(57)【要約】  高い濃度で共添加されたアルミニウムを含む希土類添加シリカ系の光ファイバを増幅媒質として有するＤＦＢファイバレーザ４０と、リング状光ファイバにより形成された光帰還路５０と、ＤＦＢファイバレーザ４０の出力の一部を光帰還路５０を介してＤＦＢファイバレーザ４０に帰還させ、且つ、ＤＦＢファイバレーザ４０の他の一部を外部への出力とする光カプラ７０とを備えたレーザ装置３００であって、光帰還路５０を形成する光ファイバは、外部への出力における緩和振動雑音が−１１０ｄＢ／Ｈｚとなる長さよりも大きな長さを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項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カプ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−１１０ｄＢ／Ｈｚとなる長さよりも大きな長さを有するレーザ装置。
【請求項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。
【請求項３】
前記光帰還路に挿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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項７】
前記光帰還路に光アイソレータが挿入された、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【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  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）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    出願日  ２００６年９月８日
【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９１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ファイバレーザ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ＤＦＢファイバレーザ４０は、半導体レーザよりも線幅が狭く、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１３０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カプラ１４０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ができる。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ができる。【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。しかしながら、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パ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加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、コア部をエルビウムとイットリビウ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−μｍ  λ／４−Ｓｈｉｆｔｅｄ  ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ  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  ＴＯＰＳ  ｏｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌａｓｅｒｓ，  ｖｏｌ．  １，  ｐｐ．  ２９１−２９５  （１９９６）．
【非特許文献３】"Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｓｉｎｇｌｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｆｉｂｅｒ  Ｇｒａｔｉｎｇ−Ｂａｓｅｄ  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  ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｅｒ／Ｙｂ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒｓ，"  Ｏｐｔ．  Ｌｅｔｔ．  ｖｏｌ．  ２２，  ｎｏ．  １０，  ｐｐ．  ６９４−６９６  （１９９７）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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かった。しかしながら、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、リング状の光ファ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カプ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イバは、外部への出力における緩和振動雑音が−１１０ｄＢ／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かかるレーザ装置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グラフである。
【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音特性を示すグラフである。
【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・・・光波長多重カプラ、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、５０・・・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・・・光カプラ、９０・・・半導体ＤＦＢレーザ、９２・・・ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ導波路層、９３・・・ＩｎＧａＡｓＰ活性層、９４・・・バッファ層、９６・・・ｎ−ＩｎＰ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、１４０・・・光カプラ、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く、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ニウムを共添加したシリカ系光ファイバを含む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４０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、上記アルミニウ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スイッチ動作するＹＡＧレーザの４倍高調波を、長さ約１４ｃｍにわたって照射した。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、エルビウ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１００ｍＷまではパルス発振する。また、励起パワーが１００ｍＷ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、ＤＦＢ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、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、入射ポート２０を介して注入する光波長多重カプラ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とがそれぞれ挿入される。【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４０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が挿入されている点で、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は連続発振していることが判る。【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９０とのヘ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おい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１００ｍＷ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、ＤＦＢ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−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２００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１００ｍＷの場合の、レーザ装置２００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線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の透過スペク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λ／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Ｙ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一層低下される。【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。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カプラ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とがそれぞれ挿入される。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、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、線幅も狭く、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ファイバレーザ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い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）を挿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、請求の範囲の記載から明らかである。【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いという当初の特徴に加えて、雑音が極めて低いという有利な効果を有する。従って、低コストで信頼性が高く、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、５０ＧＨｚ、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λ／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。
【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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【国際調査報告】
2008029859.tif 000017
2008029859.tif 000018
2008029859.tif 000019
2008029859.tif 000020