JPS63291488A - 光ファイバレ−ザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、安定な出力を効率良く取り出すことが可能な
光ファイバレーザ装置に関する。

（従来の技術） 近年、Ｎｄ（ネオジウム）、Ｅｒ（エルビウム）Ｐｒ（
プラセオジミウム）、Ｙｂ（イッテリビウム）等の希土
類元素を添加した光ファイバ（以下、希土類元素添加光
ファイバと記す）をレーザ活性物質とした、単一モード
光ファイバレーザ或いは光増幅器が、光センサや光通信
の分野で多くの利用の可能性を有することが報告され、
その応用が期待されている。

希土類元素添加光ファイバを用いた光ファイバレーザと
しては、Ｎｄを添加した石英系光ファイバをレーザ活性
物質として用い、半導体レーザ或いはＡｒレーザ励起Ｃ
Ｗ（連続波）色素レーザを励起光源として、波長１．０
８８μｍでＣＷ発振、Ｑスイッチ発振、モードロック発
振等を確認した例、また、Ｐｒ添加又はＥｒ添加した光
ファイバをレーザ活性物質とし、Ａｒレーザを励起光源
として、各々波長１．０８　ａ　ｍ　、　　１．５４　
ａ　ｍのＣＷ発振を確認した例が、アール、ジエー、メ
アーズ等（Ｊ、Ｍｅａｒｓ他、ＯＦＣ’　８８．７ＵＬ
１５等）によって報告されている。

第２図は、上述のような光ファイバレーザを発振するた
めの装置の構成を概略的に示す図である。

即ち、この装置は、レーザ活性物質である所定長の光フ
ァイバ１の両端に１対の反射鏡２ａ、２ｂを配置すると
共に、この光フアイバ１内に励起光を注入する手段を備
えている。第１図に示す構成では、反射鏡２ａの側方に
設けた半導体レーザ素子３がそれであり、半導体レーザ
素子３から１組の光学系レンズ４を介して、光ファイバ
１のコアに励起用レーザ光を集光して注入するように構
成されている。反射鏡２ａ、２ｂとしては、１対の誘電
体多層膜が用いられており、これらが光学的共振器を形
成している。

これに対し、出願人は、特願昭６２−１４９７４号とし
て第３図に示すような高効率の光ファイバレーザ装置を
出願−１ている。即ち第３図において、５はコア部に希
土類が添加された単一モード光ファイバコード、２ａ、
２ｂは光フアイバコード５の端面に直接形成された誘電
体反射膜、６ａ。

６ｂは光コネクタ、４ａはロッドレンズ、７はロッドレ
ンズ４ａと光コネクタ６ａと半導体レーザ３を結合させ
るためのホルダである。

第３図の発明では光学的共振器ミラーを構成する反射膜
２ａ、２ｂを光ファイバ１の端面上に直接形成すること
により、共振器の損失を大幅に低イバエにはコア部に希
土類元素が添加されているが、種々の実験の結果、この
種の光ファイバ１では希土類元素イオンによる吸収が生
じ、光ファイバ１の光学的損失が増加することを見い出
した。

第４図の曲線ａは、約１５０Ｐ　Ｐ　ＭのＮ　ｄ　”４
オンを添加した石英系単一モード光ファイバの伝送損失
特性を示しており、通常の単一モード光ファイバ（第４
図の曲線ｂ）に比較して、レーザの発振波長である　１
．０８８μｍにおいて１〜３ｄＢ程度損失が大きい。

これは、Ｎ　ｄ　”（オンの吸収体（例えば、　０．８
２μｍ）や散乱損失増によるものと考えられ、希土類元
素を添加した光ファイバでは不可避な現象である。従っ
て、光ファイバレーザ装置の共振長を長くとり、しかも
高効率にレーザ発振を行なわせようとする際、希土類元
素を共振長全体にわたって添加することは、共振器内損
失を増加せしめて出力を低下させる要因となる。

即ち、本発明は希土類元素を添加する光ファイバの長さ
は、端面から入射された励起光を効率よく吸収する長さ
であれば十分であり、必要以上に長くとることは得策で
はないことに着目したものである。

しかも、光ファイバレーザ装置内に、光変調器を配置し
てモードロック動作を行なわせる場合、光変調器の周波
数ｆは で与えられる。ここにＣは光速、ｎは光ファイバのコア
の屈折率、Ｌは共振器の長さく光ファイバ長）である。

第（１）式から明らかなように、所望の周波数でモード
ロック動作を行なおうとするには、コアの屈折率ｎを大
幅に変化させることば困難であるから共振長りを変化さ
せることになる。

しかるに、前述の通り希土類元素を添加した光ファイバ
は、希土類元素を含まない光ファイバに比較して損失が
大きいため、従来技術では、発振効率の劣化なしにはモ
ードロックの周波数を自由に選べないという問題があっ
た。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、共振器の光学的損失を大幅に低減して全体の
効率化を実現すると共に、モードロックを行なう場合に
は周波数の範囲を自由に選択できる光ファイバレーザ装
置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明では、コア及びクラッ
ドで構成される光ファイバ、該光ファイバの両端に形成
された反射部から成る光学的共振器と、光ファイバに励
起光を注入する手段とを具備する光ファイバレーザ装置
において、前記光ファイバを、その長さ方向において希
土類元素を含む部分と希土類元素を含まない部分とで構
成している。

（作用） これらの構成により、半導体レーザ等の励起光注入手段
が作動すると、励起光が光共振器の光フアイバ入射側へ
光学的に結合する。光ファイバに入射した光は両端の反
射部により反射をくり返して増幅された後、発振状態に
到達する。この間、光ファイバの希土類元素添加部分で
は励起光が効率よく吸収され、希土類元素無添加部分、
即ち通常の光フアイバ部分では光学的損失が殆ど生ずる
ことなく光が進んで出射側へと向かう。

（実施例） 第１図は、本発明に係る光ファイバレーザ装置の第１実
施例を示す簡略図で、従来品と同じ部分には同一の参照
番号を付しである。

この光ファイバレーザ装置は、光ファイバ１、反射膜’
ｌａ、２ｂｓ半導体レーザ３、ロッドレンズ４ａｓ光コ
ネクタ５ａ、６ｂ％光ファイバ１０、光変調器１１　、
Ｇ　ｅ光検出器１２、サンプリングオシロスコープ１３
、高周波信号発生器（シンセサイザ）１４から構成され
ている。

光ファイバ１は、Ｎｄを添加したパンダ型偏波保持光フ
ァイバ（後屈曲率４Ｘ１０−’）で、これにＮｄを含ま
ないパンダ型の複屈折性単一モード、即ち通常の光ファ
イバ１０が接続されている。光ファイバ１０には、伝送
損失がλ−１，０８８μｍで０．５ｄ　Ｂ　／　ｋ　ｍ
、複屈折率５Ｘ１Ｇ−’及び比屈折率差０．３％のもの
を採用し、その長さは９０ｍである。

光変調器１１は、光ファイバ１．１０の接続箇所に配置
され、ここではＬ　ｉＮ　ｂ　Ｏａの導波路型を用いて
いる。高周波信号発生器１４は、光変調器１１に駆動用
の信号を出力すると共にオシロスコープ１３に信号観測
用のトリガパルスを送る。

ここに、レーザ活性物質である光ファイバ１は、基本的
にはＳ　ｉＯ２のコア並びにクラッドからなる長さ１０
ｍの単一モード光ファイバであり、コアにはＮｄを１５
０ｐ　ｐ　ｍ添加し、クラッドにはＦを添加して希土類
元素添加光ファイバとしている。

コアークラッド間の比屈折率差は０．３％であり、ＬＰ
ＩＩモードのカットオフ波長は１．０μｍであった。こ
の光ファイバ１の端面に、真空蒸着法により誘電体多層
膜を形成してレーザの反射鏡とした。

各反射膜２ａ、２ｂの特性は、後述するこのレーザ装置
の励起光である波長０．８２μｍの半導体レーザ３と、
このレーザ装置が発生する波長１．０８８μｍの光ファ
イバレーザ光に対して、それぞれ次のように設定した。

反射膜２ａ（入射側鎖）の特性 ・波長０．８２μｍの光に対して透過率９０％以上・波
長１．０８８μｍの光に対して反射率９９．５％以上反
射膜２ｂ（出射側鎖）の特性 ・波長０．８２μｍの光に対して透過率９０％以上Φ波
長１．０８８μｍの光に対して反射率９０±１％以上 この光ファイバレーザ装置の動作に当っては、まず発振
波長０．８２μｍの半導体レーザ３を点灯し、ロッドレ
ンズ４ａ介して光ファイバ１に出力光を結合させる。こ
のとき、光ファイバ１に結合した光出力は約１８ｍ　Ｗ
であり、半導体レーザ３の励起光量の約９７％が吸収さ
れた。また、各光ファイバ１，１０は、光変調器１１を
介して低損失に接続されており、その挿入損失は１．５
ｄ　Ｂであった。この状態即ち、高周波信号発生器１４
を動作させない状態で、光ファイバレーザ装置の発振し
きい値光電力は、吸収光量換算で３．５ｍＷ、レーザの
発振光出力は５ｍＷであった。

次いで、高周波信号発生器１４を動作し、駆動ンブリン
グオシロスコープ１３を用いて、光ファイバレーザ装置
の出力光パルスの波形観測を行なう。ここに、（２）式
のｎｌ、ｎ２．ｎ３はそれぞれ光ファイバ１、光ファイ
バ１０及び光変調器１１のコア部の屈折率、Ｌ　　、Ｌ
　　、Ｌ　　はそれぞれ光ファイバ１、光ファイバ１０
及び光変調器１１の長さである。

第（２）式に、各パラメータの測定値ｎ１ｍｎ２−１．
４４８．　ｎ３−２．２％　Ｌｌ−１０ｍ、　Ｌｚ−９
０ｍｓＬａ−０，０２５ｍを代入すると、ｆ　Ｏ−１，
０３ＭＨ２を得る。上記の実際の測定では、ｆ　Ｏ−１
，０３６３２５ＭＨｚで最も鋭い出力光パルス列が得ら
れ、その半値幅は０．９ｎｓであった。周波数の計算値
と実測値の差は、ｎ−ｎ　　ＳＬ１〜Ｌ３の測定膜差に
起因するものと考えられる。尚、本実施例において、光
パルスのピーク出力は、波長１７０８８μｍで、約４５
０ｍ　Ｗが得られた。

このように、本実施例では、低損失の光ファイバ１０を
光ファイバ１に付加することにより、（２）式から導か
れるような低周波の駆動が可能となるため、ピーク出力
の大きな光パルス列が得られる。また、本実施例で複屈
折性の光ファイバを使用しているのは、光変調器１１と
発振光の偏波面との整合を図るためである。尚、光ファ
イバ１゜１０の複屈折率が５×１０−５以下では、光変
調器１１の変調度を深くとることができず、ｉ　ｎｓ以
下の鋭い光パルス２は得られなかった。

第５図には、本発明の第２の実施例が示されており、前
実施例と同じ部分には同様の参照番号を付しである。こ
の実施例では、光ファイバ１ｏの出力側にＱスイッチ用
の光変調器１１ａを設置し、光変調器１１ａの出射端面
に反射膜２ｃを形成している。また、高周波信号発生器
１４ａには２チヤンネルタイプを採用し、ここから第２
光変調器１１ａに駆動信号を出力できるようにしである
。

このような光ファイバレーザ装置を実施例１と同様の方
法でモードロック動作を行なわせる。このとき、最適な
駆動周波数は、ｆ　Ｏ−１，０３８７１５Ｍ　Ｈｚであ
った。次いで、高周波信号発生器１４ａから駆動信号を
出力し、Ｑスイッチ用の光変調器１１ａを駆動する。こ
のときの周波数ｆ１は、ｆＯをｔ７ｔｏｏｏに分周した
ものでｆ　１−１０３６．７Ｈｚである。光変調器１１
ａの駆動によって、第５図の光ファイバレーザ装置はモ
ードロックとＱスイッチ動作を同時に行なわせることが
できた。

このときの波長１．０８８μｍにおけるピークの光出力
は、約３２０Ｗであった。ここで分周率が１００以下で
は、出力光パルスの出力増加に顕著な改善はみられなか
った。

以上の実施例においては光ファイバ１０の長さとして９
０ｍを選んだが、この長さを適当に選択することにより
モードロック周波数を広範囲に選べることは、本発明の
特徴として当然のことである。

第６図には、本発明の第３実施例が示されており、前述
の各実施例と同じ部分には同様の参照番号を付しである
。この光ファイバレーザ装置では、光ファイバ１の出射
側に軸方向に沿って一対の光コネクタ１５ａ、１５ｂを
取付け、一方の光コネクタ１５ｂと前述の光コネクタ６
ｂとの間に光ファイバ１０ａを結合している。この実施
例では、コアにＰ２Ｏ５をドープした　１５０ｍのパン
ダ形複屈折性光ファイバが用いられている。

光コネクタ１５ａ、１５ｂの対向面には、波長１．０８
８μｍで透過率９９．３％以上の無反射誘電体多層膜の
コーティング層１６ａ、１６ｂが形成されている。また
、光コネクタ１５ａ、１５ｂの間には、同軸的に一対の
ロッドレンズ１７ａ、１７ｂが配置され、ロッドレンズ
１７ａ、１７ｂにも同様のコーティングが施されている
。

ロッドレンズ１７ａ、１７ｂの間には、光路を遮る位置
に２枚の光チヨツパブレード１８ａ。

１８ｂが設置され、各光チャツバブレード１８ａ。

１８ｂはヒステリシスモータ１９により高速回転するよ
うになっている。ヒステリシスモータ１９は、コントロ
ーラ２０によりその駆動及び回転数が制御される。光チ
ヨツパブレード１８ｂの下方両側には、ＬＥＤ２１及び
光検知器２２が配置され、これらはオシロスコープ１３
からのトリガ信号で作動するようになっている。

ここに、モータ１９の回転速度は、最大３００００ｒｐ
ｍ、光チョッパブレード１８ａのブレード数は４０００
、光チヨツパブレード１８ｂのブレード数は１である。

従って、両者は同一回転数で回るため光チヨツパブレー
ド１８ａの周波数は最大２ＭＨｚ、光チョッパブレード
１８ｂの周波数は最大５００Ｈｚである。各光チヨツパ
ブレード１８ａ。

１８ｂは、フォトリソグラフィを用いて石英ガラス基盤
上に蒸着したＡＩをエツチングして作製したものであり
、加工精度は０．１μｍ以下である。

これを動作するには、実施例１，２と同様に、光ファイ
バレーザ装置ＣＷ発振させる。次いで、コントローラ２
０により、モータ１９を回転させ、その回転数を徐々に
変化させながら、サンプリングオシロスコープ１３で波
形観測を行ない、最も鋭い光パルス列が得られる周波数
を選定する。本実施例では、Ｆ　Ｏ−８４７，５３１Ｋ
　Ｈｚで、上記条件が満たされた。このときのレーザパ
ルスは、半値幅０．８５　ｎｓｓ　ピーク出力４５０Ｗ
であった。また、共振器内で誘導ラマン散乱が生じ、λ
−１，１〜１．３μｍにおいても光出力が観測された。

第７図には、本発明の第４実施例が示されており、前実
施例と同じ部分には同様の参照番号を付しである。この
光ファイバレーザ装置では、光変調器１１を光ファイバ
１０の出射側に設置し、両光ファイバ１．１０は融着手
段によって光学的に結合（２３で示す）されている。こ
の接続部に隙間ができると発振特性が劣化するから、こ
れを防止するには融着手段を用いるのが最適である。

これを動作するには、前記実施例と同様に光ファイバレ
ーザ装置をＣＷ発振状態にし、次いで高周波信号発生器
１４を駆動し、光変調器１１を動作する。このときの最
適なモードロック周波数は、第１の実施例とほぼ同一で
ｆ　Ｏ−１，０８８１９５ＭＨ２であった。本実施例で
は、モードロック光パルスの出力として４θＯｍＷ、パ
ルス幅０．８８　ｎｓが得られた。この場合、光ファイ
バの接続損失は、波長１．０８８μｍで０．０３ｄＢで
あった。

尚、モードロック等を行なわない場合は、各光変調器１
１．１１ａを省略することができる。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明の光ファイバレーザ装置で
は、光学的共振器の光ファイバを、その長さ方向におい
て希土類元素を含む部分と希土類元素を含まない部分と
で構成したから、共振器の長さを広範囲に亘って設定し
ても光学的損失を最小限に抑えられ、モードロック動作
を行なう場合にもその周波数を自由に選択できると共に
出力光パルスのピークを高くできる効果がある。

また、希土類元素を含む光ファイバに接続する光ファイ
バを自由に選択できるため、Ｑスイッチやモードロック
動作をする際、これに使用する光変調器の性能を極限に
まで高めることができるばかりでなく、誘導ラマン散乱
効果等の光非線形現象を応用した広波長域の光源として
の利用にも応用できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る光ファイバレーザ装置の第１実
施例を示す簡略図、第２図及び第３図は各々従来品の簡
略図及び簡略断面図、第４図は希土類元素を含む光ファ
イバと含まない光ファイバの伝送損失特性を比較したグ
ラフ、第５図は本発明の第２実施例を示す簡略図、第６
図は本発明の第３実施例を示す簡略図、第７図は本発明
の第４実施例を示す簡略図である。 １・・・希土類元素添加光ファイバ　２ａ、２ｂ。 ２Ｃ・・・反射膜　３・・・半導体レーザ　１０．１０
ａ元章

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）コア及びクラッドで構成される光ファイバ、該光
   ファイバの両端に形成された反射部から成る光学的共振
   器と、光ファイバに励起光を注入する手段とを具備する
   光ファイバレーザ装置において、前記光ファイバが、そ
   の長さ方向において希土類元素を含む部分と希土類元素
   を含まない部分とで構成された ことを特徴とする光ファイバレーザ装置。
2. （２）前記光ファイバが単一モードであり、少なくとも
   一方の光ファイバが５×１０＾−＾５以上の複屈折率を
   有する特許請求の範囲第（１）項に記載の光ファイバレ
   ーザ装置。
3. （３）前記光学的共振器が、単一モード光ファイバと光
   学的に結合される１個以上の光変調器を具備している特
   許請求の範囲第（１）項または第（２）項に記載の光フ
   ァイバレーザ装置。
4. （４）前記光変調器が、２種類の基本周波数成分ｆ１、
   ｆ２を有し、かつｆ１≧１００ｆ２の関係を満足するも
   のである特許請求の範囲第（３）項に記載の光ファイバ
   レーザ装置。
5. （５）前記希土類元素を含まない部分の光ファイバが、
   応力付与型の偏波保持単一モード光ファイバである特許
   請求の範囲の第（１）〜第（３）項のいずれかに記載の
   光ファイバレーザ装置。
6. （６）前記希土類元素を含まない部分の光ファイバが誘
   導ラマン効果の大きい元素であるＰ＿２Ｏ＿５、アルカ
   リ元素のうち少なくとも１つ以上を含む特許請求の範囲
   第（１）項〜第（５）項のいずれかに記載の光ファイバ
   レーザ装置。
7. （７）前記両光ファイバが相互に融着接続されている特
   許請求の範囲第（１）項〜第（６）項のいずれかに記載
   の光ファイバレーザ装置。