(57)【要約】【課題】環境変化やパラメータ変化が生じた場合であっても安定したモード同期レーザ光を発振させることができるモード同期レーザ装置を提供する。【解決手段】モード同期レーザ装置１０は、モード同期レーザ光の一部をサンプリングし、該サンプリングされたレーザ光に基づいてモード同期を制御するモード同期制御装置２０を備える。モード同期制御装置２０は、レーザ光を所定の分岐比で分岐する偏波保持型タップカプラ２２と、偏波保持型タップカプラ２２により分岐されたレーザ光のうち所定波長領域のレーザ光を選択して透過させるバンドパスフィルタ２３と、バンドパスフィルタ２３を透過したレーザ光を受光する受光素子２４と、受光素子２４に接続され、該受光素子の受光量に基づいてモード同期を監視及び制御する制御回路２５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定経路内でレーザ光を変調してモード同期レーザ光を発生するモード同期レーザ装置において、
前記所定経路内のレーザ光を分岐する分岐手段と、
前記分岐手段により分岐されたレーザ光の一部を選択する選択手段と、
前記選択手段により選択されたレーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段の受光量に基づいて前記レーザ光のモード同期を監視する監視手段と、を備えることを特徴とするモード同期レーザ装置。
【請求項２】
前記監視手段は、前記受光手段で受光された光パワーに基づいて前記レーザ光のモード同期を監視することを特徴とする請求項１記載のモード同期レーザ装置。
【請求項３】
前記監視手段は、前記受光手段で受光された光パワーが所定の閾値以下である場合に、前記レーザ光がモード同期していないと判定することを特徴とする請求項１記載のモード同期レーザ装置。
【請求項４】
前記監視手段により前記レーザ光がモード同期していないと判定されたときに、前記レーザ光がモード同期するように復旧動作を実行する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項２記載のモード同期レーザ装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記復旧動作において、前記レーザ光を発生する光源の駆動電流を一時的に増大させ、その後前記駆動電流を定常状態の駆動電流まで減少させることを特徴とする請求項４記載のモード同期レーザ装置。
【請求項６】
前記分岐手段は、前記所定経路内のレーザ光を所定の分岐比で分岐するタップカプラであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモード同期レーザ装置。
【請求項７】
前記選択手段は、所定波長領域のレーザ光を透過するフィルタであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のモード同期レーザ装置。
【請求項８】
前記フィルタは、モード同期しているときに前記受光手段で受光された光パワーと、モード同期していないときに前記受光手段で受光された光パワーとの差が大きい波長領域のレーザ光を透過することを特徴とする請求項７記載のモード同期レーザ装置。
【請求項９】
所定経路内でレーザ光を変調してモード同期レーザ光を発生するモード同期レーザ装置の制御方法であって、
前記所定経路内のレーザ光を分岐する分岐ステップと、
前記分岐ステップにより分岐されたレーザ光の一部を選択する選択ステップと、
前記選択ステップにより選択されたレーザ光を受光する受光ステップと、
前記受光ステップにおける受光量に基づいて前記レーザ光のモード同期を監視する監視ステップと、を有することを特徴とするモード同期レーザ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モード同期レーザ装置に関し、特に、光通信や光計測、材料加工、ＴＨｚ波発生、物理学等の分野において利用されるパルス光を発生するモード同期レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超短パルス光源からのパルス光は、パルス幅が小さく、ピークパワーが大きく、広帯域といった特長を有している。これらの特長を生かして、光通信や光計測、材料加工、ＴＨｚ（テラヘルツ）波発生、物理学等の分野への超短パルス光の応用が検討されている。中でも、ファイバ型の超短パルス光源は、固体レーザと比べて小型であり、その動作が安定していることから、特に注目を集めている。
【０００３】
超短パルス光源からパルス光を発生させる方法としては、モード同期レーザが一般的によく知られている（非特許文献１参照）。共振器では、共振器長に対応する周波数の整数倍の周波数成分が強め合う。そのため、スペクトルにおいて等間隔なモードが発生する。そして、これらのモードの位相を合わせることができれば、短いパルス光を発生させることが可能である。
【０００４】
モード同期レーザは、アクティブモード同期レーザとパッシブモード同期レーザに大別される。アクティブモード同期レーザは、共振器内を伝搬する光の強度若しくは位相を変調することで超短パルス光を発生させる。一般的には、強度変調器や位相変調器を用いて、パルス光の繰り返し周波数に合わせて変調することが多い。
【０００５】
一方、パッシブモード同期レーザは、光の強度に応じて損失が変化する過飽和吸収体を用いてモード同期を行う。過飽和吸収体は光強度が大きいときには損失が小さく、光強度が弱いときには損失が大きいという特徴を有している。したがって、パルス光を過飽和吸収体に通す場合、パルス光のピーク付近の成分（光強度が大きい部分）に比べて、裾部の成分の損失が大きくなる。すなわち、過飽和吸収体はパルス光を細くする効果がある。パルス光は共振器内の過飽和吸収体を何度も通過することにより、除々にそのパルス幅が細くなる。その後、パルス光は定常状態となり、安定したパルス光が発生する。
【０００６】
一般的には、半導体やカーボンナノチューブの過飽和吸収特性を利用した過飽和吸収体を使用する方法が多いが、光ファイバ中の非線形効果を応用する方法もある。非線形効果を応用する方法では、非線形効果の大きさが光強度に依存するという特徴を利用している。
【０００７】
例えば、非線形偏波回転や非線形ループミラー（ＮＯＬＭ：Nonlinear Loop Mirror）などが報告されている。非線形偏波回転では、光の強度に応じて偏波が回転する大きさが変わることを用いたものである。非線形偏波回転後にポラライザに光を透過させることにより、光の強度に応じた損失を与えることができる。ＮＯＬＭは、光ファイバとタップカプラで構成されるループに光を互いに伝搬させる構成を有している。ＮＯＬＭの透過率は、互いに逆に伝搬する光の非線形位相シフトの差に応じて変化する。そして、非線形位相シフトの大きさは光の強度に比例することから、ＮＯＬＭの透過率は入射する光の強度に依存する。
【０００８】
近年、変調器と非線形光増幅ループミラー（ＮＡＬＭ：Nonlinear Amplifying LoopMirror）を組み合わせた８の字型（Figure-8）の偏波保持モード同期レーザが提案されている（非特許文献２参照）。ＮＡＬＭはＮＯＬＭの一種であり、ループ中に光増幅器が配されていることが特徴である。入射された光は光増幅器により増幅されるため、非線形位相シフトが大きくなる。そのため、ＮＡＬＭは、ＮＯＬＭと比べて低パワーで透過関数を描くことが可能となる。この偏波モード同期レーザでは、ＮＡＬＭと変調器を用いることでモード同期発振をさせており、一旦モード同期すると、変調器による変調を止めてもモード同期発振を続ける。したがって、パッシブモード同期として動作する。
【０００９】
図４は、従来のモード同期レーザ装置の構成を概略的に示す図である。
【００１０】
図４に示すように、モード同期レーザ装置４０は、レーザ光の強度を変調する偏波保持型強度変調器４１と、レーザ光の周回する方向を規定すると共に、偏波軸を規定する偏波依存型アイソレータ４２と、周回するレーザ光（又はモード同期レーザ）の一部を分岐する偏波保持型タップカプラ４３と、非線形光増幅ループミラー４４と、２つのループを繋ぐ偏波保持型タップカプラ４５と、偏波保持型タップカプラ４３の分岐経路に接続された偏波依存型アイソレータ５１とを備える。非線形光増幅ループミラー４４は、増幅媒体であるＰＭ−ＥＤＦ（Polarization-maintainingErbium-doped Fiber）４４ａを有している。また、モード同期レーザ装置４０は、励起光源４６と、励起光源４６に接続され、該励起光源からのレーザ光をＰＭ−ＥＤＦ４４ａに導く偏波保持型ＷＤＭカプラ４７とを有している。ＰＭ−ＥＤＦ４４ａの長さは１〜２ｍ、１５３０ｎｍにおける吸収は２７．５ｄＢ／ｍ、１５３０ｎｍにおける分散は、−３４．４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。強度変調器４１には、変調を制御するためのファンクションジェネレータ４８が接続されている。また、このモード同期レーザ装置では、レーザ光が伝搬する部分の全てが偏波保持型光ファイバ４９で接続されており、安定したモード同期パルス光（モード同期レーザ光）を発振することが可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｅ．Ｐ．Ｉｐｐｅｎ、「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ  ｏｆ  Ｐａｓｓｉｖｅ  Ｍｏｄｅ  Ｌｏｃｋｉｎｇ」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｂ５８、１５９−１７０、１９９４
【非特許文献２】Ｊ．Ｗ．Ｎｉｃｈｏｌｓｏｎ  ａｎｄ  Ｍ．Ａｎｄｒｅｊｃｏ、「Ａ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ，ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｍａｎａｇｅｄ，ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｆｉｇｕｒｅ−ｅｉｇｈｔ  ｆｉｂｅｒ  ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１８、８１６０−８１６７、２００６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記のように構成されるモード同期レーザ装置は非常に繊細であるため、環境変化やパラメータ変化の影響により、安定したモード同期レーザ光を発振させることができない場合がある。例えば、温度変化により、共振器長が変化したり、各光学部品の損失が変化したり、ＥＤＦの利得特性が変化する場合がある。また、励起光源からの光パワーや波長が僅かに変化することがある。このような場合に、安定したモード同期レーザ光を発振させることができないことがある。
【００１３】
本発明の目的は、モード同期発振を確認しつつ、環境変化やパラメータ変化が生じた場合であっても安定したモード同期レーザ光を発振させることができるモード同期レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様におけるモード同期レーザ装置は、所定経路内でレーザ光を変調してモード同期レーザ光を発生するモード同期レーザ装置において、前記所定経路内のレーザ光を分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐されたレーザ光の一部を選択する選択手段と、前記選択手段により選択されたレーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段の受光量に基づいてモード同期を監視する監視手段と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、前記監視手段は、前記受光手段で受光された光パワーに基づいて前記レーザ光のモード同期を監視することが好ましい。
【００１６】
さらに、前記監視手段は、前記受光手段で受光された光パワーが所定の閾値以下である場合に、前記レーザ光がモード同期していないと判定することがより好ましい。
【００１７】
また、前記モード同期レーザ装置は、前記監視手段により前記レーザ光がモード同期していないと判定されたときに、前記レーザ光がモード同期するように復旧動作を実行する制御手段を更に備えるのが好ましい。
【００１８】
また、前記制御手段は、前記復旧動作において、前記レーザ光を発生する光源の駆動電流を一時的に増大させ、その後前記駆動電流を定常状態の駆動電流まで減少させることがより好ましい。
【００１９】
また、前記分岐手段は、前記所定経路内のレーザ光を所定の分岐比で分岐するタップカプラであることが好ましい。
【００２０】
また、前記選択手段は、所定波長領域のレーザ光を透過するフィルタであることが好ましい。
【００２１】
また、前記フィルタは、モード同期しているときに前記受光手段で受光された光パワーと、モード同期していないときに前記受光手段で受光された光パワーとの差が大きい波長領域のレーザ光を透過するのがより好ましい。
【００２２】
本発明の第２の態様におけるモード同期レーザ装置は、所定経路内でレーザ光を変調してモード同期レーザ光を発生するモード同期レーザ装置の制御方法であって、前記所定経路内のレーザ光を分岐する分岐ステップと、前記分岐ステップにより分岐されたレーザ光の一部を選択する選択ステップと、前記選択ステップにより選択されたレーザ光を受光する受光ステップと、前記受光ステップにおける受光量に基づいて前記レーザ光のモード同期を監視する監視ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、分岐手段により所定経路内のレーザ光を分岐し、該分岐されたレーザ光の一部を選択し、該選択されたレーザ光の受光量に基づいてモード同期を監視する。これにより、モード同期発振を確認することができ、また、環境変化やパラメータ変化が生じた場合であっても安定したモード同期レーザ光を発振させることが可能となる。また、所定波長領域のレーザ光を選択して透過させ、該レーザ光の受光量に基づいてモード同期を監視するので、モード同期の監視を精度良く実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態に係るモード同期レーザ装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１のモード同期レーザ装置にて同期されるモード同期レーザのスペクトルを示す図である。
【図３】図１におけるタップカプラの変形例を示す図である。
【図４】従来のモード同期レーザ装置の構成を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施の形態に係るモード同期レーザ装置の構成を概略的に示す図である。
【００２７】
図１において、モード同期レーザ装置１０は、レーザ光の強度を変調する偏波保持型変調器１１と、レーザ光の周回する方向を規定すると共に、その偏波軸を規定する偏波依存型アイソレータ１２と、周回するレーザ光（又はモード同期レーザ）の一部を分岐する偏波保持型タップカプラ１３と、非線形光増幅ループミラー（ＮＡＬＭ：Nonlinear Amplifying Loop Mirror）１４と、２つのループを繋ぐ偏波保持型タップカプラ１５とを備える。非線形光増幅ループミラー１４は、増幅媒体であるＰＭ−ＥＤＦ（Polarization-maintainingErbium-doped Fiber）１４ａを有している。また、モード同期レーザ装置１０は、レーザ光を発生する励起光源１６と、励起光源１６に接続され、該励起光源からのレーザ光を非線形光増幅ループミラー１４に導く偏波保持型ＷＤＭカプラ１７とを有している。変調器１１には、変調を制御するためのファンクションジェネレータ１８が接続されている。また、このモード同期レーザ装置では、レーザ光（パルス光）が伝搬する部分の全てが偏波保持型光ファイバ１９で接続されており、安定したモード同期レーザ光を発振することが可能である。尚、本実施の形態では、モード同期レーザ装置１０では、レーザ光が伝搬する光ファイバが８の字型（Figure-8）であるが、これに限るものではなく、直線型であってもよいし、シグマ型であってもよい。
【００２８】
また、モード同期レーザ装置１０は、モード同期レーザ光の一部をサンプリングし、該サンプリングされたレーザ光に基づいてモード同期を制御するモード同期制御装置（制御手段）２０を備える。
【００２９】
モード同期制御装置２０は、偏波保持型タップカプラ１３の分岐経路に接続された偏波依存型アイソレータ２１と、偏波依存型アイソレータ２１から出力されたレーザ光を所定の分岐比で分岐する偏波保持型タップカプラ（分岐手段）２２と、偏波保持型タップカプラ２２により分岐されたレーザ光のうち所定波長領域のレーザ光を選択して透過させるバンドパスフィルタ（選択手段）２３と、バンドパスフィルタ２３を透過したレーザ光を受光する受光素子（受光手段）２４と、受光素子２４に接続され、該受光素子の受光量に基づいてモード同期を監視及び制御する制御回路（監視手段）２５とを有する。受光素子２４としては、例えば、フォトダイオードや光電子倍増管等を用いることができる。
【００３０】
このモード同期レーザ装置では、図中の左側のループと右側のループがタップカプラ１５で接続される。左側のループでは、半時計周りに伝搬する光は偏波依存型アイソレータ１２でアイソレートされる。したがって、左側のループでは時計周りの光のみが伝搬する。左側のループを時計回りに伝搬する光は、変調器１１によって光が変調され、タップカプラ１３によって一部の光が共振器の外に取り出される。そして、タップカプラ１５によって右側のループを時計回りに伝搬する光と、半時計周りに伝搬する光に分岐される。右側のループを伝搬する光のうち、時計回りに伝搬する光及び反時計回りに伝搬する光の双方が、ＰＭ−ＥＤＦ１４ａにて増幅される。ただし、タップカプラ１５の分岐比や経路に応じて、時計回りと反時計周りの光パルスの強度が変化し、非線形位相シフトに違いが生じる。これら２つのレーザ光がタップカプラ１５にて再び結合されると、位相シフト差に依存した干渉が発生する。光パルスのピークで強め合い且つ光パルスの裾部分で弱め合うように干渉させると、周回するに従って光パルスが細くなり、所定期間経過後に定常状態となる。
【００３１】
次に、モード同期制御装置２０によるモード同期の制御方法について説明する。
【００３２】
先ず、図中左側のループにおいて、タップカプラ１３により分岐されたレーザ光は、バンドパスフィルタ２３によりフィルタリングされ、所定波長を有するレーザ光のみが受光素子２４で受光される。受光されたレーザ光は、受光素子２４にて光入力に応じた電流に変換されて、制御回路２５に出力される。制御回路２５では、受光素子２４からの電流が入力され、該入力された電流値に応じた光パワー（光強度）が閾値より大きいか否かが判定される。制御回路２５に入力された電流値に応じた光パワーが閾値より大きい場合は、レーザ光がモード同期していると判定される。制御回路２５に入力された電流値に応じた光パワーが閾値以下である場合は、モード同期していないと判定され、制御回路２５にて、レーザ光がモード同期するように復旧動作が実行される。
【００３３】
すなわち、制御回路２５は、レーザ光のモード同期を監視する監視手段としての役割も担っており、受光素子２５で受光された光パワーに基づいてレーザ光のモード同期を監視している。そして、制御回路２５は、受光素子２５で受光された光パワーが閾値より大きい場合は、レーザ光がモード同期していないと判定し、一方、受光素子２５で受光された光パワーが閾値以下である場合は、レーザ光がモード同期していないと判定する。
【００３４】
制御回路２５で実行されるモード同期の復旧動作は、以下のように実行される。例えば、励起光源１６の駆動電流を一時的に増大してモード同期させ、その後当該駆動電流を定常状態の駆動電流まで減少させる。また、変調器１１による変調動作及び励起光源１６からの励起光の出力を一旦オフにした後、再度変調器１１による変調動作と励起光の出力をオンにして、励起光の駆動電流を定常状態の駆動電流に設定する。
【００３５】
図２は、図１のモード同期レーザ装置１０にて同期されるモード同期レーザのスペクトルを示す図であり、モード同期している場合のスペクトルを実線で示し、モード同期していない場合を破線で示す。
【００３６】
モード同期している場合の平均光パワーとモード同期していない場合の平均光パワーは、夫々６．４３ｄＢｍ、６．２３ｄＢｍであり、平均光パワーの差は微少である。よって、モード同期しているか否かの判定を平均光パワーのみで行うことは困難である。そこで、本実施の形態では、モード同期している場合とモード同期していない場合との光パワー差が大きい波長領域のレーザ光のみをフィルタリングして選択する。これにより、モード同期しているか否かの判定を精度良く実行することが可能である。
【００３７】
具体的には、図２に示すように、半値全幅３ｎｍのバンドパスフィルタで波長１５７０ｎｍ付近のレーザ光を選択してモニタリングする。例えば、波長１５４０〜１５９０ｎｍのレーザ光を選択した場合、モード同期している場合とモード同期していない場合との光パワー差は約２０ｄＢｍであり、モード同期しているか否かの判定を行うのに十分な光パワー差である。尚、上記判定を行うために必要な光パワー差は受光素子や制御回路に応じて最適な値があるので、受光素子や制御回路に応じてモニタリングするレーザ光の波長を選択してもよい。
【００３８】
また、制御回路２５では、モード同期している場合の光パワーとモード同期していない場合の光パワーとの中間値が閾値に設定される。検出対象であるレーザ光の光パワーが上記中間値より大きい場合はモード同期していると判定され、検出対象であるレーザ光の光パワーが上記中間値以下である場合はモード同期していないと判定される。
【００３９】
本実施の形態によれば、偏波保持型タップカプラ２２によりレーザ光を分岐し、バンドパスフィルタ２３により所定波長領域のレーザ光を選択して透過させ、バンドパスフィルタ２３を透過したレーザ光の受光量に基づいてモード同期を監視する。これにより、モード同期発振を確認することができ、また、環境変化やパラメータ変化が生じた場合であっても安定したモード同期レーザ光を発振させることが可能となる。また、所定波長領域、特にモード同期している場合とモード同期していない場合との光パワー差が大きい波長領域のレーザ光を選択して透過させ、該レーザ光の受光量に基づいてモード同期を監視するので、モード同期の監視を精度良く実行することができる。
【００４０】
本実施の形態では、偏波保持型タップカプラ１３を図１に示すような位置に配置したが、これに限るものではなく、周回するレーザ光の一部を取り出すことができれば如何なる位置に配置されてもよく、また、如何なる構成を有していてもよい。
【００４１】
また、本実施の形態では、制御回路２５は、モード同期を監視及び制御するが、これに限るものではなく、モード同期の監視のみを実行するものであってもよい。また、モード同期を監視する監視回路と、該監視回路の監視結果に基づいてモード同期を制御する制御回路とが設けられてもよい。
【００４２】
図３（ａ）〜（ｂ）は、図１におけるタップカプラ１３の変形例を示す図である。
【００４３】
図３（ａ）において、タップカプラ１３は、出力用ポートと、該出力用ポートの反対側に配されるモニタ用ポートとを有しており、周回するレーザ光の一部を取り出すと共に、外部に出力されるレーザ光を出力用ポートに、モニタリングされるレーザ光をモニタ用ポートに夫々分岐する。また、図３（ｂ）では、タップカプラ１３は、周回するレーザ光の一部を分岐してモード同期制御装置２０に導くタップカプラ１３ａと、周回するレーザ光の一部を分岐して外部に導くタップカプラ１３ｂとを有している。このとき、タップカプラ１３ｂで分岐されるレーザ光の伝搬方向は、周回するレーザ光の周回方向と逆である。図３（ｃ）では、図３（ｂ）に示す構成と基本的に同じであるが、タップカプラ１３ｂで分岐されるレーザ光の伝搬方向が、周回するレーザ光の周回方向と同じである点で異なる。
【００４４】
尚、本実施の形態では、レーザ光の一部の波長成分を選択するためにバンドパスフィルタを用いているが、これに限るものではなく、レーザ光の長波長領域を選択するローパスフィルタ（ＬＰＦ）を用いてもよいし、レーザ光の短波長領域を選択するハイパスフィルタ（ＨＰＦ）を用いてもよい。但し、モード同期していないときには長波長領域の光パワーが小さい傾向にあるため、長波長領域を選択すると、モード同期している場合とモード同期していない場合との光パワー差が大きくなる。したがって、長波長領域を選択するフィルタを用いるのがより好ましい。
【００４５】
また、レーザ光の中心波長領域では、モード同期している場合とモード同期していない場合との光パワー差が小さくなるため、中心波長領域を避けて選択するのが好ましい。また、図２おける波長１５５７ｎｍのように、鋭いスパイク成分を生じるスペクトルの場合は、その波長領域を避けて選択するのが好ましい。
【符号の説明】
【００４６】
１０  モード同期レーザ装置
１１  変調器
１２，２１  アイソレータ
１３，１５，２２  タップカプラ
１４  非線形光増幅ループミラー
１４ａ  ＰＭ−ＥＤＦ
１６  励起光源
１７  ＷＤＭカプラ
１８  ファンクションジェネレータ
１９  光ファイバ
２０  モード同期制御装置
２３  バンドパスフィルタ
２４  受光素子
２５  制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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