(57)【要約】【課題】  種光として所定周期の光パルスを増幅する際、光パルスのパルス幅拡大に伴って増大する非線形好学現象を効果的に抑制するための構造を備えたパルス変調方法等を提供する。【解決手段】  変調器(51)は、種光源(41)であるレーザ光源に対し、又は、レーザ光源から出力された光に対してパルス変調を行う。変調器(51)から出力される変調電圧(E)の変調パターンは、光パルスの周期に相当する変調周期内に、光パルス生成パターン(P)として、光パルスのパルス幅よりも短い信号幅をそれぞれが有する複数のパルス成分（P1,P2,P3）を含むよう、調整されている。【選択図】  図８
2010171260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
種光源から出力される又は出力された光を、変調器により繰り返し周期が所定周期の光パルスに変調するパルス変調方法であって、
前記変調器に入力される変調電圧のパターンである変調パターンは、前記所定周期内の光パルスに対応する複数のパルス成分から構成され、かつ、前記複数のパルス成分の個々のパルス幅が前記所定周期内の光パルス全体のパルス幅より小さい
パルス変調方法。
【請求項２】
前記複数のパルス成分は、個々のパルス幅が前記所定周期内の光パルス全体のパルス幅の１／２より小さい請求項１記載のパルス変調方法。
【請求項３】
前記複数のパルス成分は、個々のパルス幅が、隣接するパルス成分間の間隔よりも長い請求項１記載のパルス変調方法。
【請求項４】
前記複数のパルス成分は、隣接する前記パルス成分のパルス間の間隔が、隣接する前記パルス成分の立ち上がり時間及び立ち下がり時間のいずれか以下である請求項１記載のパルス変調方法。
【請求項５】
前記複数のパルス成分の個々のパルスピーク値が、それぞれ異なる請求項１記載のパルス変調方法。
【請求項６】
前記種光源の駆動電流を変調し、前記複数のパルス成分の各ピーク値を調整する請求項１記載のパルス変調方法。
【請求項７】
種光源と、
前記種光源から出力される又は出力された被増幅光を、繰り返し周期が所定周期の光パルスに変調するためのものであり、前記種光源に電気的に接続され、あるいは、前記種光源から出力された光の光路上に設けられた変調器と、
光パルスに変調された前記被増幅光を増幅して出力する光ファイバ増幅器とを有する光ファイバレーザであり、
前記変調器に入力される変調電圧のパターンである変調パターンは、前記所定周期内の光パルスに対応する複数のパルス成分から構成され、かつ、前記複数のパルス成分の個々のパルス幅が前記所定周期内の光パルス全体のパルス幅より小さい
光ファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高パワー出力光を得るための種光として所定周期の光パルスを繰り返し発生させるパルス変調方式、及び、それが適用された光ファイバレーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、レーザ光を用いた加工技術が注目されており、加工用や医療用等の分野において高出力レーザ光源の需要が高まっている。各種レーザ光源の中でも特に注目されているレーザ光源として、光ファイバレーザが挙げられる。この光ファイバレーザは、Ｙｂ（イットリビウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）等の希土類元素がコアに添加された増幅用光ファイバを光増幅媒体として採用している。この増幅用光ファイバ内に励起光が供給されると、増幅用光ファイバ内を伝搬する種光が増幅される。これにより、増幅用光ファイバからは、高パワーの増幅光を出力するか、あるいは、共振器構造を利用してレーザ発振させることによりレーザ光が出力される。光ファイバレーザの利点として、レーザ光が光ファイバ内で閉じ込められていることからその扱いが容易である点や、熱放射性が良いことから大規模な冷却設備を必要とすることがない点などが挙げられる。
【０００３】
上述のように光ファイバレーザには、希土類元素添加ファイバが適用されており、このような希土類元素添加ファイバの中でもＹｂが変換効率も高く、高パワー出力用の増幅用光ファイバとして広く利用されている。Ｙｂも他の希土類元素と同じく、励起光を用いて励起される。一方、増幅用光ファイバ内で吸収しきれなかった励起光は増幅用光ファイバの他端から出射される。
【０００４】
光ファイバレーザの構成として、例えば、両端にファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）や、反射ミラーなどを利用した共振器構造が採用されている場合、共振器内に光スイッチや音響光学変調器（ＡＯＭ：AcousticOptical Modulator）を配置することでパルス変調を行っている。また、特許文献１に記載されたようなＭＯＰＡ（Master OscillatorPower Amplifier）型の光ファイバレーザは、被増幅光を出力する種光源を直接変調あるいは外部変調することでパルス変調を行い、得られた光パルスを増幅することで高パワー出力光を得ている。いずれの構成においても、種光をパルス化することにより得られる出力は、連続波動作（ＣＷ動作）時の出力に比べ非常に高く、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ：StimulatedRaman Scattering）や誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Stimulated Brillouin Scattering）などの非線形現象を発現させてしまう。
【特許文献１】特開２００７−０４２９８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者らは、光パルスを種光とする従来の光ファイバレーザについて検討した結果、以下のような課題を発見した。
【０００６】
すなわち、種光を出力するＬＤ（Laser Diode）などの種光源を直接変調することで、出力光をパルス化するレーザ方式において、パルスエネルギーの増加を意図して種光源に印加する変調電圧の信号幅（光パルス生成用の駆動信号パルスの幅であって、ＬＤの駆動時間を規定する変調電圧の時間幅）を大きくした場合、種光のパワーを増幅していく過程で、ＳＢＳが発生してしまい、光ファイバレーザを構成する光部品及び励起光源（ＬＤ）を破壊させてしまう可能性が高くなる。
【０００７】
つまり、種光源となるＬＤからの出力光スペクトルの半値幅に注目すると、十分な光パルスエネルギーを得るために種光をパルス化する変調電圧の信号幅を大きくしていくと、スペクトル半値幅が狭くなってしまう。ＳＢＳはスペクトル幅が狭い程その利得も大きくなるため、種光源に印加される変調電圧のパルス信号幅が長い状態ではＳＢＳ利得が大きく、また、発生しやすくなるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、種光として所定周期の光パルスを増幅する際、光パルスのパルス幅拡大に伴って増大するＳＢＳ等の非線形好学現象を効果的に抑制するための構造を備えたパルス変調方法及び光ファイバレーザを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るパルス変調方法は、種光源から出力される又は出力された光を、変調器により繰り返し周期が所定周期の光パルスに変調する。本発明に係る光ファイバレーザは、当該パルス変調方法を実現するレーザ光源である。
【００１０】
具体的に、変調器に入力される変調電圧のパターンである変調パターンは、所定周期内の光パルスに対応する複数のパルス成分から構成され、かつ、複数のパルス成分の個々のパルス幅が所定周期内の光パルス全体のパルス幅より小さくなるよう設定されている。
【００１１】
本発明に係るパルス変調方法において、複数のパルス成分は、個々のパルス幅が所定周期内の光パルス全体のパルス幅の１／２より小さく設定されるのが好ましい。複数のパルス成分は、個々のパルス幅が、隣接するパルス成分間の間隔よりも長くてもよい。また、複数のパルス成分は、隣接する前記パルス成分のパルス間の間隔が、隣接する前記パルス成分の立ち上がり時間及び立ち下がり時間のいずれか以下であるのが好ましい。さらに、複数のパルス成分の個々のパルスピーク値は、それぞれ異なっていてもよい。
【００１２】
本発明に係るパルス変調方法において、種光源の駆動電流を変調し、前記複数のパルス成分の各ピーク値を調整してもよい。この場合、電圧変調と電流変調は別個に行われるが、それぞれの変調タイミングは一致している。
【００１３】
本発明に係る光ファイバレーザは、種光源と、変調器と、光ファイバ増幅器を備える。変調器は、種光源から出力される又は出力された被増幅光を、繰り返し周期が所定周期の光パルスに変調するためのものであり、前記種光源に電気的に接続され、あるいは、前種光源から出力された光の光路上に設けられている。光ファイバ増幅器は、光パルスに変調された被増幅光を増幅して出力する。
【００１４】
特に、本発明に係る光ファイバレーザにおいて、変調器に入力される変調電圧のパターンである変調パターンは、所定周期内の光パルスに対応する複数のパルス成分から構成され、かつ、複数のパルス成分の個々のパルス幅が所定周期内の光パルス全体のパルス幅より小さくなるよう設定されている。
【００１５】
なお、本発明に係る各実施例は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、本発明を限定するものと考えるべきではない。
【００１６】
また、本発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例は本発明の好適な実施例を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、本発明の範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るパルス変調方法によれば、光ファイバレーザにおける種光パルス生成に際して、種光源の直接変調又は外部変調を指示するための駆動用電気信号の変調パターンが調節される。すなわち、一つの光パルスを生成する電気信号パターンを複数のパルス成分で構成し、これら複数のパルス成分の信号間隔、信号幅、強度等を調整することにより、生成される光パルスのパルス幅の拡大と非線形光学現象の効果的な抑制が同時に実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係るパルス変調方法及び光ファイバレーザの各実施形態を、図１〜図１８を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００１９】
（光ファイバレーザの第１実施形態）
図１は、この発明に係る光ファイバレーザの第１実施形態であって、具体的にはＭＯＰＡ方式の光ファイバレーザの構成を示す図である。この図１において、第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００は、増幅用光ファイバ１０、光結合器２０、励起光源３１、光ファイバ３２、種光源４１、光ファイバ４２、変調器５１、変調電圧発生器５５、電気信号線５２、光アイソレータ６１、伝送用光ファイバ１１、及び光出射端７０を備える。なお、第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００において、変調電圧発生器５５は、パルス変調用の変調パターンを作り出すファンクションジェネレータなどであり、変調電圧も当該変調電圧発生器５５から発せされる。変調器５１は、種光源４１自体のパルス駆動を変調する機能を有し、基板内部の電子部品で構成されている。変調電圧発生器５５から出力された変調電圧が変調器５１に入力され、種光源４１において種光パルスＬが繰り返し生成される。
【００２０】
第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００では、光ファイバ３２を通過した励起光源３１からの励起光と、光ファイバ４２及び光アイソレータ６１を通過した種光源４１からの種光パルス（被増幅光）が、光結合器２０により合波される。光結合器２０からの合波光は、増幅用光ファイバ１０の一端に入射される。合波された励起光及び種光が伝搬する増幅用光ファイバ１０内では、増幅用光ファイバ１０に添加された希土類元素（Ｙｂ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｈｏ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｔｂなど）が励起光により励起されることにより、種光パルスが増幅される。そして、増幅用光ファイバ１０において増幅された種光パルスは、該増幅用光ファイバ１０の他端Ａで融着接続された伝送用光ファイバ１１を通過した後、光出射端７０から外部へ出力される。
【００２１】
例えば、増幅用光ファイバ１０は、図２に示されたような断面構造及び屈折率プロファイルを有する。すなわち、増幅用光ファイバ１０は、図２の領域（ａ）に示されたように、所定軸に沿って伸びた、所定の屈折率を有するコア１０ａと、コア１０ａの外周に設けられた、コア１０ａよりも低い屈折率を有する第１クラッド１０ｂと、第１クラッド１０ｂの外周に設けられた、第１クラッド１０ｂよりも低い屈折率を有する第２クラッド１０ｃを備える。図２において、領域（ｂ）は、増幅用光ファイバ１０の経方向Ｌ１（増幅用光ファイバ１０の光軸に直交する方向）に沿った屈折率プロファイル１５０であり、領域１５１は、コア１０ａの径方向Ｌ１に沿った屈折率、領域１５２は、第１クラッド１０ｂの径方向Ｌ１に沿った屈折率、領域１５３は、第２クラッド１５３の径方向Ｌ１に沿った屈折率をそれぞれ示す。コア１０ａ、第１クラッド１０ｂ、第２クラッド１０ｃによりダブルクラッド構造が構成されている。コア１０ａは、種光パルスをシングルモード伝搬させ、第１クラッド１０ｂは励起光をマルチモード伝搬させる。コア１０ａには、希土類元素としてＹｂが添加されており、種光パルスはコア１０ａ内で増幅される。
【００２２】
また、増幅用光ファイバ１０における励起光吸収は、増幅用光ファイバ１０の特性により決定され、主に、モードフィールド径（ＭＦＤ）、第１クラッド１０ｂの外径、及び、コア１０ａにおける希土類元素添加濃度の調整により変化する。例えば、添加濃度が約１００００ｐｐｍ、ＭＦＤが約７μｍ、第１クラッド１０ｂの外径が１３０μｍ、長さ５ｍのＹｂ添加光ファイバでは、励起波長９１５ｎｍ帯で約２．４ｄＢの励起光が吸収される。なお、図３において、グラフＧ３１０は吸収断面積を示し、グラフＧ３２０は、放出断面積を示す。このＹｂ添加光ファイバ（増幅用光ファイバ１０に相当）の場合、９１５ｎｍ波長帯において約２．４ｄＢの励起光が吸収される。なお、励起光の波長帯は９７５ｎｍ帯であってもよく、また、添加される希土類元素の種類によって励起波長帯は変化する。
【００２３】
励起光源３１は、例えばＬＤを含む。励起光源３１から出力される励起光の波長は９１５ｎｍ帯、９４０ｎｍ帯、又は９７５ｎｍ帯である。種光源４１は、例えばＬＤを含む。変調器５１は、電気信号線５２を介して種光源４１に変調電圧Ｅを印加することで、種光源４１を直接変調する（パルス変調）。この第１実施形態において、種光源４１から出力される種光パルスの波長は、１０３０〜１１３０ｎｍの波長範囲内にあり、例えば１０６０ｎｍである。
【００２４】
励起光源３１と光結合器２０との間に設けられた光ファイバ３２及び伝送用光ファイバ１１のそれぞれは、図４に示されたような断面構造及び屈折率プロファイルを有する。すなわち、図４の領域（ａ）に示されたように、光ファイバ３２、１１は、所定軸沿って伸びた、所定の屈折率を有するコア３２ａと、コア３２ａの外周に設けられた、コア３２ａよりも低い屈折率を有するクラッド３２ｂを備える。また、図４の領域（ｂ）は、光ファイバ３２の経方向Ｌ２（光ファイバ３２の光軸に直交する方向）に沿った屈折率プロファイル３２０であり、領域３２１は、コア３２ａの径方向Ｌ２に沿った屈折率、領域３２２は、クラッド３２ｂの径方向Ｌ２に沿った屈折率をそれぞれ示す。なお、コア３２ａは、励起光源３１から出力された励起光をマルチモード伝搬する。
【００２５】
図５は、光結合器２０の構成を示す図である。この図５に示された光結合器２０は、一方の側に複数（図５に示された例では７個）の光入出力ポートＰ１〜Ｐ７を有し、他方の側に共通ポートＰ０を有する。光結合器２０は、光入出力ポートＰ１〜Ｐ７に入力された光を合波し、共通ポートＰ０から出力する。また、光結合器２０は、共通ポートＰ０に入力された光を分岐し、分岐光それぞれを光入出力ポートＰ１〜Ｐ７から出力する。
【００２６】
光結合器２０の共通ポートＰ０側の光ファイバは、増幅用光ファイバ１０と同様のダブルクラッド構造を有し、増幅用光ファイバ１０に接続される。光入出力ポートＰ１は、光ファイバ４２を介して種光源４１に光学的に接続される。光入出力ポートＰ２は、光ファイバ３２を介して励起光源３１に光学的に接続される。なお、他の光入出力ポートＰ３〜Ｐ７も、他の光ファイバを介して他の励起光源に光学的に接続されてもよい。
【００２７】
続いて、本発明に係るパルス変調方法の各実施形態について説明する。なお、以下の説明では、各実施形態と対比されるべき比較例について説明した後に、比較例と対比しつつ各実施形態について説明する。
【００２８】
（パルス変調方法の比較例）
比較例に係るパルス変調方法は、図１に示された光ファイバレーザ１００において、種光源４１を直接変調することにより、パルス変調を行う。
【００２９】
図６は、この比較例に係るパルス変調方法において、変調器５１から種光源４１に印加される変調電圧Ｅの変調パターンを示す。変調パターンは、変調器５１に入力される変調電圧で、ファンクションジェネレータもしくは電圧発生器から入力され、光パルス生成用に用いられる。変調パターンにおける変調周期は、生成されるべき光パルスの一つの周期に相当しており、信号ＯＮ期間Ｔ１と信号ＯＦＦ期間Ｔ２により構成されている。信号ＯＮ期間Ｔ１は、実質的に信号幅Ｗを有するパルス成分Ｐが種光源４１に印加されている期間である。具体的に、この比較例に係るパルス変調方法において、種光源４１に印加される駆動電圧は、繰り返し周波数：５０ｋＨｚ、パルス成分Ｐのパルス信号幅：３０ｎｓで変調されている。なお、信号幅３０ｎｓの変調電圧を種光源４１に印加することは可能であるが、この信号幅は光源及びパルス変調用に実装している電子回路の応答（立下り/立下り係数）に依存するため、変調パターンにおいて、信号ＯＮ期間Ｔ１（パルス成分Ｐ）と信号ＯＦＦ期間Ｔ２の時間幅が異なることもある。
【００３０】
この比較例では、信号幅３０ｎｓの変調電圧を種光源４１に印加するだけでは、特に光ファイバレーザ１００を構成する光部品の破壊に到る問題は発生しないが、変調された種光パルスを増幅していく過程で、増幅用光ファイバ１０内においてＳＢＳが発現することが分かっている。ＳＢＳの発現状態が維持されたまま増幅動作が続けられると、図１に示された光ファイバレーザ１００を構成する光部品、励起光源（ＬＤ）などにダメージを与えてしまう。上述のようなＳＢＳ回避方法としては、例えば、増幅用光ファイバ１０のコア径を大きくする方法や、増幅用光ファイバ１０を短くする方法など、増幅用ファイバ１０自体の非線形閾値を下げる方法が考えられていた。
【００３１】
ここで、ＳＢＳの閾値、利得に依存するパラメータの1つとして、入射光（ファイバ励起成分）のスペクトル幅が知られており、以下の式（１）にその関係を示す。なお、図１の構成では、増幅用光ファイバ１０のコアを伝搬するレーザ光がファイバ励起成分となるので、ＳＢＳの閾値、利得は、このレーザ光のスペクトル幅に依存する。
【数１】
2010171260.tif 000003
【００３２】
上記式（１）から分かるように、ΔνP>>ΔνBのとき、ブリルアン利得はΔνP/ΔνB倍だけ小さくなる。また、種光源４１であるＬＤの種光（レーザ光）はΔνP>>ΔνBの関係であり、この種光のスペクトル幅（ファイバ励起成分のスペクトル幅）にブリルアン利得が依存する。すなわち、スペクトル幅が広い程、ブリルアン利得は小さくなる。
【００３３】
例えば、この比較例のように変調器５１から信号幅３０ｎｓの変調電圧が種光源４１に印加された場合、出力される種光パルスの半値幅の実測値は約０．６ｎｍである。一方、パルス変調しないＣＷ動作時のスペクトル半値幅は約１．１ｎｍである。このようにパルス変調された種光のスペクトル半値幅は、ＣＷ動作時のスペクトル半値幅の約半分になってしまう。また、ＳＢＳの利得値自体も大きくなることが上記式（１）から分かる。
【００３４】
図７は、種光として比較例に係るパルス変調方法によりパルス変調（信号幅３０ｎｓで変調）された光パルス（グラフＧ７２０）、種光として適用された連続光（グラフＧ７１０）それぞれ規格化スペクトルである。この図７からも分かるように、種光パルスのパルス幅が広い程スペクトル半値幅は狭くなる。必然的に、この比較例に係るパルス変調方法において、単純に種光パルスのパルス幅を拡大したのでは、ＳＢＳの増大により当該光ファイバレーザ１００の各部の破損は避けられない。
【００３５】
（パルス変調方法の第１実施形態）
次に、この発明に係るパルス変調方法の第１実施形態について説明する。なお、以下の説明では、図１に示された光ファイバレーザ１００に当該パルス変調方法が適用された場合の動作を説明する。したがって、当該パルス変調方法は、変調器５１が種光源４１を直接変調することにより実現される。
図８は、本発明に係るパルス変調方法の第１実施形態を説明するための図である。すなわち、図８に示された変調パターンに従って、変調器５１から種光源４１に印加される変調電圧Ｅが調整される。変調電圧Ｅの変調パターンにおける変調周期は、生成されるべき光パルスの一つの周期に相当しており、信号ＯＮ期間Ｔ１と信号ＯＦＦ期間Ｔ２により構成されている。第１実施形態に係るパルス変調方法では、信号ＯＮ期間Ｔ１において光パルス生成パターンＰは、生成されるべき一つの光パルスのパルス幅よりも短い信号幅Ｗをそれぞれ有する複数のパルス成分Ｐ１〜Ｐ３により構成されており、これら複数のパルス成分Ｐ１〜Ｐ３の信号間隔Ｄだけ離れた状態で配置されている。なお、この第１実施形態では、信号幅Ｗを１０ｎｓとし、パルス成分の信号間隔Ｄを１０ｎｓとした条件下で、３つのパルス成分Ｐ１〜Ｐ３により光パルス生成パターンＰが構成されている。このとき、パルス成分Ｐ１〜Ｐ３それぞれの変調電圧値（ピーク電圧値）は一致しており、また、種光源４１に印加されるパルス成分Ｐ１〜Ｐ３それぞれの駆動電流値も一致している。なお、パルス成分Ｐ１〜Ｐ３それぞれの信号間隔Ｄは５ｎｓ、２ｎｓ、又は１ｎｓ以下に設定することも可能である。
【００３６】
図９は、種光として当該第１実施形態に係るパルス変調方法によりパルス変調された光パルス、種光として比較例に係るパルス変調方法によりパルス変調された光パルスそれぞれの規格化スペクトルである。なお、図９において、グラフＧ９２０は、光パルス生成パターンＰの信号幅Ｗを３０ｎｓに設定（比較例）してパルス変調したときに得られる種光パルスである。また、グラフＧ９１０は、それぞれ信号幅Ｗが１０ｎｓの３つのパルス成分Ｐ１〜Ｐ３で構成された光生成パターンＰに従ってパルス変調したときに得られる種光パルスである。
【００３７】
信号間隔Ｄを１０ｎｓ、信号幅Ｗを１０ｎｓとして３つのパルス成分Ｐ１〜Ｐ３で構成された光パルス生成パターンＰの場合、得られる種光パルスの半値幅は１．０３ｎｍとなる一方、信号間隔Ｄを５ｎｓとし信号幅Ｗを１０ｎｓとして３つのパルス成分Ｐ１〜Ｐ３で構成された光パルス生成パターンＰの場合、得られる種光パルスのスペクトル半値幅は０．８ｎｍとなる。図９に示されたスペクトル幅の比較結果から、いずれも単純に光パルス生成パターンＰの信号幅Ｗを３０ｎｓとしてパルス変調された場合（比較例）と比べ、半値幅が大きくなっていることが分かる。
【００３８】
信号間隔Ｄをあけて３つのパルス成分を並べることで構成された光パルス生成パターンと、長い信号幅Ｗの光パルス生成パターンＰの差について言及すると、Ｙｂ添加ファイバ自体の応答として、1周期内での入力パワーが同じであれば、同じパルスエネルギーが得られる。そのため、信号幅Ｗが３０ｎｓである光パルス生成パターンと、信号幅Ｗが１０ｎｓである３つのパルス成分で構成された光パルス生成パターンとでは、信号幅Ｗが１０ｎｓである１つのパルス成分のピーク値は約１／３になる。なお、この原理はパルス成分間の信号間隔Ｄの大小には依存しない。
【００３９】
図１０は、変調パターンにおける１つのパルス成分について、信号幅Ｗと種光パルスの規格化された半値幅の関係を説明するための図である。なお、この図１０には、参考データとして、信号幅Ｗが１０ｎｓにそれぞれ設定された３つのパルス成分によりパルス変調された種光パルスの半値幅（第１実施形態）がプロットされている。
【００４０】
この図１０から分かるように、１つのパルス成分の信号幅Ｗを広げていく程、パルス変調により得られた種光パルスの半値幅は狭くなる。さらに、信号幅Ｗが１０ｎｓをそれぞれ有する３つのパルス成分で光パルス生成パターンＰを構成した場合に得られる種光パルスの半値幅（図９から約１．０３ｎｍ）の方が、信号幅Ｗが３０ｎｓである１つのパルス成分で光パルス生成パターンＰを構成した場合（比較例）に得られる種光パルスの半値幅よりも明らかに広くなっていることが分かる。この結果から、狭い信号幅Ｗのパルス成分を複数並べた光パルス生成パターンＰの変調電圧Ｅを変調器５１から種光源４１に印加していくことで、増幅用光ファイバ１０内で発現するＳＢＳ低減効果が期待できる。パルス幅の短い光パルスではＳＢＳの影響が出にくいことは知られていたが、発明者の知る限り、パルス変調用の変調パターンを調整することにより、光パルスのパルス幅を短くすることなく、ＳＢＳの影響を低減することは行われていなかった。
【００４１】
（パルス変調方法の第２実施形態）
本発明に係るパルス変調方法では、変調電圧Ｅの変調パターンにおけるパルス成分Ｐ１〜Ｐ３の信号間隔Ｄを各信号幅Ｗよりも短くすることで、パルス成分同士の重なりの効果を利用することができる。これは、光・電気変換素子に関して、１つのパルス成分を与えたときの種光パルスの立ち上がり・立下り時間（以下、Ｔｒ／Ｔｆとする）にも依存するので、変調電圧を印加したときの種光パルスのＴｒ／Ｔｆが高速であればある程、重ねることが困難になる。ここで言うＴｒ、Ｔｆは、ピーク電圧値に対しそれぞれ、強度が１０％、９０％に達するまでの時間をいう。図１１に、信号幅Ｗが１０ｎｓの１つのパルス成分を種光源４１に与えたときの応答結果を示す。なお、図１１において、グラフＧ１１１０は、変調電圧Ｅの変調パターンを示し、グラフＧ１１２０は、変調パターンが与えられたときの種光パルスの波形を示す。図１１に示されたように、種光源４１であるＬＤの応答は比較的遅く、立ち上がり時間で約４．６ｎｓ、立下り時間で約９．４ｎｓである。したがって、種光パルスを生成する種光源４１に与える変調電圧Ｅの変調パターンは信号幅Ｗが１０ｎｓであっても各パルス成分間に信号間隔Ｄを狭めれば、変調パターンと光パルス応答はずれる場合がある。本発明に係るパルス変調方法の第２実施形態は、上述のような考察に基づいて完成したものであり、以下に、第２実施形態に係るパルス変調方法を、図１２及び図１３を参照しながら詳細に説明する。
【００４２】
まず、図１２は、本発明に係るパルス変調方法の第２実施形態を説明するための図である。また、図１３は、第２実施形態に係るパルス変調方法によりパルス変調された光パルスの受光レベルを示すグラフである。
【００４３】
この第２実施形態に係るパルス変調方法では、図１２に示された変調パターンに従って、変調器５１から種光源４１に印加される偏重電圧Ｅが調整される。変調パターンにおける変調周期は、生成されるべき光パルスの一つの周期に相当しており、信号ＯＮ期間Ｔ１と信号ＯＦＦ期間Ｔ２により構成されている。第２実施形態に係るパルス変調方法では、信号ＯＮ期間Ｔ１において光パルス生成パターンＰは、生成されるべき一つの光パルスのパルス幅よりも短い信号幅Ｗをそれぞれ有する複数のパルス成分Ｐ１、Ｐ２により構成されており、これら２つのパルス成分Ｐ１、Ｐ２の信号間隔Ｄは、各信号幅Ｗよりも短くなるよう設定されている。このように、当該第２実施形態に係るパルス変調方法では、種光源４１であるＬＤの応答遅れを利用できるよう、パルス成分Ｐ１、Ｐ２間の信号間隔Ｄを狭めていくことで、生成される種光パルスを重ねていくことができる。
【００４４】
なお、この第２実施形態では、種光パルスの重なりを考慮して、変調パターンにおける２つのパルス成分Ｐ１、Ｐ２それぞれの信号幅Ｗが２０ｎｓ、信号間隔Ｄが２ｎｓに設定されている。この結果、光ファイバレーザ１００から最終的に出力される光パルスの半値全幅は約３５ｎｓとなる。すなわち、この第２実施形態に係るパルス変調方法によれば、比較例においてＳＢＳ発生で達しえなかった３０ｎｓ以上の半値全幅を有する光パルスの生成が実現可能になる。なお、このとき増幅用光ファイバ１０内での増幅利得は大きいため、第１のパルス成分Ｐ１の変調電圧ピーク値は、第２のパルス成分Ｐ２の変調電圧ピーク値の０．６倍に設定されている。これにより、光増幅における過渡応答を緩やかにすることが可能になる。
【００４５】
（パルス変調方法の第３実施形態）
図１４は、本発明に係るパルス変調方法の第３実施形態を説明するための図である。この第３実施形態に係るパルス変調方法では、増幅用光ファイバ１０内での増幅利得が大きい場合に、当該光ファイバレーザ１００から出力される光パルスの受光レベルに差が生じてしまう。そこで、この第３実施形態に係るパルス変調方法では、種光パルス生成用に種光源４１に与える変調電圧Ｅを各パルス成分間で変えている。
すなわち、この第３実施形態に係るパルス変調方法では、図１４に示された変調パターンに従って、変調器５１から種光源４１に印加される変調電圧Ｅが調整される。変調電圧Ｅの変調パターンにおける変調周期は、生成されるべき光パルスの一つの周期に相当しており、信号ＯＮ期間Ｔ１と信号ＯＦＦ期間Ｔ２により構成されている。第３実施形態に係るパルス変調方法では、信号ＯＮ期間Ｔ１において光パルス生成パターンＰは、生成されるべき一つの光パルスのパルス幅よりも短い信号幅Ｗをそれぞれ有する複数のパルス成分Ｐ１〜Ｐ３により構成されており、これら３つのパルス成分Ｐ１〜Ｐ３の信号間隔Ｄは、各信号幅Ｗよりも短くなるよう設定されている。なお、信号幅Ｗ１〜Ｗ３は異なっていても一致していてもよい。また、信号間隔Ｄ１、Ｄ２も異なっていても一致していてもよい。
【００４６】
この構成によっても、増幅用光ファイバ１０内におけるＳＢＳの発現を効果的に抑制しつつ種光パルスのパルス幅拡大が可能になる。
【００４７】
（パルス変調方法の第４実施形態）
図１５は、本発明に係るパルス変調方法の第４実施形態を説明するための図である。この第４実施形態に係るパルス変調方法では、変調電圧Ｅの変調タイミングに一致するよう、種光源４１に供給される駆動電流値の変調が行われる。
【００４８】
すなわち、この第４実施形態に係るパルス変調方法では、図１５に示された駆動電流の変調パターンに従って、変調器５１から種光源４１に供給される駆動電流が変調される。変調パターンにおける変調周期は、生成されるべき光パルスの一つの周期に相当しており、信号ＯＮ期間Ｔ１と信号ＯＦＦ期間Ｔ２により構成されている。第３実施形態に係るパルス変調方法では、信号ＯＮ期間Ｔ１において光パルス生成パターンＰは、生成されるべき一つの光パルスのパルス幅よりも短い信号幅Ｗをそれぞれ有する複数のパルス成分Ｐ１〜Ｐ３により構成されており、これら３つのパルス成分Ｐ１〜Ｐ３の信号間隔Ｄは、各信号幅Ｗよりも短くなるよう設定されている。なお、この第４実施形態において、各パルス成分Ｐ１〜Ｐ３の変調電圧ピーク値は光増幅時の過渡応答の影響を低減するため、異なっているが、信号幅Ｗ及び信号間隔Ｄはそれぞれ一致していても異なっていてもよい。
【００４９】
この構成によっても、増幅用光ファイバ１０内におけるＳＢＳの発現を効果的に抑制しつつ種光パルスのパルス幅拡大が可能になる。
【００５０】
以上、本発明に係るパルス変調方法の各実施形態として、図１に示された第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００における直接変調方式について説明したが、本発明に係るパルス変調方法の各実施形態は、種々の構成を有する光ファイバレーザへの適用化可能であるのは言うまでもない。以下、本発明に係るパルス変調方式が適用可能な種々の光ファイバレーザの代表的な構成について、説明する。
【００５１】
（光ファイバレーザの第２実施形態）
図１６は、本発明に係る光ファイバレーザの第２実施形態の構成を示す図である。図１６において、第２実施形態に係る光ファイバレーザ２００は、増幅用光ファイバ１０、光結合器２０、励起光源３１、光ファイバ３２、種光源４１、光ファイバ４２、変調電圧発生器５５、電気信号線５２、光アイソレータ６１、伝送用光ファイバ１１、及び光出射端７０を備える点において、第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００と同様の構成を有する。しかしながら、第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００では、変調器５１が種光源４１を変調する直接変調方式の構成を備えていたが、第２実施形態に係る光ファイバレーザ２００は、外部変調方式の構成を備える。具体的に第２実施形態に係る光ファイバレーザ２００は、種光源４１と光アイソレーザ６１との間に音響光学変調器（ＡＯＭ）５０を備える。ＡＯＭ５０は、それ自体が変調器であるため、変調電圧発生器５５からＡＯＭ５０に対して変調パターンが入力されると、ＡＯＭ５０は、この変調パターンに従って、種光源４１から出力された光のパルス化を行う。なお、この第２実施形態において、ＡＯＭ５０及び変調電圧発生器５５によりパルス変調器５００が構成されている。
【００５２】
なお、この第２実施形態に係る光ファイバレーザ２００において、変調器５１は、上述の第１〜第４実施形態に係るパルス変調方法のいずれも実施可能である。
【００５３】
（光ファイバレーザの第３実施形態）
図１７は、本発明に係る光ファイバレーザの第３実施形態の構成を示す図である。この第３実施形態に係る光ファイバレーザ３００は、変調器５１により種光源４１を直接変調する構成に関して、第１実施形態と同様であるが、励起方法が異なる。すなわち、第３実施形態に係る光ファイバレーザ４００と第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００との構造上の差異は、第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００が前方励起を行う構成であるのに対し、第３実施形態に係る光ファイバレーザ３００が後方向励起を行う構成を有する点である。
【００５４】
具体的に、図１７に示された第３実施形態に係る光ファイバレーザ３００は、増幅用光ファイバ１０、光分岐器２１、励起光源３３、光ファイバ３４、種光源４１、光ファイバ４２、変調器５１、変調電圧発生器５５、電気信号線５２、光アイソレータ６１、伝送用光ファイバ１１、及び光出射端７０を備える。
【００５５】
この第３実施形態に係る光ファイバレーザ３００において、増幅用光ファイバ１０の光入射端は、Ｂ点において光アイソレータ６１の光出射端と融着接続されている。一方、増幅用光ファイバ１０の光出射端側には光分岐器１が配置されている。光分岐器２１の構成は図５に示された光結合器２０の構成と同じであるが、光入出力ポートＰ０が増幅用光ファイバ１０の光出射端に接続される。一方、光入出力ポートＰ１〜Ｐ７のうちいずれかのポートは、光ファイバ３４を介して励起光源３３に光学的に接続されており、また、別のポートは、Ａ点において伝送用光ファイバ１１の光入射端と融着接続されている。
【００５６】
以上の構成により、この第３実施形態に係る光ファイバレーザ３００では、後方励起が行われる。また、この第３実施形態に係る光ファイバレーザ３００において、変調器５１は、上述の第１〜第４実施形態に係るパルス変調方法のいずれも実施可能である。
【００５７】
（光ファイバレーザの第４実施形態）
さらに、図１８は、本発明に係る光ファイバレーザの第４実施形態の構成を示す図である。第４実施形態に係る光ファイバレーザ４００も、変調器５１により種光源４１を直接変調する構成に関して、第１実施形態と同様であるが、励起方法が異なる。すなわち、第４実施形態に係る光ファイバレーザ４００と第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００との構造上の差異は、第１実施形態に係る光ファイバレーザ１００が前方励起を行う構成であるのに対し、第４実施形態に係る光ファイバレーザ４００が双方向励起を行う構成を有する点である。
【００５８】
具体的に、図１８に示された４実施形態に係る光ファイバレーザ４００は、
増幅用光ファイバ１０、光結合器２０、光分岐器２１、励起光源３１、３３、光ファイバ３２、３４、種光源４１、光ファイバ４２、変調器５１、変調電圧発生器５５、電気信号線５２、光アイソレータ６１、伝送用光ファイバ１１、及び光出射端７０を備える。
【００５９】
この第４実施形態に係る光ファイバレーザ３００において、増幅用光ファイバ１０の光入射端側には光結合器２０が配置される一方、増幅用光ファイバ１０の光出射端側には光分岐器２１が配置されている。光結合器２０の光入出力ポートＰ０は、Ｂ点において増幅用光ファイバ１０の光入射端に融着接続されている。光結合器２０の光入出力ポートＰ１〜Ｐ７のうちいずれかのポートは、光アイソレータ６１の光出射端と光学的に接続される一方、別のポートは、光ファイバ３２を介して励起光源３１と光学的に接続される。また、光分岐器２１の光入出力ポートＰ０は、Ｃ点において増幅用光ファイバ１０の光出射端に融着接続されている。光分岐器２１の光入出力ポートＰ１〜Ｐ７のうちいずれかのポートは、Ａ点において伝送用光ファイバ１１の光入射端と融着接続される一方、別のポートは、光ファイバ３４を介して励起光源３３と光学的に接続される。
【００６０】
以上の構成により、この第４実施形態に係る光ファイバレーザ４００では、双方向励起が行われる。また、この第４実施形態に係る光ファイバレーザ４００において、変調器５１は、上述の第１〜第４実施形態に係るパルス変調方法のいずれも実施可能である。
【００６１】
以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係るパルス変調方法が適用可能な光ファイバレーザ（本発明に係る光ファイバレーザの第１実施形態）の構成を示す図である。
【図２】増幅用光ファイバの断面構造を示す図及びその屈折率プロファイルである。
【図３】増幅用光ファイバの吸収断面積及び放出断面積それぞれの波長依存性を示すグラフである。
【図４】伝送用光ファイバの断面構造を示す図及びその屈折率プロファイルである。
【図５】光結合器の構成を説明するための図である。
【図６】比較例に係るパルス変調方法を説明するための図である。
【図７】種光として比較例に係るパルス変調方法によりパルス変調された光パルス、種光として適用されたＣＷ光それぞれの規格化スペクトルである。
【図８】本発明に係るパルス変調方法の第１実施形態を説明するための図である。
【図９】種光として第１実施形態に係るパルス変調方法によりパルス変調された光パルス、種光として比較例に係るパルス変調方法によりパルス変調された光パルスそれぞれの規格化スペクトルである。
【図１０】変調パターンにおける１つのパルス成分について、その信号幅と種光パルスの規格化された半値全幅の関係を説明するための図である。
【図１１】パルス変調された光パルスの波形と変調パターンの関係を示すグラフである。
【図１２】本発明に係るパルス変調方法の第２実施形態を説明するための図である。
【図１３】第２実施形態に係るパルス変調方法によりパルス変調された光パルスの受光レベルを示すグラフである。
【図１４】本発明に係るパルス変調方法の第３実施形態を説明するための図である。
【図１５】本発明に係るパルス変調方法の第４実施形態を説明するための図である。
【図１６】本発明に係る光ファイバレーザの第２実施形態の構成を示す図である。
【図１７】本発明に係る光ファイバレーザの第３実施形態の構成を示す図である。
【図１８】本発明に係る光ファイバレーザの第４実施形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１００、２００、３００、４００…光ファイバレーザ、４１…種光源（ＬＤ）、１０…増幅用光ファイバ、１１…伝送用光ファイバ、３１、３３…励起光源、５０…ＡＯＭ、５１…変調器、５５…変調電圧発生器、５００…パルス変調装置、Ｅ…変調電圧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2010171260.tif 000019
【図１７】
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【図１８】
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