ｆ_m）とな
ることが必要である。したがって、（２）式ないし
（５）式より、ｆ_m＝〔ｃ／｛ｒｎ(λ₁）＋１−ｒ｝ｈ〕×Ｋ₁ ＝〔ｃ／｛ｒｎ(λ₂）＋１−ｒ｝ｈ〕×Ｋ₂ …（６）が得られる。したがって、波長分散手段３の波長分散の
値、Ｋ₁、Ｋ₂およびｒ、ｈを適当に設定することによ
り、繰り返し周波数ｆ_mにおいて（６）式が成立し、異
なる二つの波長λ₁、λ₂において同期したモード同期
発振を達成することができる。

【００４１】具体的にｎ(λ₁）、ｎ(λ₂）とＫ₁、Ｋ₂
との関係を求めると、（６）式より、Ｌ₁／Ｌ₂＝｛ｒｎ(λ₁）＋１−ｒ｝／｛ｒｎ(λ₂）＋１−ｒ｝＝Ｋ₁／Ｋ₂ …（７）となる。この式が２波長同時のモード同期発振の条件で
ある。

【００４２】ここで、異なる２波長をλ₁＝１．３０μ
ｍ、λ₂＝１．５５μｍとし、ｒ＝１、すなわち波長分
散手段３が共振器全体に分布し、その屈折率ｎがすべて
石英光ファイバの値で近似できると仮定する。このと
き、ｎ(λ₁）＝１．４４９ｎ(λ₂）＝１．４４６であるから、（７）式より、Ｋ₁／Ｋ₂≒１．００２が求まる。すなわち、Ｋ₁＝５０１×ｉ、Ｋ₂＝５００
×ｉ（ｉは１以上の整数）とし、１．３０μｍ、１．５
５μｍ近傍の適当な波長のペアを選べば、２波長モード
同期の条件である（７）式が成立する。この関係を
（６）式に代入すると、モード同期周波数ｆ_mの値とし
て、ｆ_m＝５０１ｉ×ｃ／｛ｒｎ(λ₁）・ｈ｝＝５００ｉ×ｃ／｛ｒｎ(λ₂）・ｈ｝が得られ、ｆ_mをＧＨｚ、ｈをｍで表せば、ｆ_m＝１５０×ｉ／｛ｒｎ(λ₂）・ｈ｝となる。したがって、リング共振器長ｈをｈ＝５０
〔ｍ〕とすると、繰り返し周波数ｆ_m≒３×ｉ〔ＧＨ
ｚ〕において、１．３０μｍ、１．５５μｍのそれぞれ
近傍の波長のペアで、同期したモード同期発振が可能と
なる。

【００４３】二つの光増幅器２−１、２−２の利得スペ
クトル領域は、図２に示すように、互いに重ならないこ
とが望ましい。これは、二つの利得スペクトル領域が重
なると、１つの波長として重なった領域の波長を用いた
場合に、二つの光増幅器２−１、２−２の利得を消費
し、他方の波長の発振に必要な利得が減少するからであ
る。また、二つの光増幅器２−１、２−２の光損失や光
吸収は、互いに他方の波長において小さい方が、リング
共振器としての利得Ｇ（＞１）が高くなるため望まし
い。

【００４４】なお、図２、図３では、波長λ₁、λ₂に
対応する光周波数ν₁、ν₂によりスペクトル特性およ
び時間特性を示している。

【００４５】図４、図５および図６は、それぞれＥｒ、
Ｎｄ、Ｐｒをドープした光ファイバのエネルギ準位とそ
の吸収、発光の遷移のようすとを示す。

【００４６】Ｅｒは波長６５０ｎｍ、８００ｎｍ、９８
０ｎｍまたは１．４８μｍの光源により励起すると、
１．５４μｍを中心とした波長帯域を増幅することが可
能である。Ｎｄは、波長０．８μｍまたは０．９μｍの
光源により励起すると、１．０６μｍ、１．３２μｍ、
１．８μｍを中心とした波長帯域を増幅することが可能
である。Ｐｒは、波長１．０１７μｍまたは０．９８μ
ｍの光源により励起すると、０．５３５μｍ、０．６３
５μｍ、１．３μｍを中心とした波長帯域を増幅するこ
とが可能である。また、希土類ドープ光ファイバは、吸
収、発光の起こるエネルギ準位に対する波長以外では、
吸収がないため損失は少ない。

【００４７】例えば、光増幅器２−１としてＥｒドープ
光ファイバおよび１．４８μｍ励起光源を用い、光増幅
器２−２としてＮｄドープ光ファイバおよび０．９μｍ
励起光源を用いた場合には、１．５μｍ帯と１．３μｍ
帯とで、または１．５μｍ帯と１．１μｍ帯とで独立に
増幅が行われる。また、互いに他方の波長に対しては吸
収がないため低損失である。したがって、それぞれの利
得スペクトル領域で、（６）式および（７）式の条件を
満たす二つの波長において同時にモード同期発振が起こ
る。

【００４８】光変調器１としては、電気光学効果を利用
したマッハツェンダ型ＬｉＮｂＯ₃光強度変調器、方向
性結合型ＬｉＮｂＯ₃光強度変調器などを利用できる。
また、多重量子井戸構造のＩｎＧａＡｓＰ材料における
電気光学効果や吸収端の電圧依存性を利用した光変調器
を使用してもよい。また、半導体レーザ増幅器を光変調
器として用いてもよい。なお、これらの光変調器には偏
波依存性を有するタイプが多いが、その場合には入射偏
光を変調の加わる偏光方向に一致させれば問題はない。

【００４９】光アイソレータ４は、共振器内に少なくと
も一個あればよく、次の条件を考慮すれば、共振器内の
任意の場所に配置してよい。すなわち、光アイソレータ
の順方向の向きを光分岐器５から光パルスが出力される
方向に設定すること、さらに、逆方向励起または双方向
励起の希土類ドープ光ファイバ増幅器内に配置する場合
には、励起光が希土類ドープ光ファイバに入射するのを
妨げない位置に配置することなどを考慮すればよい。

【００５０】なお、光変調器１および光アイソレータ４
は波長依存性を有するが、扱う複数の波長において、で
きるだけ特性に差が少ないものが望ましい。

【００５１】図７は本発明第二実施例の多波長モード同
期レーザ装置を示すブロック構成図である。

【００５２】この実施例は、三つ以上の光増幅器２−
１、２−２、…、２−Ｎが直列に接続されたことが第一
実施例と異なる。この場合にも第一実施例と同様に、光
増幅器２−１、２−２、…、２−Ｎがそれぞれ異なる利
得スペクトル領域をもち、それぞれの領域内の波長が
（６）式または（７）式と同様のモード同期条件、すな
わち、Ｋ₁／Ｌ₁＝Ｋ₂／Ｌ₂＝ … ＝Ｋ_m／Ｌ_m を満足すれば、三つ以上ｍ個の波長でも同時にモード同
期発振を行わせることができる。

【００５３】図８は本発明第三実施例の多波長モード同
期レーザ装置を示すブロック構成図である。

【００５４】この実施例は、複数の利得スペクトルを有
する光増幅器２０を用いたことが第一実施例および第二
実施例と異なる。このような光増幅器としては、例えば
複数の希土類をドープした光ファイバ増幅器を用いるこ
とができる。このような光ファイバ増幅器は、一本で複
数の利得スペクトル領域をもち、同時に多波長の増幅が
可能である。例えばＮｄイオンとＥｒイオンとをドープ
すると、その光ファイバ増幅器は１．３０μｍ帯と１．
５μｍ帯とで利得特性をもつ。また、互いに利得の奪い
合いや吸収は起きない。したがって、複数の希土類をド
ープした光ファイバ増幅器を一つ用いることで、第一実
施例または第二実施例と同様な原理で多波長の同時モー
ド同期発振を実現できる。

【００５５】図９は本発明第四実施例の多波長モード同
期レーザ装置を示すブロック構成図であり、本発明をフ
ァブリペロ共振器型モード同期レーザ装置に実施した例
を示す。

【００５６】この実施例装置は、反射鏡８−１、８−２
が配置されたファブリペロ共振器を備え、この共振器内
の光の損失または位相をこの共振器で発生する縦モード
の周波数間隔ｆ_rの１以上の整数倍の周波数で変調する
光変調手段としての光変調器１を備える。

【００５７】ここで本実施例の特徴とするところは、共
振器の内部に、互いに異なるスペクトル領域でそれぞれ
利得を示す光増幅手段として二つの光増幅器２−１、２
−２を備え、この光増幅器２−１、２−２のそれぞれの
スペクトル領域の波長で同時にモード同期発振の条件が
満たされるように波長によって異なる屈折率を与える波
長分散手段３を備えたことにある。

【００５８】反射鏡８−１、８−２に挟まれた各構成要
素は、空間または光ファイバその他の導波路からなる光
結合手段を介して光学的に結合される。共振器内の光パ
ルスは、その一部が反射鏡８−１、８−２の少なくとも
一方を透過し、外部に取り出される。反射鏡８−１、８
−２に挟まれた各構成要素の配置は任意である。

【００５９】本実施例の動作は、上述したリング共振器
型モード同期レーザの説明における縦モードの周波数間
隔をｆ_r＝ｃ／２Ｌと半分にすれば、同様に説明でき
る。すなわち、本実施例の場合にも、（６）式または
（７）式を満たす二つの波長で同時に同期発振させるこ
とができる。

【００６０】図１０は本発明第五実施例の多波長モード
同期レーザ装置を示すブロック構成図であり、本発明を
リング共振器型モード同期レーザ装置に実施した例を示
す。

【００６１】この実施例装置は、共振器内に、光を複数
に分岐しそれぞれに異なる光路長を与える光路差付与手
段２１をさらに備えたことが第一実施例と異なる。

【００６２】ここで、波長λ₁、λ₂がそれぞれ光増幅
器２−１、２−２の利得スペクトル領域内の波長であ
り、光路差付与手段２１以外の共振器の物理的な長さが
ｈ、光路差付与手段２１内の二つの光路Ａ、Ｂの物理的
な長さがそれぞれｈ_A、ｈ_Bとする。また、波長λ₁に
対しては光路Ａ、波長λ₂に対しては光路Ｂについて考
える。すると、波長λ₁、λ₂に対する光路長Ｌ₁、Ｌ
₂は、Ｌ₁＝｛ｒｎ(λ₁）＋１−ｒ｝（ｈ＋ｈ_A） …（９）Ｌ₂＝｛ｒｎ(λ₂）＋１−ｒ｝（ｈ＋ｈ_B） …（１０）となる。したがって、異なる二つの波長λ₁、λ₂にお
いて、同期したモード同期発振が起きる条件は、ｆ_m＝〔ｃ／｛ｒｎ(λ₁）＋１−ｒ｝（ｈ＋ｈ_A）〕×Ｋ₁ ＝〔ｃ／｛ｒｎ(λ₂）＋１−ｒ｝（ｈ＋ｈ_B）〕×Ｋ₂ …（１１）となる。（１１）式を成立されるための変数として、第
一実施例で説明したＫ₁、Ｋ₂、ｈ、ｎ(λ₁）およびｎ
(λ₂）に、光路差付与手段２１の光路Ａ、Ｂの物理的な
長さｈ_A、ｈ_Bが加わる。

【００６３】ｎ(λ₁）、ｎ(λ₂）とＫ₁、Ｋ₂との関係
は、（１１）式より、Ｌ₁／Ｌ₂＝｛ｒｎ(λ₁）＋１−ｒ｝（ｈ＋ｈ_A） ÷｛ｒｎ(λ₂）＋１−ｒ｝（ｈ＋ｈ_B）＝Ｋ₁／Ｋ₂ …（１２）となる。

【００６４】ここで、各条件を第一実施例の具体的な計
算例と同等であると仮定する。すなわち、λ₁＝１．３
０μｍ、λ₂＝１．５５μｍ、ｒ＝１、波長分散手段３
がリング共振器全体に分布し、その屈折率ｎがすべて石
英光ファイバの値で近似可能であるとする。このとき、ｎ(λ₁）＝１．４４９ｎ(λ₂）＝１．４４６であるから、（１２）式は、Ｋ₁×（ｈ＋ｈ_B）／Ｋ₂×（ｈ＋ｈ_A）＝１．００２ …（１３）となる。Ｋ₁、Ｋ₂はともに１以上の整数であるが、ｈ
＋ｈ_A、ｈ＋ｈ_Bは「長さ」であるため、高精度に調整
可能であり、Ｋ₁とＫ₂との組み合わせを任意に設定で
きる。例えばｈ_Aとｈ_Bとを調整して（ｈ＋ｈ_B）／（ｈ＋ｈ_A）＝１．００２とすると、Ｋ₁＝Ｋ₂＝１となる基本周波数でも２波長
のモード同期発振が可能となる。

【００６５】このように、本実施例では、第一実施例に
比較して繰り返し周波数の設定が容易であり、多波長モ
ード同期発振が可能となる繰り返し周波数や波長の組み
合わせが広範囲に選択できる。

【００６６】また、本実施例においても、第一実施例に
対する第二実施例と同様に、光増幅器を３以上設けるこ
とができる。

【００６７】図１１ないし図１４は光路差付与手段の構
成例を示す。

【００６８】図１１に示す光路差付与手段は、光分離器
１１１および光合波器１１２の間に、それぞれ異なる光
路長の光路１１３、１１４を配置して光学的に結合した
ものである。光分離器１１１および光合波器１１２は、
波長に依存して合分波を行うものでもよく、光強度によ
る合分波を行うものでもよい。

【００６９】図１２に示す光路差付与手段は、複屈折媒
質である偏波保持光ファイバ１２１を用いたものであ
る。入射光の偏光方向を偏波保持光ファイバ１２１の主
軸に対して４５度の角度に設定すると、直交する二つの
主軸方向に平行な二つの偏光成分に分離する。このと
き、偏波保持光ファイバ１２１の複屈折性、すなわち主
軸方向で屈折率が異なることにより、各偏光成分に対す
る光路長、すなわち物理的な長さ×屈折率が異なり、光
路差を付与することができる。また、偏波保持光ファイ
バの代わりに、複屈折結晶その他の複屈折媒質を用いる
こともできる。

【００７０】図１１、図１２に示した光路差付与手段は
二つの光路差を付与するものであり、二つの光増幅器を
用いる場合に使用できる。３以上の光増幅器を用いる場
合には、図１３または図１４に示した光路差付与手段を
用いる。

【００７１】図１３に示す光路差付与手段は、実質的に
は図１１に示したものと同等であるが、分岐の数が異な
る。すなわち、３以上の光への分波および合波ができる
光分離器１３１および光合波器１３３を用い、その間
に、それぞれ異なる光路長の光路１３２−１〜１３２−
Ｎを配置して光学的に結合する。

【００７２】図１４に示す光路差付与手段は、図１２に
示したものと同様に複屈折媒質を使用しているが、長さ
の異なる複数の複屈折媒質、この場合には偏波保持光フ
ァイバ１４１−１〜１４１−Ｎを用いたことが異なる。
これらの偏波保持光ファイバ１４１−１〜１４１−Ｎ
は、隣接するどうしで光軸軸が４５度傾くように配置す
る。このようにすると、入射光は、最初の偏波保持光フ
ァイバ１４１−１で二つの偏光成分に分離されて光路差
が付与され、第二の偏波保持光ファイバ１４１−２で
は、光路差が付与された光をさらに二つの偏光成分に分
離して光路差を付与する。これを繰り返すことにより、
複数の光路差を付与することができる。

【００７３】図１５は本発明第六実施例の多波長モード
同期レーザ装置を示すブロック構成図であり、本発明を
ファブリペロ共振器型モード同期レーザ装置に実施した
例を示す。

【００７４】この実施例装置は、共振器内に、光を複数
に分岐しそれぞれに異なる光路長を与える光路差付与手
段２１をさらに備えたことが第四実施例と異なる。ま
た、共振器がファブリペロ型であることが第五実施例と
異なる。

【００７５】本実施例の動作原理は、第五実施例のリン
グ共振型モード同期レーザの説明における縦モード周波
数間隔をｆ_r＝ｃ／２Ｌと半分にすれば、同様に説明で
きる。また、第二実施例と同様に光増幅器を３個以上設
け、３以上の波長で同時に同期発振させることも可能で
ある。

【００７６】図１６は本発明第七実施例の多波長モード
同期レーザ装置を示すブロック構成図であり、図１７は
モード同期で得られる代表的なスペクトル特性を示す図
である。ここでは、本発明をリング共振器型モード同期
レーザ装置に実施した例を示す。

【００７７】上述した実施例では、複数の光増幅器を直
列に接続していた。これに対して本実施例は、光増幅器
２−１、２−２を並列に接続する。すなわち、リング共
振器上に、異なる波長λ₁、λ₂の光を分離する波長分
離器９と、分離された光をそれぞれ増幅する二つの光増
幅器２−１、２−２と、増幅された二つの光を合波する
波長合波器１０とを備える。

【００７８】この実施例では、二つの光増幅器２−１、
２−２を並列接続したため、波長、光路長ともに異なる
二つの光路が共存する状態となる。ただし、二つの異な
る波長λ₁、λ₂はそれぞれ光増幅器２−１、２−２の
利得スペクトル領域内の波長である。ここで、波長
λ₁、λ₂における並列部の物理的な長さ、すなわち波
長分離器９から各光増幅器２−１、２−２を通過して波
長合波器１０にいたる物理的な長さをそれぞれｈ₁、ｈ
₂とし、二つの波長に共通な光路の物理的な長さをｈ₀
とする。このとき、波長λ₁、λ₂に対する光路長
Ｌ₁、Ｌ₂は、Ｌ₁＝｛ｒｎ(λ₁）＋１−ｒ｝（ｈ₀＋ｈ₁） …（１４）Ｌ₂＝｛ｒｎ(λ₂）＋１−ｒ｝（ｈ₀＋ｈ₂） …（１５）となる。ただし、ここでは波長λ₁、λ₂に対する光路
でのｒの値は同じであると仮定した。

【００７９】これらの式とモード同期周波数ｆ_mの条件
から、第一実施例における議論と同様にして、２波長で
同時にモード同期発振を達成するための条件式、ｆ_m＝Ｋ₁×ｃ／〔｛ｒｎ(λ₁）＋１−ｒ｝（ｈ₀＋ｈ₁）Ｋ₂×ｃ／〔｛ｒｎ(λ₂）＋１−ｒ｝（ｈ₀＋ｈ₂） …（１６）が導かれる。

【００８０】本実施例においては、第一ないし第四のそ
れぞれの実施例と異なり、各波長の光路長を並列部の長
さｈ₁、ｈ₂によってそれぞれ独立に設定することがで
きる。したがって、第五、第六実施例で説明した光路差
付与手段２１を設けた例と等価になり、容易に（１６）
式の２波長同時のモード同期発振条件を成立させること
ができる。この結果、適当な繰り返し周波数ｆ_mで、図
３に示したような二つの独立した波長で同期した光パル
ス列を発生させることができる。

【００８１】本実施例では、並列に光増幅器２−１、２
−２を配置し、ひとつの波長にひとつの光増幅器を用い
る構成となっている。そのため、光増幅器２−１、２−
２間で利得の取り合いや他方の波長に対する損失を回避
できる。また、光増幅器２−１、２−２のそれぞれの利
得スペクトル領域は、波長分離器９で分離された各波長
を含んでいればよく、上述した実施例のように光増幅器
２−１、２−２間の利得スペクトル領域の制限はない。
したがって、光増幅器２−１、２−２の利得スペクトル
領域の重なりは問われず、増幅媒体の制約もない。

【００８２】光増幅器２−１、２−２としては、エルビ
ウムＥｒ、ネオディミウムＮｄ、プラセオディウムＰｒ
その他の希土類元素が添加された希土類ドープ光ファイ
バ増幅器だけでなく、他方の波長の光パルスに対する損
失を回避できるため、半導体レーザ増幅器、色素レーザ
媒質、固体レーザ媒質などを用いることができる。

【００８３】例えば、光増幅器２−１、２−２として同
じＥｒドープ光ファイバを用いても、１．５３５μｍと
１．５５２μｍとを波長分離器９で分離することによ
り、両波長で独立にモード同期発振させることができ
る。また、他方の波長に対して吸収がないため、１．５
５μｍ半導体レーザ増幅器と、１．３０μｍ半導体増幅
器とを用いることができ、それぞれの利得スペクトル領
域内で（１６）式の条件を満たす二つの波長において同
時発振させることができる。

【００８４】図１８は本発明第八実施例の多波長モード
同期レーザ装置を示すブロック構成図である。

【００８５】この実施例は、３以上Ｎ個の光増幅器２−
１〜２−Ｎが並列に接続されたことが第七実施例と異な
る。すなわち、リング共振器上に、異なる波長λ₁、λ
₂…λ_Nの光を分離する波長分離器１１と、分離された
光をそれぞれ増幅するＮ個の光増幅器２−１〜２−Ｎ
と、増幅された二つの光を合波する波長合波器１２とを
備える。

【００８６】それぞれの光増幅器２−１〜２−Ｎは互い
に異なる利得スペクトル領域をもち、それぞれの利得内
の波長が、（１６）式と同様のモード同期条件、Ｋ₁／Ｌ₁＝Ｋ₂／Ｌ₂＝ … ＝Ｋ_m／Ｌ_m を満足すれば、三つ以上ｍ個の波長でも同時にモード同
期発振を行わせることができる。

【００８７】図１９ないし図２１はそれぞれ、第七実施
例または第八実施例で用いられる波長分離器９の構成例
を示す。

【００８８】図１９は誘電体多層膜フィルタを用いた例
を示す。誘電体多層膜フィルタ１８は、透過率（反射
率）に波長依存性をもっているため、例えば波長λ₁、
λ₂を含む光をある角度で入射すると、波長λ₁は反射
し、波長λ₂は透過する。したがって、波長により光を
分離することができる。

【００８９】図２０は回折格子を用いた例を示す。回折
格子１９は、回折角度の波長依存性を利用して、波長の
異なる光を別々の角度に分離することができる。

【００９０】第七実施例または第八実施例における波長
分離器９としては、この他に、光学プリズムを用いるこ
ともできる。

【００９１】回折格子や光学プリズムは３以上の波長を
分離する場合、すなわち第八実施例の波長分離器１１と
しても利用できるが、誘電体多層膜フィルタの場合には
二分割しかできない。そのような２波長分離のもので３
以上の波長を分離するには、図２１に示したように、多
段に接続して利用する。

【００９２】波長合波器１０、１２としては、光の進行
方向が逆方向になるだけで、それぞれ波長分離器９、１
１と同等のものを用いることができる。

【００９３】図２２は本発明第九実施例の多波長モード
同期レーザ装置を示すブロック構成図であり、本発明を
ファブリペロ共振器型モード同期レーザ装置に実施した
例を示す。

【００９４】この実施例装置は、光増幅器２−１、２−
２が並列に接続されたことが第四実施例と異なる。すな
わち、異なる波長λ₁、λ₂の光を分離合波する二つの
波長合分波器２２を備え、この二つの波長合分波器２２
の間に光増幅器２−１、２−２が並列に接続され分離さ
れる。波長合分波器２２としては、第七実施例における
波長分離器９および波長合波器１０と同等のものを利用
できる。

【００９５】本実施例の動作は、上述した第七実施例の
説明における縦モードの周波数間隔をｆ_r＝ｃ／２Ｌと
半分にすれば、同様に説明できる。すなわち、本実施例
の場合にも、（１６）式を満たす二つの波長で同時に同
期発振させることができる。また、第八実施例と同様に
光増幅器を３個以上設け、３以上の波長で同時に同期発
振させることも可能である。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、物理的
にはほぼ一つの共振器で構成されるモード同期レーザ
に、複数の利得スペクトル領域をもつ光増幅手段、特に
複数の光増幅器を設け、所望の条件を満たす波長分散手
段を付加することにより、繰り返し周波数が完全に一致
した多波長の高速光パルス列を発生する新しいタイプの
レーザ装置を実現することができる。

【００９７】本発明による多波長のモード同期レーザ装
置は、光周波数多重伝送方式に用いられる多波長光パル
ス光源や、波長多重型ソリトン光源として用いることが
できる。また、多波長同期発振性を利用した新しい光計
測技術として、例えば光ファイバの波長分散を測定する
ための光サンプリング測定など、新しい分野への応用が
期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例を示すブロック構成図。

【図２】モード同期で得られる代表的なスペクトル特性
を示す図。

【図３】モード同期で得られる光パルス列の時間特性を
示す図。

【図４】Ｅｒドープ光ファイバのエネルギ準位と励起、
吸収の関係を示す図。

【図５】Ｎｄドープ光ファイバのエネルギ準位と励起、
吸収の関係を示す図。

【図６】Ｐｒドープ光ファイバのエネルギ準位と励起、
吸収の関係を示す図。

【図７】本発明の第二実施例を示すブロック構成図。

【図８】本発明の第三実施例を示すブロック構成図。

【図９】本発明の第四実施例を示すブロック構成図。

【図１０】本発明の第五実施例を示すブロック構成図。

【図１１】光路差付与手段の構成例を示す図。

【図１２】光路差付与手段の構成例を示す図。

【図１３】光路差付与手段の構成例を示す図。

【図１４】光路差付与手段の構成例を示す図。

【図１５】本発明の第六実施例を示すブロック構成図。

【図１６】本発明の第七実施例を示すブロック構成図。

【図１７】モード同期で得られるスペクトル特性例を示
す図。

【図１８】本発明の第八実施例を示すブロック構成図。

【図１９】波長分離器の構成例を示す図。

【図２０】波長分離器の構成例を示す図。

【図２１】波長分離器の構成例を示す図。

【図２２】本発明の第九実施例を示すブロック構成図。

【図２３】従来例モード同期レーザ装置を示すブロック
構成図。

【図２４】希土類ドープ光ファイバ増幅器の動作方法を
示す図。

【図２５】希土類ドープ光ファイバ増幅器の動作方法を
示す図。

【図２６】希土類ドープ光ファイバ増幅器の動作方法を
示す図。

【図２７】半導体レーザ増幅器の動作方法を示す図。

【図２８】モード同期により得られるスペクトル特性例
を示す図。

【図２９】モード同期により得られる光パルス列の時間
特性を示す図。

【符号の説明】

１光変調器２、２−１、２−２、２−Ｎ光増幅器３波長分散手段４光アイソレータ５光分岐器７駆動電源８−１、８−２反射鏡９、１１波長分離器１０、１２、１５波長合波器１３希土類ドープ光ファイバ１４励起光源１６半導体レーザ増幅器１７励起電流源１８誘電体多層膜フィルタ１９回折格子２０複数の利得スペクトルを有する光増幅器２１光路差付与手段２２波長合分波器１１１、１３１光分離器１１２、１３３光合波器１１３、１１４、１３２−１〜１３２−Ｎ光路１２１、１４１−１〜１４１−Ｎ偏波保持光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ共振器と、このレーザ共振器内の光の損失または位相をこのレーザ
共振器で発生する縦モードの周波数間隔ｆ_rの１以上の
整数倍の周波数で変調する光変調手段とを備えたモード
同期レーザ装置において、上記レーザ共振器の内部に、互いに異なる複数のスペクトル領域にそれぞれ利得を有
する光増幅手段と、この複数のスペクトル領域のそれぞれの波長で同時にモ
ード同期発振の条件が満たされるように、波長によって
異なる屈折率を与える波長分散手段とを備えたことを特
徴とするモード同期レーザ装置。
【請求項２】上記光増幅手段は直列に接続された互い
に利得スペクトル領域の異なる複数の光増幅器を含む請
求項１記載のモード同期レーザ装置。
【請求項３】上記光増幅手段は複数種類の希土類元素
が添加された光ファイバ増幅器を含む請求項１記載のモ
ード同期レーザ装置。
【請求項４】上記光増幅手段は、異なる波長の光を分
離する波長分離手段と、分離された光をそれぞれ増幅す
る複数の光増幅器と、増幅された複数の光を合波する波
長合波手段とを含む請求項１記載のモード同期レーザ装
置。
【請求項５】レーザ共振器内の光を複数に分岐しそれ
ぞれに異なる光路長を与える光路差付与手段を備えた請
求項１記載のモード同期レーザ装置。