JPH0851246A - 環境変化に対して安定な受動型モードロック・レーザー - Google Patents

環境変化に対して安定な受動型モードロック・レーザー

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JPH0851246A JP6317040A JP31704094A JPH0851246A JP H0851246 A JPH0851246 A JP H0851246A JP 6317040 A JP6317040 A JP 6317040A JP 31704094 A JP31704094 A JP 31704094A JP H0851246 A JPH0851246 A JP H0851246A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は環境変化に対して安定な受動型モー
ドロック・レーザーに関するもので、特に一定の反復率
を有する超短パルスを発生するものである。 【構成】 本発明のキャビティはキャビティ内のエネル
ギーを増幅するための利得媒体と、利得媒体を通過する
光軸に沿ってエネルギーを反射する反射手段を備えてい
る。環境の変化に対する影響を受けにくい特徴は、キャ
ビティおよび利得媒体中の線形の位相変動を補償するた
めの補償手段を含むことにより達成される。本発明の好
ましい実施例として、温度変化の影響を受けず、また、
圧力変化の影響が無視し得る程度の受動型モードロック
・レーザーが開示されている。本発明では数メートル程
度の適当なファイバー長さ（理論的には１ミリメートル
程度から数キロメートルの範囲でも可能である）で超短
パルスが発生できるので、非常に低コストで実施でき、
様々な用途に対して極めて実用的である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はレーザーエネルギーを発
生するための装置と方法に関するものであり、特に高い
安定性を供え、超短パルスを供給し得る環境変化に対し
て安定な受動型モードロック・レーザーに関係するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】能動型モードロック・レーザーと受動型
モードロック・レーザーは両者ともレーザー技術の分野
でよく知られているものである。例えば、単一モ−ド希
土ドープ処理ファイバーを使用したモードロック・レー
ザーは小型の超短パルス源を形成し得る。特に有効なフ
ァイバーパルス源として、カータイプ（Kerr-Type ）受
動型モードロック技術がある。このパルス源は、標準的
で入手容易なファイバーレーザー用の部品を用いて組み
立てることができ、また、希土ドープ処理ファイバーレ
ーザーの帯域幅の限界であるギガヘルツ台の反復率を伴
うパルスを供給できる。
【０００３】ファイバーレーザー技術に基づく超短パル
ス源が真に実用的であるためには、環境変化に対して高
い安定性を持つことが要求される。本発明において「環
境変化に対して安定が高い」ということは、パルス源
が、例えば温度変化といったような、環境的な影響を受
けた場合でもパルス発生が途切れないことを意味し、ま
た、圧力変化に対しても殆ど影響を受けないことを意味
する。これに対して従来のファイバーレーザー技術に基
づく超短パルス源は、温度変化および圧力変化の両方の
影響を受けやすく、パルス発生を保持するためにオペレ
ーターが断続的に監視および調整を行う必然がある。
【０００４】超短パルス源のキャビティの環境安定性を
改善するために、偏光を保持したエルビウムドープ処理
ファイバー中におけるカータイプ・モードロックが提案
された。その一例として、Fermann 博士らがオプティク
ス・レター誌に発表した「偏光を保持したエルビウムド
ープ処理ファイバーにおける非線形偏光発生（Nonlinea
r Polarization Evolution) を利用した受動型モードロ
ック("Passive Mode Locking By Using Nonlinear Pola
rization Evolution In A Polarization-Maintaining E
rbium-Doped Fiber",Fermann,M.E.et al.,OPTICS LETTE
RS/Vol. １８，Ｎｏ．１１，June１，１９９３，ＰＰ．
８９４−８９６）」が上げられる。この論文は、偏光を
保持したエルビウムドープ処理ファイバーの二つの線形
偏光された基本固有モ−ドの差動励起（A Differential
Excitation)を含むカータイプ・モードロックを開示し
ている。二つの基本固有モ−ドは一定の伝播距離を経た
後の非線形な位相遅れの差分を蓄積する。偏光子におけ
る固有モ−ドの干渉により非線形な位相遅れは振幅変調
に変換され、一往復ごとに受動型モードロックを達成す
るために十分なパルス短縮が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、そのよ
うな受動型モードロックは大きな問題点を持っている。
例えば、振幅変調は干渉しあう二つの固有モ−ド間での
線形の位相遅れの影響も受ける。偏光が保持されたエル
ビウムドープ処理ファイバーの中で線形の位相遅れは温
度変化や圧力変化の影響を受けるので、安定したモード
ロック動作を確実にするために常時調整可能な位相制御
が必然となる。
【０００６】超短パルス源キャビティの不安定に着目し
たもう一つの試みは、「８字型レーザー(Figure-8 Lase
r)」と呼ばれるカータイプ・モードロックを使用したも
のである。８字型レーザーは１９９３年にケンブリッジ
で行われたオプティカルソサエティ・オブ・アメリカの
非線形導波現象についての時事会議でTaverner博士らに
より発表された「８字型レーザーを用いた偏光制御（”
Polarization Maintaining Figure-8 Laser"）という論
文（レポート番号: ＷＣ Ｎｏ．３）に説明されてい
る。この論文は、カータイプ・モードロックを用いて偏
光を保持するファイバーレーザーにおける振幅変調を開
示している。この論文に記載されているように、偏光を
保持する８字型レーザーの逆特性のために、すなわち８
字型レーザーは干渉しあう二つの偏光方向に沿った線形
位相遅れが常にゼロであることにより、位相制御器の使
用が避けられている。
【０００７】しかしながら、開示された８字型レーザー
には問題がある。例えば、受動型位相変調は振幅に変換
されるが、変換効率が非常に悪い。キャビティー内に受
動型モードロックを発生させるために、非常に長い偏光
保持ファイバーが必要（３００メートル以上）とされ、
このために、８字型レーザーによって発生されたパルス
は持続時間が比較的長い（２ピコ秒以上）。さらに、パ
ルスが比較的小さなパルスエネルギー（１０ピコジュー
ル未満）で発生され、８字型レーザーが安定する範囲は
比較的小さな範囲に制限される。キャビティには高複屈
折ファイバーが使われているためファイバー部品間の高
精度な接続が要求され、そのためレーザー装置が複雑化
し、また、コストも高くなる。
【０００８】カータイプ・モードロック・ファイバーレ
ーザーのキャビティー内において干渉しあう二つの固有
モ−ド間の位相遅れ（または、このケースではファイバ
ーの偏光固有モ−ド間の位相遅れ）が環境変化に影響さ
れやすい点を克服することに着目した試みは、「単偏光
ファイバー増幅器（"Single-Polarisation Fibre Ampli
fier",Electronics Letters,June４，１９９２，Vol.２
８，Ｎｏ．１２）」と題され、最近公開されたDuling博
士とEsnam 博士の論文に開示されている。この論文の中
で、ファイバー増幅器の出力の偏光状態が環境変化の影
響を受けないようにするために偏光子と共にファラデー
回転ミラー２１０が使用されている。前述したように、
幾つかの理由のために、この技術はカータイプ・モード
ロック・ファイバーレーザーの実用化に適していない。
１）一往復を経た後、偏光固有モ−ド間の線形位相遅れ
が完全にゼロになるように補償されていないし、調整す
ることもできない。２）一往復を経た後、ファラデー回
転ミラー２１０が偏光状態を９０度回転させるが、この
ことはレーザー発振の開始を妨げ、偏光子における信号
光の完全な損失をもたらす。３）この単純な方法では、
モードロック・ファイバーレーザーとして必要な、非線
形偏光発生が制御されない。
【０００９】以上に述べたように、環境の変化に対して
安定した超短パルス源として、オペレーターの入力や持
続的な位相制御を必要とせず、安定性が保てることが望
ましい。さらに、商業的に実用的で、例えば通信環境で
の使用に適した超短パルス源を提供するために、コスト
効率の良い方法でこのようなパルス源を提供することが
望ましい。
【００１０】本発明は超短パルス源を環境変化に対して
安定なものとすることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前述した課題を達成する
ために本発明の受動型モードロック・レーザーは、レー
ザーエネルギーを発生するエネルギー発生手段と、レー
ザーエネルギーを注入する注入手段を備える。前記レー
ザーエネルギー発生手段はキャビティーを含む。前記キ
ャビティーはキャビティー内のレーザーエネルギーを増
幅するための利得媒体、利得媒体を通過する光軸に沿っ
てレーザーエネルギーを反射する反射手段、キャビティ
ー内に発生したレーザーエネルギーを出力する出力手段
を含んでいる。前記キャビティーは、さらに、ファイバ
ーの偏光固有モ−ド間における線形の位相変動を補償す
るための少なくとも一つのファラデー回転子、および、
キャビティー内のエネルギーの線形偏光を変換するため
の変換手段をそなえる事ができる。。また、偏光を保持
しないファイバー部品はキャビティの構造を単純化する
ため、また、組立コストを低減するためにキャビティー
の中に含めることができる。
【００１２】
【作用及び発明の効果】本発明によれば、余分な位相制
御器を用いるオペレーターの監視および調整は必要な
い。１〜２メートル程度の長さを有するファイバーが使
用できるため、商業的に実用的なコスト効率の良い構造
で超短パルスを発生できる。能動型の複雑な変調技術を
必要とせず、しかも他の既知の受動型技術に一般的に見
られる不安定さもなく比較的高い反復率が達成できる。
【００１３】
【実施例】本実施例は受動型モードロック超短パルス源
に関するもので、温度変化の影響を受けず、圧力変化に
対して殆ど無視できる程度にわずかな感度がある受動型
モードロック超短パルス源と関するものである。さら
に、本実施例は、商業的に実用的な効率の良い方法で実
施することができる。
【００１４】図１の実施例において、環境変化に対して
安定した線形位相遅れがカータイプ・モードロック・フ
ァイバーレーザーの干渉し合う二つの偏光固有モ−ドの
間で得られる。図１の実施例で、受動型モードロック・
レーザー１００はレーザーキャビティ２００を含む。キ
ャビティ２００は、例えばファブリーペローキャビティ
(Fabry-Perot Cavity)であり得る。受動型モードロック
・レーザー１００はさらに、レーザーエネルギーを注入
するポンプ手段３００を含む。
【００１５】図１の実施例で、レーザーキャビティ２０
０は、キャビティ２００の中でエネルギーを増幅するた
めの利得媒体２０２を含む。利得媒体２０２は、光の増
幅作用（すなわち利得）が得られるものであればよく、
あらゆる種類の希土ドープ処理ファイバーになり得る。
本実施例では、利得媒体２０２としてエルビウムイオン
をドープ処理したアクティブファイバーを用いている。
しかしながら、当業者であればネオジムイオンでドープ
処理されたファイバーのような、その他の希土ドープフ
ァイバーが使用可能であることは容易に理解できるであ
ろう。さらに、当発明はファイバーレーザーだけに限定
されず、その他のタイプのレーザーにも適用できる。例
えばバルク半導体材料を利得媒体２０２として用いたバ
ルク半導体レーザーや半導体レーザーと共に使用するこ
とが可能である。光学的または電気的ポンプが使用可能
であるが、光学的ポンプは一般的にバルク半導体レーザ
ーの使用が望ましく、電気的ポンプは半導体レーザーの
使用が好ましい。
【００１６】レーザーキャビティ２００は、さらに利得
媒体２０２を通る光軸２０４に沿って配置されたエネル
ギー反射手段を含む。エネルギー反射手段はキャビティ
２００の第一端に位置したキャビティミラー２０６を含
む。キャビティミラー２０６はキャビティ２００内で信
号光を反射する、キャビティミラー２０６は容易に入手
可能で当業者の間で良く知られている一般的なレーザー
ミラーで良い。
【００１７】また、本実施例において、キャビティミラ
ー２０６はレーザーエネルギー出力手段としてもレーザ
ーキャビティ２００の内部へ反射して戻し、残部を通過
させて出力エネルギーにするという二つの機能を果た
す。しかし、当業者であれば、キャビティミラー２０６
を出力カプラ手段と反射手段に分離することが可能であ
ることは容易に理解できるだろう。
【００１８】図１の実施例はカータイプ・モードロック
ファイバーレーザーの干渉し合う二つの偏光方向を含
む。これらの干渉し合う偏光方向は、高複屈折ファイバ
ー（Highly-Birefringent Fiber)の二つの線形偏光固有
モ−ドを含む。利得媒体２０２として使用されるエルビ
ウムドープ処理ファイバーは高複屈折ファイバーとなり
得る。
【００１９】干渉し合う偏光方向は、図２を参照するこ
とによってより良く理解し得る。図２は利得媒体２０２
における高複屈折エルビウムドープ処理ファイバーの断
面２０３を示す。図２の座標系においては干渉し合う二
つの偏光方向がｘ軸およびｙ軸で示されている。本発明
では、図１のキャビティ２００は、低複屈折ファイバー
(Low-Birefringent Fiber)も含み得る。本実施例におい
てキャビティ２００の中で使用される低複屈折ファイバ
ー２２０の長さは、高複屈折ファイバーの長さと比べて
比較的（８倍から１０倍程度）短い。高複屈折ファイバ
ーには非線形のパルス整形作用があるが、低複屈折ファ
イバーでは、そのようなパルス整形作用はごくわずかで
ある。
【００２０】キャビティ２００内で高複屈折パルス整形
作用と低複屈折パルス整形作用の両方を用いることによ
り、非偏光保持カプラーはレーザーキャビティ２００へ
の光の入出力を行うためのカプラとして使用することが
できる。このような特徴はレーザーのアッセンブリとパ
ッケージを単純にし、全体のコストを顕著に低減し得
る。
【００２１】本発明のレーザーキャビティ２００はさら
に利得媒体２０２の線形位相変動を補償するための補償
手段を含んでいる。位相変動補償手段はキャビティ２０
０の中で発生した偏光した光を制御するための装置を少
なくとも一つ含み、それにより利得媒体２０２の線形位
相変動を補償する。例えば、ファラデー回転ミラー２１
０は位相変動を補償するための既知の装置で、入射する
光の偏光を９０度回転させて反射する。従って、位相変
動補償手段はエルビウムドープ処理ファイバーのような
利得媒体２０２の偏光固有モ−ド間の線形位相変動を補
償するためのファラデー回転ミラー２１０を少なくとも
一つ含む。
【００２２】本実施例において、位相変動補償手段は、
反射手段の第二キャビティミラーとして機能するファラ
デー回転ミラー２１０を流用することによってレーザー
キャビティ２００の二つの偏光固有モ−ド間の線形位相
変動をなくす。ファラデー回転ミラー２１０は偏光を４
５度回転させる回転子を含み、入射光に対して反射光の
偏光面を９０度回転させる。従って、反射光は、精密に
偏光状態で利得媒体２０２へ戻される。
【００２３】ファラデー回転ミラー２１０および後述す
るファラデー回転子２１２によりファイバーの偏光固有
モ−ド間の線形位相遅れの総和は一往復の後ちょうど０
（ゼロ）になる。ファラデー回転ミラー２１０により反
射された後、非線形の位相変化は高複屈折ファイバーの
偏光固有モ−ドに沿って補償されないまま残り、蓄積さ
れる。高複屈折ファイバーがランダムなモ−ド結合を排
除すること、および、低複屈折ファイバーの長さが比較
的短いことにより、非線形の位相変化は偏光固有モ−ド
の相対的なパワーによって支配され、環境的な影響を受
けにくい。
【００２４】また、ファラデー回転ミラー２１０は、さ
らにパルス発生の開始を改善するためにレーザーキャビ
ティ２００内の空間的なホールバーニング（Spatial Ho
le-Burning) を排除する。ファラデー回転ミラー２１０
は、キャビティ２００の全長にわたり比較的一定の強度
を有する９０度回転した第二の偏光方向を発生する。さ
らに、ファラデー回転ミラー２００は、キャビティ内フ
ァィバー（すなわち、キャビティ２００内で利得媒体２
０２を含むファイバー）の両端部からのスプーリアス後
方反射（Spurious Back-Reflections)を抑圧し、同時に
連続波レーザーの背景を排除する。例えば、ファラデー
回転ミラー２１０で反射する拡散光はミラー内で回転さ
れ、偏光子２１６によって吸収される。
【００２５】ファラデー回転ミラー２１０は、さらに、
高複屈折ファイバーにおいて顕著になり得る偏光固有モ
−ドの群速度の外れ（Walk-Off) を補償する。当業者で
あれば、偏光保持ファイバーの異なる屈折率がファイバ
ーの他軸（すなわちｙ軸）に比べてある軸（すなわちｘ
軸）に沿ってより速い光の伝播を発生させることは容易
に理解し得るであろう。
【００２６】キャビティ２００内で光が一往復する毎
に、光信号のパルスは拡散し続ける。しかし、ファラデ
ー回転ミラー２１０は、光信号が反射する毎に光信号を
９０度回転させ、そのような群速度の外れを禁止する。
この結果、一往復の間に拡散した光信号のパルスが次の
一往復の間に互いにより近くなる。ファラデー回転ミラ
ー２１０は、レーザーキャビティ２００中で、偏光固有
モ−ド間の群速度の外れが最大になる位置に配置するこ
とができる。このように、低複屈折ファイバーの不必要
な非線形性を最小限にすることによりファラデー回転ミ
ラー２１０の前のファイバー部品の非線形性が低減され
得る。これらの特徴を与えられ、本発明に基づく環境的
に安定した動作は、比較的長い低複屈折ファイバーを用
いて達成され得る。
【００２７】位相変動補償手段は、さらに、第二ファラ
デー回転子２１２を含み得る。本実施例においては、フ
ァラデー回転ミラー２１０の偏光回転を補償するために
第二ファラデー回転子２１２はキャビティ２００の中央
に配置し得る４５度のファラデー回転子である。位相変
動補償手段は環境変化に対する安定性をもたらすが、モ
−ドロックを最適化する目的で偏光の変換が非線形の偏
光発生のために必要である。このアクションは、例えば
線形位相遅れを発生するためのキャビティ２００内に含
まれた一つまたは複数のバルク波長板２１４といった、
エネルギーの線形偏光を変換するための変換手段を含む
ことにより行われる。また、図１のキャビティ２００は
偏光子２１６を含んでいる。偏光固有モ−ド間の干渉は
キャビティ２００内の偏光子２１６において発生する。
偏光子２１６はどのような種類の偏光素子でもよい。
【００２８】波長板２１４により引き起こされる偏光の
変化は板２１４の傾きや回転に依存する。単一の波長板
の使用は光の拡散を最小限にするが、二枚の波長板の使
用は楕円偏光した光の偏平率と回転角度の個別制御を可
能にする。一枚または複数枚の波長板、または、任意の
偏光変成器により引き起こされる偏光の変化は、偏光子
２１６の偏光軸に関して考慮される。利得媒体２０２の
エルビウムドープ処理ファイバーは偏光子２１６に関す
るどの軸に対しても配列できる。そして偏光の変換は、
その全体系により個別に決定される。すなわち、偏光変
成器線形は偏光子２１６から抜け出した偏光した光を偏
平率Ψを有する楕円偏光した光に変換し、この結果、楕
円はファイバーのｘ軸に関し角度αだけ回転される。こ
こでΨの正接（Tangent)はｂ／ａであり、ｂとａは偏光
楕円体の短軸と長軸である。
【００２９】このポアンカレ球(Poincare Sphere：この
分野では周知）に関して偏光変換を表現すると、（０、
０）→（２Ψ、２α）となる。二つのファラデー回転素
子２１０、２１２が存在することにより、非線形の反射
Ｒ（Ｐ）が、この偏光変換（すなわち、Ψとαの値）に
より、キャビティ２００内でのキャビティ内出力Ｐの関
数として完全に定義される。キャビティミラー２０６の
効果的な非線形反射Ｒ（Ｐ）は以下の数式により定義さ
れる。
【００３０】 Ｒ（Ｐ）＝ｆ（α、Ψ、φni（α、Ψ、Ｐ））・・・・・（１） ここにおいて、ｆ（α、Ψ、φni（α、Ψ、Ｐ））は、
α、Ψ、φni（α、Ψ、Ｐ）の関数であり、φni（α、
Ψ、Ｐ）は、キャビティ内出力Ｐの関数として、高複屈
折ファイバーの偏光固有モ−ド間で蓄積された非線形の
位相遅れの微分値である。非線形反射Ｒ（Ｐ）の範囲は
０と１の間である。
【００３１】キャビティ内出力Ｐの増加に伴って非線形
反射Ｒ（Ｐ）が増加するとき、受動型モードロックが得
られる。図１の受動型モードロック・レーザーはさらに
レーザーポンプ手段３００を含む。ポンプ手段３００
は、一般的にポンプ３０２として示されるエネルギー源
（電子的または光学的エネルギー源など）を含む。図１
の実施例においては、エルビウムファイバーが利得媒体
２０２として使用されており、ポンプ３０２は光学的な
ポンプであり得る。
【００３２】波長分割多重カプラ３０４によりポンプ手
段３００がキャビティ２００に連結される。波長分割多
重カプラ３０４は、信号光を損失することなくキャビテ
ィ２００にエネルギーが注入できるものであれば、すな
わちポンプ３０２と信号光の差動結合ができるものであ
れば、どのようなものでもよい。本実施例においては、
ポンプ３０２は９８０ナノメートルの波長幅でエネルギ
ーを作り出すことができ、波長分割多重カプラ３０４は
９８０ナノメートルポンプと１５５０ナノメートル信号
に適応するアスター社製波長分割多重カプラ１５５０／
９８０（AsterWDM 1550/980) になり得る。
【００３３】本実施例では、第一ファラデー回転ミラー
２１０と波長分割多重カプラ３０４は低複屈折ファイバ
ーを含む。しかしながら、当業者であれば、このような
構成が一例にすぎないことを容易に理解し得るであろ
う。本実施例の重要な特徴の一つは、キャビティ２００
内の高複屈折ファイバーの長さが低複屈折ファイバーの
部分と比較して比較的長いということである。
【００３４】図１に示した本実施例では、高複屈折ファ
イバー部分は、高複屈折ファイバーの偏光固有モ−ドの
出力量が完全に一定になるように、利得媒体２０２のキ
ャビティ内ファイバーの一端（すなわち、第一レンズ２
２８に隣接した部分）、または、端部にできるだけ近い
部分で始まる。実施例において、波長分割多重カプラ３
０４と高複屈折ファイバー２１８は融合スプライス（Fu
sion Splices) を用いることにより、相互に接続し得
る。
【００３５】さらに、図１に示した実施例は光軸２０４
に沿って発生するエネルギーを集束するエネルギー集束
手段を含む。図１のエネルギー集束手段は、少なくと
も、利得媒体２０２から入射したエネルギーを第一キャ
ビティミラー２０６へ収束し、エネルギーを第一キャビ
ティミラー２０６から利得媒体２０２へ導くための第一
レンズ２２８を含む。第一レンズ２２８は利得媒体２０
２から入射する光を収束し得るものであれば、どのよう
な光学素子でも良い。本実施例においては、第一キャビ
ティミラー２０６上における出力密度が最大になるよう
に、第一レンズ２２８の焦点が第一キャビティミラー２
０６上に位置する必要がある。同様に、第一レンズ２２
８の焦点は、利得媒体２０２上における出力密度が最大
になるように、利得媒体２０２上に位置する必要があ
る。
【００３６】本実施例のキャビティ２００では、２．６
メートルの高複屈折ファイバーが０．６メートルの標準
通信用（Standard Communications-Type) 低複屈折ファ
イバーと共に使用された。この高複屈折ファイバーは、
１．５６７ミクロン（μｍ）のレーザー波長で１０セン
チメートル偏光うなり長（Polarization Beat length)
があった。この高複屈折ファイバーは２８ミクロンの有
効なコアエリア（CoreArea)を有し、開口数（Numencal
Aperture)は０．１９だった。高複屈折ファイバーは、
およそ５×１０18エルビウムイオン／ｃｍ3 でドープ処
理された。
【００３７】図１の実施例のレーザーシステムの構造は
単なる一例であり、当業者であれば、本発明の下で種々
の別の実施例を容易に考えられるであろう。例えば、図
１の全体構造は裏返すことができ、ファラデー回転ミラ
ー２１０がキャビティ２００の左側に、そしてキャビテ
ィミラー２０６がキャビティ２００の右側に位置するよ
うに置き換えることができる。
【００３８】本発明では、ファラデー回転ミラー２１０
とファラデー回転子２１２の正確な位置は、当業者であ
れば極めて容易に決められる。しかしながら、本実施例
では、ファラデー回転ミラー２１０とファラデー回転子
２１２は全てのファイバー（すなわち高複屈折及び低複
屈折ファイバー）が位置するキャビティ２００のキャビ
ティ内部分を定義する。
【００３９】さらに当業者であれば、別の実施例とし
て、非偏光保持低複屈折ファイバー２２０がレンズ２２
８と利得媒体２０２の間に配置し得ることは容易に考え
られるであろう。そのような実施例では、エルビウムド
ープ処理高複屈折ファイバーは波長分割多重カプラ３０
４、および／または、ファラデー回転ミラー２１０内に
含め得る。さらにまた、当業者であれば、キャビティ２
００の内部における低複屈折ファイバーと高複屈折ファ
イバーの相対的な長さにより様々な実施例が考えられる
と言うことを理解し得るであろう。同様に、群速度の散
乱量が相違するファイバーの断面は発振パルスのエネル
ギーを最大にするために連鎖し得る。
【００４０】本実施例によれば、８０％反射キャビティ
ミラー２０６、およびＡＲコート処理された（Anti-Ref
lection Coated) プリズム偏光子２１６が使用し得る。
また、４ミリメートルの開口を有するＡＲコート処理さ
れた４５度ファラデー回転子２１２、およびＡＲコート
処理されたクオーツ・ゼロ次波長板（Quartz Zero-Orde
r Waveplate)２１４が使用し得る。波長板２１４は光学
的に接触した３ミリメートルの厚さを有する。高複屈折
ファイバー２１８に接触したキャビティ内にファイバー
の一端は１０度の角度で切断されており、ＡＲコート処
理される必要はない。モ−ドロック処理のために、ま
た、光軸２０４に沿った並進運動のために、移動可能な
キャビティミラー２０６が本実施例中で用いられてい
る。
【００４１】図１の実施例では、３６０フェムト秒程
度、または、それ以下のパルスが約６０ピコジュール程
度の含有エネルギーを伴って発生できる。例えば、±７
％のポンプの出力変動は、例えば持続波レーザー光（す
なわち、完全にモ−ドロックされていないレーザー出
力）の発生時や多重パルスの開始時のような不安定さを
発生させることはない。
【００４２】安定したモ−ドロックは、（波長板２１４
の光軸に沿った）位相δ（Single-Pass Phase Along Th
e Axis Of The Waveplate ）がおよそ１３０度、αがお
よそ１０度の模範値において得られる。一度、波長板２
１４と偏光子２１６が設定されれば追加調整は必要な
く、永久に固定し得る。本実施例では、レーザーは低複
屈折ファイバーの摂動に敏感でなく、波長に比べて摂動
周期が長いとき、高複屈折ファイバーの摂動を許容す
る。強い摂動が与えられ（例えばファイバーに強いねじ
りを与える時）、モ−ドロックが失われた時でさえ、一
度解放されるとファイバーは元の位置とモ−ドロック特
性にもどる。さらに、本実施例は、キャビティ２００内
の残留反射に対して敏感ではない。
【００４３】さらに、連続波が含まれないクリーンな単
パルスがキャビティ２００内に発生するモ−ドロックの
閾値は、例えば、７０ミリワット（波長分割多重カプラ
３０４の前で計測）のポンプ出力レベルよりも５０％高
くし得る。別の実施例においては、モ−ドロックの閾値
は、ＡＲコート処理されたキャビティ内のファイバーの
一端を含むことによって低減し得る。
【００４４】図３Ａと図３Ｂは、安定範囲の末端におけ
るパルススペクトルを示している。ポンプ出力が増加す
るにつれ、また、キャビティ長あたりのソリトン周期が
増加し、対応する分散性波（A Dispersive Wave ）への
エネルギー放射が増加するに連れて、パルスが短くな
り、スペクトル幅が拡がる（スペクトル共鳴の高さの増
加により示される通り）。
【００４５】図４にパルスの典型的な自己相関軌跡（Au
tocorrelation Trace)を示す。発生したパルスは指数関
数的に減少するパルス波形の（すなわち、sech2 ）およ
そ０．３０の時間帯域値の積（A Time-Bandwidth Produ
ct) を有する３６０フェムト秒のＦＷＨＭ幅（Full Wid
th at Half-Maximum Width）で、低レベルのバックグラ
ンド・ノイズ(Background Noise)の影響を受けにくい。
パルスの反復率が２７メガヘルツの際、出力カプラの後
ろで計測した平均パルスエネルギーは１０ピコジュール
であった。偏光子により拒絶された光を用いた際、６０
ピコジュール以上のパルスエネルギーは拡散可能である
ことに注意してほしい。これらの値は５５ピコジュール
の平均キャビティ内パルスエネルギーに変換され、標準
的な非偏光保持カータイプ・モードロック・ファイバー
レーザーと比較し得る一往復あたり約１．１πの非線形
位相遅れを生じる。
【００４６】当業者であれば、本発明の代替実施例を思
いつくことは容易であろう。すでに説明した代替実施例
に加えて、様々な基礎レーザーキャビティが使用し得る
ことは言うまでもない。例えば、本実施例では偏光子、
波長板、ファラデー回転子、キャビティミラー、レン
ズ、および、バルク素子（Bulk Components)が使用され
ているが、同様な作用を得るために、これらに代えてね
じ曲げ素子（PigtailedComponents) を使用し得る。
【００４７】また、レーザーエネルギーを出力するため
に別のキャビティ設計を行い得る。図５に示した第二実
施例において、キャビティ２００は、容易に入手可能
な、ねじ曲げ全ファイバー偏光子（Pigtailed All-Fibe
r Polarizer ）、又はねじ曲げ偏光ビームスプリッタ
（Pigtailed Polarization Beam Splitter）５０２を含
み、さらに、容易に入手可能な二つのファイバー・コリ
メーター５０４を含む。出力カップリングが全ファイバ
ー偏光子または偏光ビームスプリッタ５０２で得られ、
付加的なファイバー絶縁子（Fiber lsolators ）５０６
がファイバー出力からの望ましくない逆反射を抑制する
ために使用し得る。
【００４８】図６に示した第三実施例において、キャビ
ティ２００は、偏光子における出力カプラの代わりに、
ファラデー回転ミラー２１０における出力カプラ、また
は、ファイバー絶縁子６０２を通る付加的なファイバー
出力カプラ６０３を含む。図７に示した第四実施例にお
いて、キャビティ２００は、モ−ドロック・プロセスを
開始するための半導体飽和吸収体７０２又はファイバー
伸張器７０４を含む。この特徴により、モ−ドロック・
プロセスを開始するために必要なキャビティミラー２０
６の位置調節を省略し得る。
【００４９】飽和吸収体７０２は、キャビティ２００に
よって発生するレーザー波長の周辺にバンド端を有する
ものであれば、基板上に形成されたあらゆる種類の半導
体飽和吸収体になり得る。しかし、後述の説明では、Ａ
ｌｌｎＡｓバリヤとＧａＩｎＡｓウエルに基づく多重量
子ウェル（Multiple Quantum Well ）飽和吸収体を例に
上げて説明する。低レベルのバックグランド・ノイズの
影響を受けることなく確実に良質なパルスを発生させる
ため、飽和吸収体７０２の飽和エネルギーはファイバー
レーザーのソリトンエネルギーに適合させることがで
き、キャビティ２００の全長はソリトン周期に適合させ
得る。
【００５０】本発明の別の実施例では、飽和吸収体７０
２は主要なモ−ドロック素子として使用し得る。この場
合、高複屈折ファイバーを用いる必要はなく、キャビテ
ィ２００は全て非偏光保持ファイバーで形成し得る。こ
の場合、ファラデー素子２１０と２１２はキャビティ２
００内の偏光状態を安定させる目的でのみ使用される。
【００５１】前述の実施例が本発明の顕著な特徴を示す
ことに対し、当業者であれば本発明の代替実施例が容易
に考えられることは明らかであろう。例えば、図１の実
施例で説明されているレンズ２２８は、約１０マイクロ
メートル以下のビーム径を有する一点レーザーエネルギ
ーを集中させることができる。しかし、好ましい精度は
設計者によって選ばれる。さらに、図１に示した実施例
ではレンズ２２８が、様々な部品の内部接続のために使
われているが、当業者であればファイバーへの直接結合
を行うことによりレンズ２２８が除去し得ることは明ら
かだろう。逆に、もし必要であれば複数のレンズを用い
て結合することも可能である。さらに、図７の実施例に
おいて、単一の飽和吸収体７０２が示されているが、も
し必要であれば一つ以上の飽和吸収体を使用し得る。
【００５２】本実施例では、ポンプ３０２の出力は４０
０ミリワット程度であるが、もちろんそれ以上にもし得
る。しかし一般にポンプ３０２の出力は１ワット以下で
ある場合が多い。例えば、ポンプ３０２は１．５５マイ
クロメートルの信号波長が発生する９８０ナノメートル
チタニウムーサファイヤ・レーザー源になりうる。波長
分割多重カプラ３０４の入出力リード（または入出力ポ
ート）には１から４までの数字が記載されたラベルが貼
られており、リード１はポンプ３０２に接続され、リー
ド３は利得媒体２０２を通って出力カプラへ導かれる。
また、出力リード２は疑似反射を減らすために一定角度
で剪断されており、リード４はファラデー回転ミラー２
１０に接続されている。
【００５３】例えば、波長分割多重カプラ３０４として
は、二つの入力リードと二つの出力リードを持つ。アス
ター社製波長分割多重カプラが使用できる。レーザー光
はポンプ３０２に接続された入力リード１から入射し、
利得媒体２０２を通って出力カプラへ導かれる。利得媒
体（エルビウムファイバー等）２０２からファラデー回
転ミラー２１０へ入射した光は、ファラデー回転ミラー
２１０で反射され、波長分割多重カプラ３０４を通過し
て波長分割多重カプラ３０４の入力リード３へ出力され
る。もちろん、波長分割多重カプラ３０４の接続は本実
施例だけに限定されず、様々な接続が考えられる。その
一例として、図６の実施例では波長分割多重カプラ３０
４のリード４が出力カプラに接続されている。
【００５４】図１に示したレーザー１００は、連続モ−
ド、あるいは、パルス発振モ−ドで動作可能である。典
型的なファイバーレーザーは、１ワット以下のパワー入
力に対して１〜５０ミリワット程度の出力パワーを発生
する。キャビティ２００は付加的な要素として例えばエ
タロン（Etalons ）や複屈折調整板（Birefringent Tun
ing Plates）のような帯域幅を限定する要素を含むこと
ができ、これらの要素はレーザー出力の波長調整のため
に利用できる。また、ファイバーの偏光固有モ−ドの間
の群速度が外れる場合、または、ファイバーの偏光固有
モ−ド間にソリトントラップ（Soliton Trapping）が発
生する場合、キャビティ２００はソリトン整形プロセス
（Soliton Shaping ）または非ソリトン整形プロセス
（No Soliton Shaping）を含み得る。これらのプロセス
は同時に、または、あらゆる組み合わせにおいて有効
で、パルス形成を安定させ得る。
【００５５】以上、環境の変化に対して安定な干渉しあ
う偏光固有モ−ド間における位相遅れを有するカータイ
プ・モードロック・ファイバーレーザーの使用に関係す
る本発明の好ましい実施例を説明した。本発明は断続的
な位相調整を行うための「調整ダイアル」なしで動作し
得るので、本発明のキャビティ２００は実用的で、商業
的価値に優れたものである。従って本発明のレーザー
は、何の問題もなく完全に密封されたケースの中に納め
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第一実施例に関し、カータイ
プ・受動型モードロックを使用したエルビウムドープ処
理ファイバーレーザーを示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第一実施例に関し、キャビテ
ィの中の偏光発生を説明するための座標系を示すブロッ
ク図である。
【図３】図３Ａは、レーザーの安定域の両端で得られる
パルススペクトル示すグラフであり、図３Ｂは、レーザ
ーの安定域の両端で得られるパルススペクトル示すグラ
フである。
【図４】図４は、発生したパルスの自己相関を示すグラ
フである。
【図５】図５は、本発明の第二実施例に関する受動型モ
ードロック・レーザーを示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明の第三実施例に関し、出力カッ
プリングのため、あるいは、ファラデー回転ミラーでの
出力カップリングのためにファイバーカプラを追加した
例を示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の第四実施例に関し、モードロ
ックを開始させるために飽和吸収体、あるいは、ファイ
バー伸張器を示すブロック図である。
【符号の説明】
１００：受動型モードロック・レーザー ２００：レー
ザーキャビティ ３００：ポンプ手段 ２０２：利得
媒体 ２０４：光軸 ２０６：キャ
ビティミラー ２１０：ファラデー回転ミラー ２１２：ファ
ラデー回転子 ２１４：バルク波長板 ２１６：偏光
子 ２１８：高複屈折ファイバー ２２０：低複
屈折ファイバー ２２８：第一レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーチン・イー・ファーマン アメリカ合衆国 ミシガン州48105 アン アーバー ビレッジグリーン・ブルバード 322 202 (72)発明者 ドナルド・ジェイ・ハーター アメリカ合衆国 ミシガン州48105 アン アーバー サルグレイブ・プレイス3535

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザーエネルギーを発生するためのエネ
    ルギー発生手段を備え、 前記エネルギー発生手段はキャビティを備え、 前記キャビティは、前記キャビティ内のレーザーエネル
    ギーを増幅するための利得媒体、 前記利得媒体を通過する光軸に沿ってレーザーエネルギ
    ーを反射する反射手段、 前記利得媒体の線形の位相変動補償手段、および前記キ
    ャビティ内に発生したレーザーエネルギーを出力するた
    めの出力手段、を含む受動型モードロック・レーザー。
  2. 【請求項２】前記位相変動補償手段は、さらに、前記キ
    ャビティ内で発生された偏光を制御するための制御手段
    を含む請求項１記載の受動型モードロック・レーザー。
  3. 【請求項３】前記制御手段は、さらに、第一ファラデー
    回転子、および、第二ファラデー回転子を含み、前記第
    一および第二ファラデー回転子は共に、前記キャビティ
    内に配置されており、前記第一および第二のファラデー
    回転子の間がキャビティ内領域となる請求項２記載の受
    動型モードロック・レーザー。
  4. 【請求項４】前記エネルギー反射手段は、前記キャビテ
    ィの第一端に配置された第一キャビティミラーと、前記
    第一端の反対側に位置する第二端に配置された第二キャ
    ビティミラーを含み、前記第二キャビティミラーはファ
    ラデー回転子を含む請求項１記載の受動型モードロック
    ・レーザー。
  5. 【請求項５】前記キャビティは、さらに、 高複屈折ファイバーと、前記キャビティの前記光軸に沿
    ってレーザーエネルギーを伝達するために前記高複屈折
    ファイバーに接続された低複屈折ファイバーを含む請求
    項１記載の受動型モードロック・レーザー。
  6. 【請求項６】前記利得媒体は高複屈折ファイバーを含む
    請求項５記載の受動型モードロック・レーザー。
  7. 【請求項７】前記キャビティは、さらに、前記キャビテ
    ィのレーザーエネルギーの線形偏光を変換するための変
    換手段を含む請求項１記載の受動型モードロック・レー
    ザー。
  8. 【請求項８】前記線形偏光変換手段は、前記光軸に沿っ
    て配置され、線形の位相遅れを発生させる波長板を含む
    請求項７記載の受動型モードロック・レーザー。
  9. 【請求項９】前記光軸に沿って配置された偏光子を備え
    る請求項８記載の受動型モードロック・レーザー。
  10. 【請求項１０】前記キャビティは、さらに、前記光軸に
    沿って発生したレーザーエネルギーを集中させるための
    エネルギー集中手段を含む請求項３記載の受動型モード
    ロック・レーザー。
  11. 【請求項１１】前記レーザーエネルギー出力手段は、さ
    らに、前記キャビティからレーザーエネルギーを放射す
    るための出力カプラを含み、前記出力カプラは前記エネ
    ルギー反射手段の第一キャビティミラーである請求項１
    記載の受動型モードロック・レーザー。
  12. 【請求項１２】前記レーザーエネルギー発生手段にエネ
    ルギーを注入するためのポンプ手段を備え、前記ポンプ
    手段は、さらに、エネルギー源と、前記ポンプ手段を前
    記キャビティに結合するための波長分割多重カプラを含
    む請求項１記載の受動型モードロック・レーザー。
  13. 【請求項１３】前記波長分割多重カプラは低複屈折ファ
    イバーを含む請求項１２記載の受動型モードロック・レ
    ーザー。
  14. 【請求項１４】前記利得媒体は高複屈折ファイバーで、
    かつ、希土類元素がドープ処理されたファイバーである
    請求項１記載の受動型モードロック・レーザー。
  15. 【請求項１５】前記希土ドープファイバーは適当な長さ
    を有する請求項１４記載の受動型モードロック・レーザ
    ー。
  16. 【請求項１６】前記キャビティが線形キャビティである
    請求項１記載の受動型モードロック・レーザー。
  17. 【請求項１７】前記出力手段は、さらに、前記キャビテ
    ィからのレーザー光の出力カップリングのための偏光ビ
    ームスプリッタとファイバー絶縁子を備える請求項１記
    載の受動型モードロック・レーザー。
  18. 【請求項１８】前記位相変動補償手段は、前記光軸に沿
    って偏光を回転させる少なくとも一つのファラデー回転
    子を含み、前記ファラデー回転子は前記レーザーエネル
    ギー出力手段である出力カプラとしても機能する請求項
    １記載の受動型モードロック・レーザー。
  19. 【請求項１９】レーザーのモードロックを開始するため
    の飽和吸収体を備え、前記飽和吸収体は基板上に形成さ
    れた半導体である請求項１記載の受動型モードロック・
    レーザー。
  20. 【請求項２０】レーザーのモードロックを開始するため
    のファイバー伸張器を備えた請求項１記載の受動型モー
    ドロック・レーザー。
  21. 【請求項２１】レーザーのモードロックを開始するため
    の移動可能なミラーを備えた請求項１記載の受動型モー
    ドロック・レーザー。
  22. 【請求項２２】レーザーエネルギーを発生するためのエ
    ネルギー発生手段を備え、前記エネルギー発生手段はキ
    ャビティを有し、前記キャビティは、さらに、低複屈折
    ファイバー、および、前記キャビティ内を伝播するレー
    ザーエネルギーが通過する光軸に沿って前記低複屈折フ
    ァイバーに接続された高複屈折ファイバーを含む受動型
    モードロック・レーザー。
  23. 【請求項２３】前記エネルギー発生手段は超短パルスを
    発生するためのファイバーレーザーである請求項２２記
    載の受動型モードロック・レーザー。
  24. 【請求項２４】レーザーエネルギーを発生するためのエ
    ネルギー発生手段を備え、 前記エネルギー発生手段はキャビティを有し、 前記キャビティは、前記キャビティの光軸に沿ってレー
    ザーエネルギーを増幅するための利得媒体、 前記利得媒体を通過する光軸に沿ってレーザーエネルギ
    ーを反射する反射手段、 前記キャビティの光軸に沿ってレーザーエネルギーの線
    形偏光を変換する手段、 前記利得媒体の光軸に沿って線形の位相変動を補償する
    補償手段、および、 前記キャビティ中の前記利得媒体で発生したレーザーエ
    ネルギーを出力するための出力手段、 を含む受動型モードロック・レーザー。
  25. 【請求項２５】前記キャビティは、さらに、少なくとも
    ファラデー回転子を使用して前記キャビティ内で発生し
    た偏光を制御するための制御手段を含む請求項２４記載
    の受動型モードロック・レーザー。
  26. 【請求項２６】前記線形偏光変換手段は、前記光軸に沿
    った線形の位相遅れを発生させるための少なくとも一つ
    の波長板を含む請求項２５記載の受動型モードロック・
    レーザー。
  27. 【請求項２７】前記キャビティの光軸に沿って偏光子が
    配置されている請求項２６記載の受動型モードロック・
    レーザー。
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