WO2008029859A1 - Dispositif laser - Google Patents

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optical
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dfb
fiber
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Masataka Nakazawa
Akihito Suzuki
Toshihiko Hirooka
Masato Yoshida
Kazunori Shiota
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Advantest Corporation
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    • H01S3/1693—Solid materials characterised by additives / sensitisers / promoters as further dopants aluminium

Definitions

  • the present invention relates to a laser apparatus. More specifically, the present invention relates to a laser device including a ⁇ / 4 shift DFB (Distributed Feedback) fiber laser and a ring resonator.
  • DFB Distributed Feedback
  • This application is related to the following Japanese application. For designated countries where incorporation by reference of documents is allowed, the contents described in the following application are incorporated into this application by reference and made a part of this application.
  • the DFB laser includes a diffraction grating formed by periodically modulating the refractive index of the optical waveguide as an optical feedback path.
  • FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing the structure of the semiconductor DFB laser 90.
  • the semiconductor DFB laser 90 includes an InGaAsP active layer 93 and a p-InGaAsP waveguide layer 92 that are sequentially stacked inside a buffer layer 94 on an n-InP substrate 96.
  • a diffraction grating 91 is formed at the boundary between the InGaAsP active layer 93 and the p-InGaAsP waveguide layer 92.
  • the semiconductor DFB laser 90 as described above has a ⁇ /
  • Such a semiconductor DFB laser 90 is widely used as a light source for optical communication because it can realize a stable single mode oscillation at a small size and at a low cost.
  • FIG. 2 schematically shows the structure of a DFB fiber laser 40 that applies the above-mentioned ⁇ / 4 shift DFB laser technology to an optical fiber.
  • the DFB fiber laser 40 uses a core added with a rare earth element between the non-output end 42 and the output end 44 as a gain medium. Further, this core has a diffraction grating 41 including a phase shift 43 corresponding to ⁇ / 4, and includes a distributed feedback structure by FBG (Fiber Bragg Grating). DF like this
  • FBG Fiber Bragg Grating
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the structure of the DFB ring laser 100 including the ring resonator 130.
  • this DFB ring laser 100 propagates through a ring resonator 130 formed by a DFB structure 120 for obtaining a single longitudinal mode operation, an annular optical waveguide 132, and a ring resonator 130.
  • a light power bra 140 that extracts a part of the light to be output as an output.
  • excitation light is supplied to the DFB structure 120 via the waveguide 110.
  • the DFB ring laser 100 has an effective resonance by feeding back a laser oscillation signal to the DFB structure 120 via the ring resonator 130. This can reduce the laser loss and reduce the laser oscillation threshold condition.
  • the ring resonator 130 since the ring resonator 130 has a high Q value, it is possible to reduce the line width of the output laser.
  • Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 below describe a ring containing germanium and boron around the core portion of phosphoric glass containing erbium and ittribium. Forming a laser with an optical fiber having a silica glass clad in the form of a tube.
  • Patent Document 1 US Patent Specification No. 6272165
  • Non-Patent Document 1 "1.5- ⁇ / 4-Shifted InGaAsP / lnP DFB Lasers",
  • Non-Patent Document 2 "Distributed—Feedback Ring All -Fiber Laser,” OSA T OPS on Advanced Solid—State Lasers, vol. 1, pp. 291—295 (1 996).
  • Non-Patent Document 3 "High Performance Single Frequency Fiber Grating—Based Erbium: Ytterbium- Codoped Fiber Lasers, J. of Lightwave.
  • Non-Patent Document 4 "Efficient single-frequency fiber lasers with novel phot osensitive Er / Yb optical nbers, Opt. Lett.vol. 22, no. 10, pp. 694-696 (1997).
  • an optical fiber having a phosphate glass core can obtain a high laser output.
  • this optical fiber has a complicated structure and high manufacturing cost, and it has poor long-term reliability due to the hygroscopicity of phosphate glass.
  • the optical fiber forming the optical feedback path is provided with a laser device having a length larger than the length at which the relaxation oscillation noise in the output to the outside becomes 1 lOdB / Hz.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a semiconductor DFB laser 90.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of a semiconductor DFB laser 90.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the structure of a DFB fiber laser 40.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the structure of a DFB ring laser having a ring resonator 130 using a ring waveguide.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a structure of a laser device 200 as a comparative example.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the structure of a laser device 300 that applies force to one embodiment.
  • FIG. 6 is a graph showing temporal changes in laser output in the laser apparatus 200.
  • FIG. 7 is a graph showing the waveform of a heterodyne beat signal in laser apparatus 200.
  • FIG. 8 is a graph showing a relative intensity noise characteristic in the laser apparatus 200.
  • FIG. 9 is a graph showing a waveform of a self-delay heterodyne beat signal in laser apparatus 200.
  • FIG. 10 is a graph showing a transmission spectrum of ⁇ / 4 shift diffraction grating 41 in laser apparatus 200.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the length of the optical feedback path 50 and the oscillation line width in the laser apparatus 300.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the length of the optical feedback path 50 in the laser apparatus 300 and the relative intensity noise at the relaxation oscillation frequency.
  • FIG. 13 Relative intensity in the laser device 300 when the length of the optical feedback path 50 is 57 m.
  • FIG. 14 is a diagram schematically showing a structure of a laser apparatus 400 according to another embodiment.
  • a DFB fiber laser 40 including a silica-based optical fiber co-doped with erbium and aluminum as a gain medium was fabricated.
  • this DFB fiber laser 40 has a PANDA type polarization maintaining structure and has a single polarization output.
  • the core is co-doped with 0.4 wt% erbium and 12 wt% aluminum. Thereby, amplitude noise due to the erbium ion pair is reduced.
  • the silica-based optical fiber forming the DFB fiber laser 40 includes a distributed feedback structure formed by FBG including a phase shift 43 corresponding to ⁇ / 4.
  • the diffraction grating 41 can be formed using a phase mask method.
  • the polarization maintaining optical fiber doped with aluminum and erbium was irradiated with a fourth harmonic of a YAG laser operating at Q wavelength at 266 nm for a length of about 14 cm.
  • a ⁇ / 4 shift diffraction grating 41 is formed in the erbium-doped optical fiber by using a phase mask having a phase shift that gives a ⁇ / 4 shift.
  • a single longitudinal mode oscillation is generated in the DFB fiber laser 40 by injecting pump light having a wavelength of 1480 nm from the pump light source 10 formed by a semiconductor laser into the laser device 300 formed as described above. Arise.
  • the laser oscillation threshold excitation power is 10mW, and pulse oscillation occurs until the excitation power is lOOmW.
  • the pump power was more than lOOmW, stable continuous oscillation occurred.
  • the DFB fiber laser 40 was equipped with an optical feedback path 50 formed of an annular optical fiber, and the effect of making a ring laser was confirmed.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the structure of a laser device 200 manufactured by changing specifications for comparison with the examples described later.
  • this laser device 200 includes a DFB fiber laser 40, an output end 44 and a non-output end 42 of the DFB fiber laser 40. And an optical feedback path 50 formed by a long ring-shaped optical fiber to be coupled.
  • the non-output end 42 of the D FB fiber laser 40 is a feedback end.
  • an optical wavelength multiplexing force bra 30 for injecting the pumping light from the pumping light source 10 to the non-output end 42 side of the DFB fiber laser 40 through the incident port 20, and an optical feedback path
  • An optical isolator 60 that regulates the propagation direction of light on 50 and an optical coupler 70 that branches a part of the propagation light in the optical feedback path 50 to the output port 80 are inserted.
  • the laser device 200 is converted into a ring laser.
  • the laser device 200 uses a semiconductor laser having a wavelength of 1480 nm as the excitation light source 10.
  • the optical fiber forming the optical feedback path 50 having a length of 57 m was a PANDA type polarization maintaining optical fiber.
  • the laser device 200 is disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 in that the optical fiber forming the optical feedback path 50 is a polarization maintaining type and the optical isolator 60 is inserted in the optical feedback path 50.
  • the structure is different from the laser device described in Reference 2.
  • FIG. 6 is a graph showing a time-dependent change in laser output by curve A when the laser apparatus 200 is operated at an excitation power of 60 mW. Also, curve B shows the temporal change in output when the DFB fiber laser 40 is operated alone without the optical feedback path 50 attached.
  • the DFB fiber laser 40 when the DFB fiber laser 40 is operating alone, it oscillates pulsed, whereas the laser device 200 that is formed into a ring laser with the optical feedback path 50 oscillates continuously! I understand the power S.
  • FIG. 7 shows heterodyne beat signals between the DFB fiber laser 40 and a stable single mode semiconductor DFB fiber laser 90. As shown in the figure, it can be seen that even if a ring laser is used, even single mode oscillation occurs.
  • FIG. 8 is a graph showing a relative intensity noise characteristic as a curve P when the excitation power supplied from the excitation light source 10 is lOOmW.
  • the relative intensity noise characteristics when the DFB fiber laser 40 is operated alone are also shown as curve Q.
  • the relative intensity noise when the DF B fiber laser 40 is operated alone is 80 dB / Hz, whereas the laser device 200 equipped with the optical feedback path 50 and made into a ring laser is used. ,relative It can be seen that the intensity noise has dropped to 196 dB / Hz. As a result, it was confirmed that the laser device 200 oscillated continuously and that the amplitude noise was reduced.
  • FIG. 9 is a graph showing the waveform of the self-delayed heterodyne beat signal generated by the laser apparatus 200 as curve A when the excitation power supplied from the excitation light source 10 is lOOmW.
  • the self-delayed heterodyne beat signal when the DFB fiber laser 40 is operated alone is also shown as curve B.
  • the line width when the optical feedback path 50 is added to form a ring laser is 27 kHz compared to the line width of 82 kHz when the DFB fiber laser 40 oscillates alone. As a result, it was found that the line width could be reduced to about 1/3 by using a ring laser.
  • FIG. 10 is a graph showing a transmission spectrum of the ⁇ / 4 shift diffraction grating 41 in the DFB fiber laser 40.
  • a narrow transmission band X clearly exists in the center of the forbidden band ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ in the transmission spectrum of the DFB fiber laser 40 by the 1 ⁇ 4 shift diffraction grating 41. Therefore, the DFB fiber laser 40 oscillates at the wavelength of the transmission band X. Since the laser device 200 includes the optical feedback path 50 as a resonator, the relative noise level is reduced by the laser oscillation light repeatedly passing through the narrow band optical filter.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the structure of a laser apparatus 300 according to one embodiment.
  • this laser device 300 includes a DFB fiber laser 40 and an optical feedback path 50 formed by a long ring-shaped optical fiber that couples the output end 44 and the non-output end 42 of the DFB fiber laser 40.
  • an optical wavelength multiplexing force bra 30 for injecting the pumping light from the pumping light source 10 to the non-output end 42 side of the DFB fiber laser 40, and the propagation direction of the light on the optical feedback path 50
  • the optical isolator 60 that regulates the light intensity and the optical power bra 70 that branches a part of the propagation light in the optical feedback path 50 to the output port 80 are inserted.
  • the structure of the laser device 300 differs from the laser device 200 shown in FIG. 4 in the length of the optical fiber forming the optical feedback path 50.
  • FIG. 11 is a drawing showing the relationship between the length of the optical feedback path 50 and the oscillation line width in the laser apparatus 300. As shown in the figure, it can be seen that the longer the optical feedback path 50, the narrower the line width of the output laser. In particular, the line width is steep until the length of the optical feedback path 50 reaches 25 m. It can be seen that the effect of extending the optical feedback path 50 is remarkable.
  • FIG. 12 is a graph showing the relationship between the length of the optical feedback path 50 in the laser device 300 and the relative intensity noise at the relaxation oscillation frequency. As shown in the figure, as the optical feedback path 50 becomes longer, the relative intensity noise at the relaxation oscillation frequency decreases. In particular, when the length of the optical feedback path 50 exceeds 25 m, the noise peak at the relaxation oscillation frequency is below the measurement limit.
  • FIG. 13 is a graph showing the relative intensity noise characteristics at the laser output when the length of the optical feedback path 50 is 57 m in the laser apparatus 300 having the structure shown in FIG.
  • the level of relative intensity noise in the laser output of this laser device 300 is ⁇ 110 dB / Hz or less over a wide band, and there is no band exceeding ⁇ 105 dB / Hz.
  • this laser output has a narrow line width, is low cost, and has long-term reliability.
  • FIG. 14 is a diagram showing a structure of a laser apparatus 400 according to another embodiment. As shown in the figure, this laser device 400 inserts a semiconductor optical amplifier 62 (Semiconductor Optical Amplifier: SOA) on the ring optical feedback path 50 with respect to the laser device 200 having the structure shown in FIG. It has unique features.
  • a semiconductor optical amplifier 62 semiconductor Optical Amplifier: SOA
  • the semiconductor optical amplifier 62 has a low-frequency cutoff optical filter characteristic in its amplification saturation characteristic. Therefore, the laser apparatus 400 can be further reduced in ultra noise.
  • a ⁇ / 4-shifted DFB fiber laser having a long ring-type optical feedback path has high long-term reliability.
  • noise is extremely low! /, And! / Has fruit. Therefore, it can be used as a light source for optical communication that puts information on the phase of an optical signal or a light source for ultra high stability optical frequency reference as a laser light source with low cost, high reliability, low noise and narrow line width. .
  • the frequency multiplexing interval is increased to 100 GHz, 50 GHz, and 25 GHz, signal arrangement at a narrower frequency interval is required.
  • This ring-type quarter-shift DFB fiber laser can be advantageously used as a signal light source used in such a high-density wavelength division multiplexing optical communication system.
  • a coherent optical communication system capable of dramatically increasing the transmission capacity, it can be used as a local oscillation source used for a light source and a receiver for coherent optical communication.
  • This laser device can also be used in fields other than optical communication, such as optical sensing for obtaining environmental information such as position and vibration using the Doppler effect, interference effect, and the like. This enables more detailed and precise measurement.

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Description

明 細 書
レーザ装置
技術分野
[0001] 本発明は、レーザ装置に関する。より詳細には、 λ /4シフト DFB (Distributed F eedback)ファイバレーザおよびリング型共振器を備えたレーザ装置に関する。本出 願は、下記の日本出願に関連する。文献の参照による組み込みが認められる指定国 については、下記の出願に記載された内容を参照により本出願に組み込み、本出願 の一部とする。
1. 特願 2006— 244684 出願曰 2006年 9月 8曰
背景技術
[0002] 単一縦モード発振するレーザのひとつとして DFBレーザがある。 DFBレーザは、光 導波路の屈折率などを周期的に変調させて形成した回折格子を光帰還路として含 む。
[0003] 図 1は、半導体 DFBレーザ 90の構造を模式的に示す部分断面図である。同図に 示すように、半導体 DFBレーザ 90は、 n— InP基板 96上のバッファ層 94の内部にお いて順次積層された InGaAsP活性層 93および p— InGaAsP導波路層 92を備える 。また、 InGaAsP活性層 93および p— InGaAsP導波路層 92の境界には回折格子 9 1が形成される。
[0004] 下記非特許文献 1に記載されるように、上記のような半導体 DFBレーザ 90は、 λ /
4に相当する位相シフトを有する回折格子を設けることにより、安定な単一縦モード発 振が得られる。このような半導体 DFBレーザ 90は、小型かつ低コストで安定な単一 モード発振を実現することができるので、光通信用光源として広く用いられる。
[0005] また、図 2は、上記 λ /4シフト DFBレーザの技術を光ファイバに応用した DFBファ ィバレーザ 40の構造を模式的に示す。同図に示すように、 DFBファイバレーザ 40は 、非出力端 42および出力端 44の間において、希土類元素が添加されたコアを利得 媒質とする。また、このコアは、 λ /4に相当する位相シフト 43を含む回折格子 41を 有して、 FBG (Fiber Bragg Grating)による分布帰還構造を含む。このような DF Bファイバレーザ 40は、半導体レーザよりも線幅が狭ぐ伝送路光ファイバとの接続が 容易であるなどの利点がある。
[0006] さらに、図 3は、リング共振器 130を備えた DFBリングレーザ 100の構造を模式的に 示す図である。同図に示すように、この DFBリングレーザ 100は、単一縦モード動作 を得るための DFB構造 120と、環状の光導波路 132により形成されたリング共振器 1 30と、リング共振器 130を伝播する光の一部を出力として外部に取り出す光力ブラ 1 40とを備える。また、 DFB構造 120には、導波路 110を介して励起光が供給される。
[0007] 下記の特許文献 1および非特許文献 2に記載されるように、 DFBリングレーザ 100 は、リング共振器 130を経由してレーザ発振信号を DFB構造 120に帰還させること により実効的な共振器損失を減少させて、レーザ発振しきい値条件を減少させること 力 Sできる。また、リング共振器 130が高い Q値を有するので、出力されるレーザの線幅 を狭くすること力できる。
[0008] なお、エルビウム添加光ファイバを用いたファイバレーザ光通信用の光源等として 用いる場合、高いレーザ出力を得る目的で、エルビウムを高濃度に添加する方法が ある。し力、しながら、エルビウムを高濃度に添加すると、エルビウムイオン対が発生す る場合のエネルギー移動によってノ ルス発振などの深刻な強度変動が生じる。そこ で、イオン対の発生を抑制する目的で、光ファイバのコア部にアルミニウムを共添カロ することが有効であることが知られ、既に実施されている。
[0009] また、同様の目的で、下記非特許文献 3および非特許文献 4には、コア部をェルビ ゥムとイツトリビゥムを含んだリン酸系ガラスとして、その周囲をゲルマニウムとボロンを 含んだリング状のシリカガラスクラッドとした光ファイバによりレーザを形成することが 記載される。
特許文献 1 :米国特許明細書第 6272165号
非特許文献 1 : "1. 5— λ /4 - Shifted InGaAsP/lnP DFB Lasers",
J. of Lightwave Technol. , vol. 5, no. 11 , pp. 1564— 1573 ( 1987) .
非特許文献 2 : "Distributed— Feedback Ring All -Fiber Laser, " OSA T OPS on Advanced Solid— State Lasers, vol. 1 , pp. 291— 295 (1 996) .
非特許文献 3 : "High Performance Single Frequency Fiber Grating— Ba sed Erbium： Ytterbium― Codoped Fiber Lasers, J. of Lightwave.
Technol. , vol. 16. , no. 1 , pp. 114 - 118 (1998) .
非特許文献 4 : "Efficient single― frequency fiber lasers with novel phot osensitive Er/Yb optical nbers, Opt. Lett. vol. 22, no. 10, pp. 694 - 696 (1997) .
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 上記のような様々な試みの結果、リン酸系ガラスコアを有する光ファイバにより高い レーザ出力が得られることがわ力、つた。し力もながら、この光ファイバは構造が複雑で 製造コストが高くなる上、リン酸系ガラスの吸湿性などにより長期的な信頼性に乏しい
。従って、実用的な用途において用いることができない。
[0011] これに対して、シリカ系光ファイバに高濃度にエルビウムを添加することにより高出 力化したレーザ装置は、長期的に安定した動作をすることが判っている。そこで、高 濃度にエルビウムを添加して高出力化すると共に、アルミニウムを共添加して低雑音 化したレーザ装置をさらに一層低雑音化することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0012] 上記課題の解決を目的として、共添加物としてアルミニウムを含むシリカ系の希土 類添加光ファイバを増幅媒質として有する DFBファイバレーザと、リング状の光フアイ バにより形成された光帰還路と、 DFBファイバレーザの出力の一部を光帰還路を介 して DFBファイバレーザに帰還させ、且つ、 DFBファイバレーザの他の一部を外部 への出力とする光力ブラとを備えたレーザ装置であって、光帰還路を形成する光ファ ィバは、外部への出力における緩和振動雑音が一 l lOdB/Hzとなる長さよりも大き な長さを有するレーザ装置が提供される。
[0013] なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない 。また、これらの特徴群の一部を組み合わせた場合もまた本発明に含まれ得る。 図面の簡単な説明
[0014] [図 1]半導体 DFBレーザ 90の構造を模式的に示す図である。
[図 2]DFBファイバレーザ 40の構造を模式的に示す図である。
[図 3]リング型導波路によるリング共振器 130を有する DFBリングレーザの構造を模 式的に示す図である。
[図 4]比較例であるレーザ装置 200の構造を模式的に示す図である。
[図 5]ひとつの実施形態に力、かるレーザ装置 300の構造を模式的に示す図である。
[図 6]レーザ装置 200におけるレーザ出力の時間的変化を示すグラフである。
[図 7]レーザ装置 200におけるヘテロダインビート信号の波形を示すグラフである。
[図 8]レーザ装置 200における相対強度雑音特性を示すグラフである。
[図 9]レーザ装置 200における自己遅延へテロダインビート信号の波形を示すグラフ である。
[図 10]レーザ装置 200における λ/4シフト回折格子 41の透過スペクトルを示すダラ フである。
[図 11]レーザ装置 300における光帰還路 50の長さと発振線幅の関係を示すグラフで ある。
[図 12]レーザ装置 300における光帰還路 50の長さと緩和振動周波数における相対 強度雑音との関係を示すグラフである。
[図 13]光帰還路 50の長さを 57mとした場合の、レーザ装置 300における相対強度雑
[図 14]他の実施形態に係るレーザ装置 400の構造を模式的に示す図である。
符号の説明
[0015] 10···励起光源、 20···入射ポート、 30···光波長多重力プラ、 40"DFBファイバ レーザ、 41、 91 · "回折格子、 42· ··非出力端、 43·· '位相シフト、 44···出力端、 5 0···光帰還路、 60···光アイソレータ、 62···半導体光増幅器、 80···出力ポート、 70···光力プラ、 90···半導体 DFBレーザ、 92···ρ— InGaAsP導波路層、 93···Ι nGaAsP活性層、 94···バッファ層、 96 · · ·η— ΙηΡ基板、 100· · 'DFBリングレーザ 、 110···導波路、 120''DFB構造、 130…リング共振器、 132···光導波路、 14 0…光力プラ、 200、 300、 400…レーザ装置
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の 範囲にかかる発明を限定するものではなぐまた実施形態の中で説明されている特 徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
実施例 1
[0017] まず、利得媒質として、エルビウムと共にアルミユウムを共添加したシリカ系光フアイ バを含む DFBファイバレーザ 40を作製した。具体的には、この DFBファイバレーザ 4 0は、 PANDA型の偏波保持構造を有して、単一偏波出力を有する。また、そのコア には、 0. 4wt%のエルビウムと、 12wt%のアルミニウムとが共添加される。これにより 、エルビウムイオン対による振幅雑音が低減される。
[0018] また、この DFBファイバレーザ 40を形成するシリカ系光ファイバは、図 2に示したよ うに、 λ /4に相当する位相シフト 43を含む FBGにより形成された分布帰還構造を 含む。回折格子 41は、位相マスク法を用いて形成することができる。即ち、上記アル ミニゥムおよびエルビウムを添加した偏波保持光ファイバに対して、波長 266nmで Q スィッチ動作する YAGレーザの 4倍高調波を、長さ約 14cmにわたつて照射した。こ のとき、 λ /4シフトを与える位相ずれのある位相マスクを用いることにより、エルビゥ ム添加光ファイバに λ /4シフト回折格子 41が形成される。
[0019] 以上のように形成されたレーザ装置 300に対して、半導体レーザにより形成された 励起光源 10から波長 1480nmの励起光を注入することにより、 DFBファイバレーザ 40において、単一縦モード発振が生じる。レーザの発振閾値励起パワーは 10mW であり、励起パワーが lOOmWまではパルス発振する。また、励起パワーが lOOmW 以上の場合は安定に連続発振した。このような DFBファイバレーザ 40に、環状の光 ファイバにより形成された光帰還路 50を装着して、リングレーザ化することの影響を 確認した。
[0020] 図 4は、後述する実施例に対して比較するために仕様を変えて作製したレーザ装 置 200の構造を模式的に示す図である。同図に示すように、このレーザ装置 200は、 DFBファイバレーザ 40と、 DFBファイバレーザ 40の出力端 44および非出力端 42を 結合するリング状の長い光ファイバにより形成された光帰還路 50とを備える。なお、 D FBファイバレーザ 40の非出力端 42は帰還端となる。また、光帰還路 50上には、 DF Bファイバレーザ 40の非出力端 42側に励起光源 10からの励起光を、入射ポート 20 を介して注入する光波長多重力ブラ 30と、光帰還路 50上の光の伝播方向を規制す る光アイソレータ 60と、光帰還路 50の伝播光の一部を出力ポート 80へ分岐させる光 カプラ 70とがそれぞれ揷入される。
[0021] 上記のように、光帰還路 50を装備することにより、レーザ装置 200はリングレーザ化 される。このレーザ装置 200は、励起光源 10として波長 1480nmの半導体レーザを 用いた。また、長さ 57mとした光帰還路 50を形成する光ファイバは PANDA型の偏 波保持光ファイバとした。以下、このレーザ装置 200を用いて、 DFBファイバレーザ 4 0をリングレーザ化することによる効果を確認した。なお、このレーザ装置 200は、光 帰還路 50を形成する光ファイバが偏波保持型である点、光帰還路 50に光アイソレー タ 60が揷入されている点で、特許文献 1および非特許文献 2に記載されたレーザ装 置と構造が異なっている。
[0022] 図 6は、上記のレーザ装置 200を、励起パワー 60mWで動作させた場合のレーザ 出力の時間的変化を曲線 Aにより示すグラフである。また、光帰還路 50を装着せず に、 DFBファイバレーザ 40を単体で動作させた場合の出力の時間的変化も、曲線 B により併せて示した。これにより、 DFBファイバレーザ 40が単体で動作している場合 はパルス発振しているのに対して、光帰還路 50を備えてリングレーザ化されたレーザ 装置 200は連続発振して!/、ること力 S判る。
[0023] 図 7は、 DFBファイバレーザ 40と安定な単一モードの半導体 DFBファイバレーザ 9 0とのへテロダインビート信号を示す。同図に示すように、リングレーザ化した場合に ぉレ、ても単一モード発振であることが判る。
[0024] 図 8は、励起光源 10から供給される励起パワーが lOOmWの場合の、相対強度雑 音特性を曲線 Pとして示すグラフである。また、 DFBファイバレーザ 40を単体で動作 させた場合の相対強度雑音特性を曲線 Qとして併せて示す。同図に示すように、 DF Bファイバレーザ 40を単独で動作させた場合の相対強度雑音が 80dB/Hzである のに対して、光帰還路 50を装備してリングレーザ化したレーザ装置 200では、相対 強度雑音が一 96dB/Hzまで低下したことがわかる。これにより、このレーザ装置 20 0が連続発振しており、さらに、振幅雑音が低減されていることが確認された。
[0025] 図 9は、励起光源 10から供給される励起パワーが lOOmWの場合の、レーザ装置 2 00が発生する自己遅延へテロダインビート信号の波形を曲泉 Aとして示すグラフで ある。また、 DFBファイバレーザ 40を単体で動作させた場合の自己遅延へテロダイ ンビート信号も曲線 Bとして併せて示す。同図に示すように、 DFBファイバレーザ 40 が単体で発振した場合の線幅 82kHzに比べて、光帰還路 50を付加してリングレー ザ化した場合の線幅は 27kHzとなる。これにより、リングレーザ化により、線幅を約 1 /3まで狭くできたことが判る。
[0026] 図 10は、 DFBファイバレーザ 40における λ /4シフト回折格子 41の透過スぺタト ルを示すグラフである。同図に示すように、 DFBファイバレーザ 40のえ /4シフト回 折格子 41による透過スペクトルにおいて、禁止帯域 Υの中央に、狭い透過帯域 Xが 明瞭に存在する。従って、 DFBファイバレーザ 40は、透過帯 Xの波長においてレー ザ発振する。なお、レーザ装置 200は、共振器として光帰還路 50を備えるので、レー ザ発振光が狭帯域の光フィルタを繰り返し通過することにより、相対的な雑音レベル がー層低下される。
[0027] 図 5は、ひとつの実施形態に係るレーザ装置 300の構造を模式的に示す図である 。同図に示すように、このレーザ装置 300は、 DFBファイバレーザ 40と、 DFBフアイ バレーザ 40の出力端 44および非出力端 42を結合するリング状の長い光ファイバに より形成された光帰還路 50とを備える。また、光帰還路 50上には、 DFBファイバレー ザ 40の非出力端 42側に励起光源 10からの励起光を注入する光波長多重力ブラ 30 と、光帰還路 50上の光の伝播方向を規制する光アイソレータ 60と、光帰還路 50の 伝播光の一部を出力ポート 80へ分岐させる光力ブラ 70とがそれぞれ揷入される。こ のレーザ装置 300の構造は、光帰還路 50を形成する光ファイバの長さにおいて、図 4に示したレーザ装置 200と異なっている。
[0028] 図 11は、レーザ装置 300における光帰還路 50の長さと発振線幅の関係を示すダラ フである。同図に示すように、光帰還路 50が長くなるほど、出力されるレーザの線幅 が狭くなることが判る。特に、光帰還路 50の長さが 25mになるまでの間は、線幅が急 激に減少しており、光帰還路 50を延長した効果が顕著であることが判る。
[0029] 図 12は、レーザ装置 300における光帰還路 50の長さと緩和振動周波数における 相対強度雑音との関係を示すグラフである。同図に示すように、光帰還路 50が長く なるほど、緩和振動周波数における相対強度雑音が減少している。殊に、光帰還路 50の長さが 25m以上になると、緩和振動周波数における雑音ピークは測定限界以 下となる。
[0030] 図 13は、図 4に示した構造を有するレーザ装置 300において、光帰還路 50の長さ を 57mにした場合の、レーザ出力における相対強度雑音特性を示すグラフである。 同図から判るように、このレーザ装置 300のレーザ出力における相対強度雑音のレ ベルは、広い帯域にわたって—110dB/Hz以下であり、—105dB/Hzを越える帯 域はない。また、このレーザ出力は、線幅も狭ぐさらに、低コストで長期信頼性も高 い。
[0031] このように、アルミニウムを共添加したエルビウム添加光ファイバを用いた DFBファ ィバレーザ 40に、更に長い光帰還路 50を組み合わせることにより、緩和振動雑音レ ベルが極めて低!/、レーザ光源が実現される。
実施例 2
[0032] 図 14は、他の実施形態に係るレーザ装置 400の構造を示す図である。同図に示す ように、このレーザ装置 400は、図 4に示した構造のレーザ装置 200に対して、そのリ ング光帰還路 50上に半導体光増幅器 62 (Semiconductor Optical Amplifier : SOA)を揷入した点に固有の特徴を有する。
[0033] 半導体光増幅器 62は、その増幅飽和特性において低域遮断型の光フィルタ特性 を有する。従って、このレーザ装置 400をさらに一層超低雑音化できる。
[0034] 以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実 施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または 改良を加え得ることは当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形 態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載力も明らかである。
[0035] 上記のように長いリング型光帰還路を有する λ /4シフト DFBファイバレーザは、長 期的な信頼性が高レ、とレ、う当初の特徴に加えて、雑音が極めて低!/、と!/、う有利な効 果を有する。従って、低コストで信頼性が高ぐさらにノイズが低く線幅が狭いレーザ 光源として、光信号の位相に情報を載せる光通信用光源あるいは超高安定光周波 数基準用光源として使用することができる。
[0036] 特に、現在の波長多重光通信方式において周波数多重間隔が 100GHz、 50GH z、 25GHzと高密度化するにつれて、より狭い周波数間隔での信号配置が求められ る。このリング型え /4シフト DFBファイバレーザは、そのような高密度波長多重光通 信方式に用いる信号光源として有利に用いることができる。さらに、伝送容量を飛躍 的に増大させることができるコヒーレント光通信方式において、コヒーレント光通信用 の光源および受信機に用いる局部発振源として用いることができる。
[0037] また、このレーザ装置は、ドップラー効果、干渉効果等を利用して位置、振動などの 環境情報を得る光センシング分等の、光通信以外の分野においても利用できる。こ れにより、より詳細で精密な計測ができる。

Claims

請求の範囲
[1] 共添加物としてアルミニウムを含むシリカ系の希土類添加光ファイバを増幅媒質と して有する DFBファイバレーザと、リング状の光ファイバにより形成された光帰還路と 、前記 DFBファイバレーザの出力の一部を前記光帰還路を介して前記 DFBファイバ レーザに帰還させ、且つ、前記 DFBファイバレーザの他の一部を外部への出力とす る光力ブラとを備えたレーザ装置であって、
前記光帰還路を形成する前記光ファイバは、前記外部への出力における緩和振動 雑音が— l lOdB/Hzとなる長さよりも大きな長さを有するレーザ装置。
[2] 前記光帰還路を形成する前記光ファイバが、 25m以上の長さを有する請求項 1に 記載のレーザ装置。
[3] 前記光帰還路に揷入された半導体光増幅器をさらに備える請求項 1または請求項
2に記載のレーザ装置。
[4] 前記半導体光増幅器は、増幅飽和特性において低域遮断型の光フィルタ特性を 有する、請求項 3に記載のレーザ装置。
[5] 前記光ファイバは偏波保持型である、請求項 1に記載のレーザ装置。
[6] 前記光ファイバは PANDA型の偏波保持光ファイバである請求項 5に記載のレー ザ装置。
[7] 前記光帰還路に光アイソレータが揷入された、請求項 1に記載のレーザ装置。
[8] 前記光ファイバのコアに、 0. 4wt%のエルビウムと、 12wt%のアルミニウムが共添 加される、請求項 1に記載のレーザ装置。
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