(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと，レーザ光を発生して増幅する光増幅器と，前記光増幅器の出力を高周波電気信号を発生する電気信号発振器の信号により変調するマッハーツェンダ光強度変調器と，前記マッハーツェンダ光強度変調器の出力を前記光増幅器へ供給することで形成される光ファイバリングを備え，前記電気信号発振器から前記光ファイバリングの共振周波数ｆc の整数倍の周波数ｆm からｆc ／ｐ（ｐは整数）だけずらした周波数を印加することにより前記変調器から繰り返し周波数がｐ（ｆm ±ｆc ／ｐ）の光パルス列を生成する光パルスレーザ装置において，
前記光増幅器と前記変調器の間にファイバファブリーペロフィルタを設け，前記ファイバファブリーペロフィルタの自由スペクトル間隔（ＦＳＲ）を前記周波数ｆm の整数倍とし，前記変調器を特性曲線の最大トランスミッションポイント（β＝０，２等の点）にバイアスして前記変調器へ入力するキャリア成分および一部の高調波成分を抑制することにより光パルス列を安定化することを特徴とする光パルスレーザ装置。
【請求項２】
ｆm ±ｆc ／ｐをｆm ’とし，前記該ファイバファブリーペロフィルタの自由スペクトル間隔は該ｆm もしくはＫｆm （Ｋは整数），もしくは，ｆm ’もしくはＫｆm ’に等しいことを特徴とする請求項１に記載の光パルスレーザ装置。
【請求項３】
ｐ＝４であり，４（ｆm ＋ｆc ／４）もしくは４（ｆm −ｆc ／４）に等しい繰り返し周波数であることを特徴とする請求項１に記載の光パルスレーザ装置。
【請求項４】
光増幅器は増幅特性を有する光ファイバと励起光源により構成されることを特徴とする請求項１に記載の光パルスレーザ装置。
【請求項５】
光増幅器は半導体レーザ増幅器と励起電流の電源により構成されることを特徴とする請求項１に記載の光パルスレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，光パルスレーザ装置に関するものであり，特に，レーショナルハーモニカリモードロックファイバリングレーザ（ＲＨＭＬ−ＦＲＬ）に関するものである。レーショナルハーモニカルモードロックファイバリングレーザ（ＲＨＭＬ−ＦＲＬ）において生成された光パルス列の安定化をするものである。本発明は，高速度光通信システム，光時分割多重システム（ＯＴＤＭ）のための光パルス発生源として使用できるようにしたものであり，そのために必要とされる高繰り返し周波数の光パルス列を安定化するものである。あるいは，本発明はマイクロ波周波数帯，ミリ波周波数帯，およびそれ以上の周波数帯での繰り返し周波数の光パルス列の安定化をはかるものである。
【０００２】
【従来の技術】
高繰り返し周波数の光パルスの安定化は，超高速度光通信システムにおいて重要である。アクティブハーモニルカルモードロックファイバリングレーザ（ＭＬ−ＦＲＬ）は高い繰り返し周波数（ＰＲＦ）でコントロールできることで，一般化している。それでは，キャビティ共振周波数（光ファイバリングの共振周波数）の高調波であるＲＦ変調信号が，キャビティ（光ファイバリング）の中に置かれたマッハ−ツェンダ光強度変調器（ＭＺＭ）のＲＦポートに印加され，そしてトランスミッション特性曲線の直交点（図２参照）にバイアスされる。そのような場合，印加されたＲＦ変調信号周波数に等しい繰り返し周波数で光パルスを生成する。しかし，そのようなレーザ装置は，最大パルス繰り返し周波数はＲＦ信号のドライブ装置と変調器のバンド幅により制限される。ＭＬ−ＦＲＬにおいてＰＲＦを増大する多くの技術があるが，レーショナルハーモニカルモードロックは，変調信号周波数をデチューニングすることにより簡単にＰＲＦを増大できる方法である〔Ｚ．Ａｈｍｅｄ，ａｎｄ  Ｎ．Ｏｎｏｄｅｒａ，”Ｈｉｇｈ−ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  ａｃｔｉｖｅｌｙ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｆｉｂｒｅ  ｒｉｎｇ  ｌａｓｅｒｓ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３２，ｐｐ．４５５−４５７，１９９６．〕。
【０００３】
図１４は従来のレーショナルハーモニカルモードロックファイバリングレーザ（ＲＨＭＬ−ＦＲＬ）の構成を示す。図１４において，Ａは光増幅器であり，励起光源と光利得性能をもつ利得媒体により構成したものである。１は利得媒体であり，エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）であって，Ｅｒ／Ｙｂドープファイバ）である。２は励起光源である。３はカップラ（光結合器）である。４は変調器であって，マッハ−ツェンダ光強度変調器である。５，６，７は光アイソレータである。８はポーラライゼーションコントローラ（ＰＣ）である。９は光分岐器であって，９０：１０の割合で光ファイバリングの発振光を光検出器２３に分岐されるものである（光ファイバリングの発振光の１０％が分岐されて，光検出器２３に導かれる）。１２は光ファイバである。２１は電気発振器であって，高周波電気信号を発生するものである。２２は増幅器である。２３は光検出器であって，光信号を電気信号に変換するものである。２４は測定器であって，電気信号に変換された信号を測定するものである。
【０００４】
図１４において，励起光源２で発生したレーザ光は利得媒体１であるエルビウムファイバ（ＥＤＦ）を励起し，光ファイバリングはその共振周波数ｆc およびその整数倍のレーザ光が発振する。電気発振器２１は，ｆc の整数倍の電気信号ｆm を発生し，さらにｆc を整数ｐで割った周波数を発生することができ，変調器４に印加する電気信号をｆm よりわずかずらした周波数で印加することができるものである（以後，ｆm よりわずかずれた周波数で印加することをデチュ−ニングと称する）。変調器４はバイアス電圧Ｖb でバイアス電圧を印加する。
【０００５】
図１４の構成で，変調器は電圧Ｖb の値に応じて，印加周波数ｆm の偶数倍もしくは奇数倍の高調波の光パルスを光ファイバリングに生成する。変調器４に印加する周波数をｆm よりｆc ／ｐだけデチュ−ニングして印加すると，繰り返し周波数（ＰＲＦ）がｐ（ｆm ±ｆc ／ｐ）の光パルス列を生成する。
【０００６】
図１を参照して，図１４のレーショナルハーモニカルモードロックの動作を説明する。
【０００７】
図１は，ＲＨＭＬ−ＦＲＬにおけるパルス繰り返し周波数増倍の時間領域の説明であり，以下はその定性的な説明である。図１（ａ）はキャビティにおける変調ロスを示す。（ｂ）〜（ｅ）はキャビティにおけるトレース２〜トレース５を示す。
【０００８】
レーショナルハーモニカルモードロックによる光パルスの繰り返し周波数の増倍は，キャビティ内部の循環光パルス間での干渉と変調ロス（損失）に基づいてなされる。アクティブハーモニカルモードロックファイバリングレーザにおいて，レーザ光はキャビティ共振周波数のｎ次共振周波数にモード−ロックされ，ｎ個の光パルスがキャビティ内を循環する。そして，キャビティの各ラウンドトリップごとに，図１のトレース２に示されるように変調器を各パルスは通過し，変調トランスファ特性曲線における最小ロス（損失）もしくは最大ロスを受ける。印可変調信号周波数がｆc ／ｐだけ減少したとき，最小ロスに対する各循環パルスの到着にＴ／ｐの時間遅延が生じる。ここに，Ｔは変調周期である。
【０００９】
例えば，ｆm がｆc ／２だけ減少したとすると，各パルスは変調周期の半分Ｔ／２だけ遅れる。その結果として，変調器に次ぎに到達する各パルスは，トレース３に示されるように最大ロスで変調器を通過する。最小ロス”０”の点を最初通過したパルスＡは１キャビティラウンドトリップの後，最小ロス”２”と”３”の間の中間にある最大ロスの点に到達し，そこで，最大ロスを受ける。ＥＤＦゲイン媒体（Ｅｒドープファイバ）の緩和時間は，パルスのラウンドトリップ時間（数１０マイクロ秒）に比較して長い（１０ｍｓのオーダ）なので，パルスＡの完全な抑制は生じない。しかし，第２キャビティラウンドトリップの間にパルス”Ａ”はＴ／２だけおくれ，最小ロス４のタイミングに到着し，そして，最小ロス即ち最大ゲインを受ける。それは，各パルスは各第２ラウンドトリップ毎に最小ロス即ち最大ゲインを得る。そのことは，キャビティを循環する他のパルスに対しても当てはまる。その結果として，出力の光パルス列のパルス繰り返し周波数は，通常の調和モードロックにより実現される繰り返し周波数の２倍になる。パルス繰り返し周波数が３倍，４倍になることも同様に説明でき，トレース４と５にそれぞれ示される。パルス繰り返し周波数が４倍の場合，ｆm をｆc ／４だけデチューニングする。その時，Ｔ／４だけパルスが遅延され，そしてパルスシークエンス”ＡＢＣＤ”のＡが各第４キャビティラウンドトリップにおいて最小ロスになる。そのため，図１のトレース５に示すようにパルス繰り返し周波数が４倍になる。以下の説明において，ｆm ’＝ｆm ±ｆc ／ｐとする。
【００１０】
低周波数のドライブ電子装置を使用することにより多種類の高い繰り返し周波数の光パルス列を生成できることは，ＲＨＭＬ−ＦＲＬのすぐれた点である。しかし，ＲＨＭＬ−ＦＲＬの限界は，そのパルスレーザ光が振幅ノイズとパルス振幅が不揃いであり（以後，不等パルス振幅と称する），光通信に有害なパルス振幅不安定性が存在することである。発生した光パルス列に生じた振幅ノイズは主として共振器モード間の不均一なエネルギー分配により生じるスーパーモードノイズによるものである。一方，光パルス列における不等パルス振幅は，キャビティ内部の非対称キャビティロス変調に主によるものであり，ｆm の間隔の周期でランダムに振動する中間モード（中間モードは，例えば４ｆm に対するｆm ，２ｆm ，３ｆm である）の存在により生じる。そして主に２ｆm を越える大きいパルス繰り返し周波数（ｐ＞２）において支配的になる。結果として，ＲＨＭＬ−ＦＲＬにおいて，２ｆm を越える大きい繰り返し周波数の光パルス列は，高いパルス振幅不安定性をもつことになる。
【００１１】
ＲＨＭＬにおけるパルス振幅安定性を増大するために，ｆc のランダムに振動するキャビティ共振モードとｆm ，２ｆm 等のメイン縦方向モードが抑制され，望みのパルス繰り返し周波数に等しい周波数ｐｆm の間隔で互いに位相が揃えられていることが重要である。
【００１２】
特に，高速度光通信ネットワークに対する実際の応用に利用できる光パルス源になるＲＨＭＬ−ＦＲＬを実現するためには，生成されたパルスの振幅ノイズが最小であり，振幅の等しいことが大切である。
【００１３】
そのようなレーザ装置は，ただ一つの試みだけが報告されている〔Ｍ．Ｙ．Ｊｅｏｎ，Ｈ．Ｋ．Ｌｅｅ，Ｊ．Ｔ．Ａｈｎ，Ｄ．Ｓ．Ｌｉｍ，Ｈ．Ｙ．Ｋｉｍ，Ｋ．Ｈ．Ｋｉｍ，ａｎｄ  Ｅ．Ｈ．Ｌｅｅ，”Ｅｘｔｅｒｎａｌ  ｆｉｂｒｅ  ｌａｓｅｒ  ｂａｓｅｄ  ｐｕｌｓｅ  ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｅｑｕａｌｉｓａｔｉｏｎ  ｓｃｈｅｍｅ  ｆｏｒ  ｒａｔｉｏｎａｌ  ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｍｏｄｅｌｏｃｋｉｎｇ  ｉｎ  ａ  ｒｉｎｇ−ｔｙｐｅ  ｆｉｂｒｅ  ｌａｓｅｒ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ３４，ｐｐ．１８２−１８４，１９９８．〕。
【００１４】
図１５はその構成を示す。図１５において，３１はＲＨＭＬ−ＦＲＬである。３２はＰＭＬ−ＦＲＬである。３３はＮＡＬＭ（非線形増幅ループミラー）である。３４はファラデー回転鏡である。３５はポーラライゼーションコントローラである。
【００１５】
図１５の構成において，４ｆm （ｐ＝４）における光パルス列のパルス振幅の等化が複雑な方法で達成されている。その技術においては，振幅等化は非線形増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）を構成する線形ファラデー回転鏡を用いた受動モードロックファイバリングレーザ（ＰＭＬ−ＦＲＬ）内部でのアディティブパルスモードロッキング（ＡＰＭ）基づいてなされる。ＡＰＭは，ＰＭＬ−ＦＲＬ内部での同じトラベリングモードの２つの自己位相変調された光を干渉させることにより生成される非線形振幅変調として簡単に考えられる。偏光制御器（ポーラライゼーションコントローラ）とファラデー回転鏡の組合せは，直線偏光を楕円偏光に変換し，それは光ファイバのカー効果により回転し，回転角度は，回転光信号の強度に比例する。この偏光は，強度弁別に基づくものであり，ＲＨＭＬ−ＦＲＬの出力する光パルスの振幅等化をする。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ＲＨＭＬ−ＦＲＬにおける光パルス振幅等化のこの報告された技術は，構成が非常に複雑であり，そして，外部に結合されたＭＬ−ＦＲＬのキャビティ共振周波数がメインＲＨＭＬ−ＦＲＬの応答周波数の多重高調波に正確に等しくなければならない。そしてＮＡＬＭのループ長と同様に偏光制御の微妙な調整を必要とするものである。従って，このレーザ装置は，非常にきびしい動作条件のもとに動作するものであることは明らかである。さらに，多くの付加的な光エルビウムドープファイバ増幅器，偏光制御装置，ファラデー回転鏡，光結合器，アイソレータ等がＰＭＬ−ＦＲＬを組み立てられるために必要である。従って，この方法は非常に高価になる。さらに，外部共振器構造が完全なレーザシステムの全体サイズを大きくするだけでなく，ＲＨＭＬ−ＦＲＬとＰＭＬ−ＦＲＬの共振器周波数を完全に一致させなければならないという動作条件が，周囲温変動や機械的振動で容易に乱されるという問題がある。
【００１７】
本発明は，レーショナルハーモニカルモードロックファイバリングレーザ（ＲＨＭＬ−ＦＲＬ）において高次光パルスの不安定性を除去できる光学的光パルス振幅安定器（ＯＰＡＳ）を提供するものである。ＯＰＡＳはＦＦＰによる内部キャビティ光フィルタの原理と，そしてマッハ−ツェンダ光強度変調器の非線形性に基づくものである。本発明の方法は，前述の従来技術と異なり，ＯＰＡＳの特徴に基づいてＲＨＭＬ−ＦＲＬの内部で実現できるものであり，少ない部品数で振幅等化を実現するものである。上記の従来公知の技術と異なり，本発明のＲＨＭＬ−ＦＲＬは，部品数が少なく，非常にコンパクトで組み立て容易なシステムである。そのため，本発明は，小さいコストで超高速度光通信システムに対する高繰り返し周波数の高次光パルスを高度に安定に生成するファイバリングレーザ装置を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は，ｆm もしくはその整数倍に等しいＦＳＲのファイバファブリ−ペロフィルタ（ＦＦＰ）をＲＨＭＬ−ＦＲＬのキャビティに導入した。そのようにして，内部キャビティ光フィルタによるフィルタリング，およびＭＺＭの非線形特性による偶数次変調サイドバンド生成に基づき，簡単な構成で有効な光パルスの安定化をはかることのできるＲＨＭＬ−ＦＲＬにおける光パルス振幅安定器を提供する。
【００１９】
ＭＺＭが最大トランスミッションポイント（図２参照）にバイアスされ，変調信号によりドライブされる場合，（ｆ0 ±２ｆm ），（ｆ0 ±４ｆm ）等の偶数次変調サイドバンドを生成でき，そして，一方，奇数次サイドバンド（ｆ0 ±ｆm ），（ｆ0 ±３ｆm ）等と同様に光キャリアｆm も抑制する。ここに，ｆ0 は光キャリアの振動数である。本発明者等は，４ｆm の間隔で４次モードのレーザ励起を高めるために（ｆ0 ±２ｆm ）での２次変調サイドバンドを生成するこの概念を使用し，ｆm ，２ｆm および３ｆm でのランダムに振動する中間モードを抑制する。さらに，ＦＦＰのＦＳＲはｆm もしくはその整数倍とし，例えば，４ｆm として位相を一致された周波数間隔の４ｆm において支配的４次モードもしくはその整数倍のモードを選択するためにキャビティ内部に挿入した。あるいは，ｆm ’＝ｆm ±ｆc ／４とした時，ＦＦＰのＦＳＲはｆm ’もしくはその整数倍とし，例えば，４ｆm ’として４次モードもしくはその整数倍のモードを選択するようにする。一方，キャビティ共振モードおよびランダムな内部縦モード振動を除去し，それによりＲＨＭＬ−ＦＲＬの４次モードもしくはその整数倍の光パルス列を増大させるようにした。
【００２０】
図２，図３，図４を参照して，マッハ−ツェンダ光強度変調器における周波数多重について説明する。図２はマッハ−ツェンダ光強度変調器に印加するバイアス電圧と出力強度の関係を示すものである。図３は変調器によりｆm の偶数次変調波を生成させた場合の説明図である。図４は本発明により４次高調波をエンハンスメントさせることの説明図である。
【００２１】
一般的に，変調器および検出器のような装置の非線形性は，周波数ミキシングと高調波生成を実現するのに利用できる。非線形トランスファ特性をもつマッハ−ツェンダ光強度変調器が使用でき，印加変調信号により光キャリアの変調をする光エレクトリックミキサと，変調器にバイアスする適正な印加電圧により高調波を生成することの双方に使用される。
【００２２】
変調器がトランスファ特性曲線のクワドゥラチュールポイント（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ｐｏｉｎｔ（図２のβ＝０，１，２等の点））にバイアスされる場合，変調サイドバンドは，印加変調信号周波数ｆm に等しい周波数間隔でキャリアの両サイドに生成されることがよく知られている。変調器は非線形特性をもつことから，変調器が大きい変調信号でドライブされる時，さらに周波数ｎｆm の変調サイドバンドが生成される。ここにｎは整数である。そのような光変調信号が光検出器により検出される時，キャリアと様々な変調サイドバンドの間でのビートが印加変調信号の高調波周波数成分を生成し，ＲＦスペクトルに検出される。しかし，変調が最小トランスミッションポイント（図２のβ＝１，３等の点）にバイアスされる時，（ｆ0 ±２ｆm ），（ｆ0 ±４ｆm ）の偶数次変調サイドバンドが抑制され，一方，（ｆ0 ±ｆm ），（ｆ0 ±３ｆm ）の奇数次サイドバンドが高められる。一次サイドバンドが支配的なので，検出されるＲＦスペクトルは印加変調信号の周波数の２倍もしくは整数倍に周波数をもつ高調波成分を示す。周波数アップコンバージョンのこの機構は，周波数の２倍化として説明される。
【００２３】
マッハ−ツェンダ光強度変調器の非線形性を利用する周波数２倍化の概念は，変調信号の４次高調波の生成に後に拡大された。４次高調波のこの機構は，変調器が特性曲線の最大トランスミッションポイント（図２のβ＝０，２等の点）にバイアスされ，そして変調器信号によりドライブされるという点で，２次高調波生成方法に似ている。適切なドライブ条件で，光キャリアと奇数次サイドバンドが抑制され，一方，偶数次サイドバンドがエンハンスメントされる。これらのサイドバンドは，その時，変調信号の４次高調波としてＲＦスペクトルで検出される。この機構は，周波数４倍化（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｑｕａｄｒｕｐｌｉｎｇ）として定義される。
【００２４】
スイッチング電圧Ｖπ（Ｖπのπは添字を意味する（以後同じ））でマッハ−ツェンダ光強度変調器を通過する振幅Ａと角周波数ω0 の光信号を考える。変調器からの出力電圧は，次のように表される。
【００２５】
【数１】
0003650818.tif 000002
【００２６】
ここに，Ｖ（ｔ）は，変調器の全印加電圧である。変調器が振幅Ｖacおよび角周波数ωm のサイン曲線変調信号でドライブされ，そしてＶb にバイアスされる時，変調器に印加される全入力電圧Ｖ（ｔ）は次のようになる。
【００２７】
【数２】
0003650818.tif 000003
【００２８】
ここに，β＝Ｖb ／Ｖπは正規化変調電圧であり，α＝Ｖac／Ｖπは正規化変調信号電圧である。変調器からの対応出力は，次のようになる。
【００２９】
【数３】
0003650818.tif 000004
【００３０】
ベッセル関数での式（３）の出力の展開は次のようになる。
【００３１】
【数４】
0003650818.tif 000005
【００３２】
ここに，Ｊi はｉ次の第一種ベッセル関数である。式（４）の第１項は，ω0 の光キャリアを示し，さらに続くＪ1 ，Ｊ2 ，Ｊ3 等は，１次，２次，３次のサイドバンドであり，光周波数（ω0 ±ωm ），（ω0 ±２ωm ），（ω0 ±３ωm ）を示す。
【００３３】
２つの特に興味のある場合があり，それはβが奇数の整数（１，３，５等）もしくは偶数（２，４，６等）の時に生じる。これらの２つはそれぞれ，図２に示されるＭＺＭトランスファ関数の最小と最大トランスファポイントに対応する。
【００３４】
式（４）はまた，変調器がβ＝０にバイアスされる時（図２参照），奇数次サイドバンド（ω0 ±ωm ），（ω0 ±３ωm ）等は抑制される。光スペクトルはω0 と偶数次サイドバンド（ω0 ±２ωm ），（ω0 ±４ωm ）等をもつ成分になり，キャリアの両サイドに現れる。最大トランスファポイントにバイアスされた変調器からの出力のベッセル関数展開は，式（４）から次のように表される。
【００３５】
【数５】
0003650818.tif 000006
【００３６】
（ω0 ±２ωm ）の２次のサイドバンドのビートの光キャリアの存在は，±２ωm の第２高調波の周波数成分を生成することが式（５）からわかる。キャリア成分は，後に説明するように４次高調波信号の生成に望ましくないものである。そのため，印加変調信号の４次高調波だけを生成するには，式（５）の項のＪ0 により示されるキャリア成分は完全に抑制されなければならない，例えば，Ｊ0 （απ／２）＝０にする。キャリアの完全な抑制は，変調信号αの規格化振幅を選択することにより達成でき，それは＋３０ｄＢ（変調スイッチング電圧Ｖπ＝６．１Ｖに対して）の変調信号パワーに対応する。最大トランスミッションポイント（β＝０）にバイアスされ，そしてα＝１．５３の変調信号の規格化振幅でドライブされる変調器からの出力のベッセル関数展開は次のようになる。
【００３７】
【数６】
0003650818.tif 000007
【００３８】
光キャリア成分Ｊ0 は，完全に除去され，一方，（ω0 ±２ωm ）で２次サイドバンドが支配的になることが式（６）から明らかである。
【００３９】
図３はこのような条件で，光パルスを高速度検出器で検出した後，ＲＦスペクトルアナライザで観測した結果を示す。図３（ｂ）はこのように生成された偶数次スペクトルを示す。このようにして，図３（ｃ）に示すように印加変調信号周波数の４次高調波である４ｆm の高調波光パルスを励起することがマッハ−ツェンダ光強度変調器により実現できる。
【００４０】
次にＯＰＡＳによるＲＨＭＬ−ＦＲＬにおけるパルス変調安定の機構について説明する。
【００４１】
前に述べたように，通常の高調波モードロックでは，変調信号ｆm がＭＺＭに印加され，そしてキャビティは，位相の一致しているメイン縦方向モードとランダムに振動するキャビティ共振モードを生成する。これらのランダムに振動するキャビティ共振モードは，ＭＬ−ＦＲＬのパルス振幅不安定性に影響する。同じことは，また，レーショナルハーモニカルモードロック（ＲＨＭＬ）においても生じ，ここに，ランダムに振動するキャビティ共振モードに加えて，さらに中間縦モード（中間モードとは，例えば４ｆm ’に対するｆm ’，２ｆm ’，３ｆm ’のキャリアの高調波成分を意味する）がまたパルス振幅不安定性に寄与する。ＲＨＭ−ＦＲＬにおける４次の光パルス列の振幅安定性を増大させるためには，４ｆm ’ずつ分離した４次モードが重要であり，４ｆc で分離するキャビティ共振周波数モードと同様に，ｆm ’，２ｆm ’と３ｆm ’により分離する中間縦方向モードのランダム振動を抑制することが重要である。
【００４２】
図４は，２次変調サイドバンド生成を含むＲＨＭＬ−ＦＲＬのＯＰＡＳ（光パルス振幅安定器）による４次高調波の光パルス列の生成と，光フィルタリングによる光パルス振幅安定の機構の定性的説明図である。レーショナルハーモニカルモードロックにおいては，通常のＭＬ−ＦＲＬに印加する変調信号周波数ｆm に対して変調信号周波数をすｆc ／４だけデチューニングされ，その結果，４ｆm ’（ｆm ’＝ｆm ±ｆc ／４）で分離する周波数モードの光パルスをを生成する（図４（ａ）参照）。その高調波のうち４ｆm ’のモードは，位相マッチされ，トレース２（図４（ｂ）に示される中間モードのエネルギー損失のためにエンハンスメントされる。矢印１は，レーショナルデチューニングによるエネルギー増大の寄与，すなわち４次の縦方向モードの振動エネルギーの増大を示す。これらのモードは，さらに，４ｆm ’の間隔の周波数である２次変調サイドバンドの生成によりエンハンスメントされる。矢印２は２次変調サイドバンド生成からの寄与を示す。これらの支配的４次モードは，４ＦＳＲで分離するＦＦＰトランスミッションで選択され，一方，キャビティ共振モードを含む他の中間モードはトレース３に示されるようにフィルタされる（図４（ｃ））。それゆえに，キャビティは，もはやランダムに振動するモードはサポートせず，出力光パルスはパルス振幅の安定性の大きい光パルス列を出力する（図４（ｄ））。
【００４３】
本発明は，上記の原理に基づくものであり，次の構成を備えるものである。
【００４４】
光パルスレーザ装置において，光ファイバと光増幅器と光変調をする変調器により構成される光ファイバリングと，高周波電気信号を発生する電気信号発振器（図５，図１３，図１４における電気発振器２１に対応する，以下同じ）とを備え，光パルス列を生成する光パルスレーザ装置において，該光ファイバリングの共振周波数の整数倍の電気信号よりわずかに離調した周波数の電気信号により変調することにより印加する電気信号の周波数の整数倍の繰り返し周波数の光パルスを生成するものであり，キャリア成分および一部の高調波成分を抑制することにより光パルス列を安定化する光パルス安定器を備えることを特徴とするものである。
【００４５】
および，光パルスレーザ装置において，光ファイバと光増幅器と光変調をする変調器により構成される光ファイバリングと，高周波電気信号を発生する電気信号発振器とを備え，該変調器に周波数ｆm の電気信号を印加した時，繰り返し周期がｆm の光パルス列を生成する光パルスレーザ装置において，該光ファイバリングの共振周波数をｆc とした時，該変調器に印加する変調信号の周波数を，該高周波電気信号ｆm より該共振周波数ｆc を整数ｐで除算した周波数だけ離調することによりｆm ＋ｆc ／ｐ，もしくはｆm −ｆc ／ｐのｐ倍の繰り返し調波数の光パルス列を生成するものであり，キャリア成分および一部の高調波成分を抑制することにより光パルス列を安定化する光パルス安定器を備えるものでる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
図５は本発明の実施の形態１を示す。図５（ａ）において，図１４と共通の参照番号は共通部分を示す。Ａは光増幅器であり，増幅特性を有する光ファイバと励起光源により構成されるものである。光増幅器は半導体光増幅器と電源により構成されるものであっても良い（図１３参照）。図５の構成において，利得媒体は，光ファイバにエルビウム（Ｅｒ），ツリウム（Ｔｍ），ネオジウム（Ｎｄ），プラセオジム（Ｐｒ）等の希土類元素をドープすることにより光増幅性能をもつようにしたものである。あるいはフロライド系の光ファイバでも良い。あるいは光増幅器としては，励起光源と光ファイバのラマン増幅を利用することもできる。
【００４７】
以下の説明では，エルビウムバープ光ファイバ（ＥＤＦ）を使用した場合を例として説明する。１は利得媒体であり，エルビウムドープ光ファイバ（ＥＤＦ）である。２５はファブリ−ペロフィルタである。図５（ｂ）は，図５（ａ）の構成のファイバリングレーザ（ＦＲＬ）に励起されて，出力される光パルス列を示す。
【００４８】
ＦＳＲ＝３．４８ＧＨｚでフィネス２１３のＦＦＰを使用したものである。光ファイバリングはカップラ（ＷＤＭ）３を介して１０６４ｎｍレーザによってポンピングされ，利得媒体としてＥｒ／Ｙｂドープ光ファイバにより構成される。全キャビティ長は５５．８ｍであり，それは，３．６８ＭＨｚのキャビティ共振周波数に相当する。波長のチューニングは，１５５０ｎｍで２．５ｎｍの３ｄＢバンド幅を持つ光フィルタにより達成され，そして，モードロッキングのために，スイッチング電圧が４．１６Ｖで１０ＧＨｚのＭＺＭ（マッハ−ツェンダ光強度変調器４）をキャビティに備える。リングキャビティからの出力は，９０パーセントの光を共振器に戻す非対称カップラにより取り出される。
【００４９】
本発明のＲＨＭＬ−ＦＲＬの振幅等化性能の確認のために，図５に示される実施の形態において，ファブリ−ペロフィルタのない従来のＲＨＭＬ−ＦＲＬ（図１４参照）との比較実験をした。以下図６〜図１２はその実験結果を示す。  図６はファブリ−ペロフィルタ（ＦＦＰ）の無い場合の，４ｆm ’のスペクトルと光パルス列を示す。図７はＦＦＰのない場合のスペクトルを示す。図８はＦＦＰがある場合の４ｆm ’のスペクトルと光パルス列を示す。図９はＦＦＰがある場合のスペクトルを示す。図１０はＦＦＰがある場合の４ｆm ’のパルスの半値幅と時間と半値幅の積を示す。図１１はＦＦＰがない場合とある場合に生成された周波数スペクトルの比較を示すものである。図１２はＦＦＰのある場合の光パルスのジッタについての実験結果を示すものである。
【００５０】
実験は，ＦＦＰをもたない場合とＦＦＰをもつ場合において，ｆc ＝３．６８ＭＨｚに対応する同じ共振長を維持する。キャビティ内部での平均オプティカルパワーは３０ｍＷである。３４７６．９１８ＭＨｚで＋２５ｄＢｍの変調信号（これは，ｆc の９４５次高調波に近い）がＭＺＭに印可され，ＭＺＭ５のトランスファ特性の直角位相点（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ｐｏｉｎｔ）にバイアスされ，３．４７７ＧＨｚの繰り返し周期の光パルスを生成した。それから，ｆm ’を０．９２ＭＨｚ（ｆc ／４，ｐ＝４）だけデチューニングし変調器（ＭＺＭ）４に印加した。その結果，１３．９１ＧＨＺの光パルス列がレーショナルハーモニカルモードロックにより得られた。
【００５１】
図６はＦＦＰがない場合の実験結果である。図６（ａ）は，サンプリングヘッドＳＤ２６（立ち上がり時間１７．６ｐｓ）をもつサンプリングオシロスコープ（テクトロニクスＣＳＡ８０３）で観測された１３．９１ＧＨｚの光パルス列を示す。図６（ａ）に示される１３．９１ＧＨｚの拡大パルス数は，大きい振幅ノイズを示し，一方図６（ｂ）は光パルス列のパルス振幅を示し，通常のＲＨＭＬ−ＦＲＬのタイプの中間モードのランダムな振動により生成される振幅の不揃いを示している。図７（ａ）は，ＦＦＰがない場合のものであり，高分解能光スペクトルアナライザ（分解能０．０１ｎｍ）を使用することにより測定されたものである。１３．９１ＧＨｚの光スペクトルのそれらの強い中間モードの存在を示している。光スペクトルのスペクトル幅は０．２２３ｎｍである。ｓｅｃｈ2 パルス型を過程すると，ＳＨＧ自己相関器（コリレータ）により測定されたＦＷＨＭパルス幅は，図７（ｂ）に示されるように１５．４８ｐｓであり，０．４３の時間バンド幅積になる。
【００５２】
変調信号パワーは＋３１ｄＢｍに増大され，そしてＭＺＭは，最大トランスミッションポイントにバイアスされ，（ｆ0 ±ｆm ’），（ｆm ±３ｆm ’）の奇数次サイドバンドとキャリアを抑制し，（ｆ0 ±２ｆm ’），（ｆm ±４ｆm ’）の偶数次サイドバンドを生成する。パルス振幅の不安定性はあきらかに減少し，それは主にｆm ’，２ｆm ’，３ｆm ’の周波数間隔の中間モードが抑制され，そして対応して４ｆm ’の間隔で（ｆ0 ±２ｆm ’）の２次変調サイドバンドで生じたメイン振動の４次モードのエネルギーの増大によるものであることがあきらかである。しかし，パルスは，ある程度の量の振幅不安定性をともない，それは中間モードがパルス増幅不安定に寄与するだけの強さをもっているということを意味する。さらに，中間モードの抑制をして４次モードのレーザ光生成をエンハンスメントするため，図５に示すように，ＦＳＲ＝ｆm ’のＦＦＰをキャビティに導入した。キャビティ長はｆc ＝３．６８ＭＨｚを維持するように調整され，キャビティ内部の平均光パワーは，３０ｍＷに一定に保たれる。３４７７．１１ＭＨｚで＋３１ｄＢｍの変調信号がＭＺＭに加えられ，最大トランスミッションポイントにバイアスした。ＦＦＰを挿入した場合には，図８（ａ）と図８（ｂ）に示されるように４ｆm ’＝１３．９１ＧＨｚの良好な等振幅パルスが生成された。生成された光パルスは振幅が等しく，振幅ノイズについて高い安定性をもつことが図８から明らかである。これは，キャビティ内部での光フィルタリングにより４次モードのエネルギーが効果的に増大され，一方，中間モードのパルス振幅不安定性への寄与が無視できる程度まで，中間モードの振動が抑制されたことを示している。
【００５３】
１３．９１ＧＨｚのパルス列の光スペクトルが図９（ａ）に示されている。支配的なモードは１３．９１ＧＨｚ で分離されていて，一方，中間モードは大きく抑制され，そして測定されたスペクトル幅は０．１７７ｎｍであることが実験結果から明らかである。ｓｅｃｈ2 パルス波形を仮定すると，１７．４２ｐｓのパルス幅のＦＷＨＭがＳＨＧオートコリレータにより測定され，そして図９（ｂ）に示され，それは，０．３８の時間−バンド幅の積にあることを示している。
【００５４】
これは，生成されたパルスがトランスフォームリミットに近いことを意味する。１５３５−１５６５ｎｍのチューニングレンジの光バンドパスフィルタにより動作波長を変えることによりレーザ波長の不安定性について考究した。図１０はＦＦＰがある場合の波長とパルス幅の関係および，波長と時間パルス幅積の関係の実験結果を示す。
【００５５】
図１０に示すように，１５３５−１５６５ｎｍの波長領域で，パルス幅は１７．４２−１９．３５ｐｓの範囲であり，そしてパルスは０．３８−０．３９の時間バンド幅積をもち，トランスフォームリミットに近いことが観測された。
【００５６】
通常のＲＨＭＬ−ＦＲＬから検出された光パルス列のＲＦスペクトルが，ミリ波スペクトルアナライザと４５ＧＨｚの高速度フォトディテクタを使用して測定され，本発明のパルス振幅等化法が適用した場合の光パルス列の対応ＲＦスペクトルと比較された。
【００５７】
図１１は，ＦＦＰがある場合とＦＦＰがない場合の２つのレーザからの検出された１３．９１ＧＨｚのＲＦスペクトルを示す。図１１（ａ），（ｃ）はＦＦＰがない場合であり，図１１（ｂ），（ｄ）はＦＦＰがある場合である。
【００５８】
通常のＲＨＭＬ−ＦＲＬにおいて，３４７７．１１１ＭＨｚの印加変調周波数の高調波が１３．９１ＧＨｚのパルス繰り返し周波数の高調波に対して相対的に２３−２５ｄＢの範囲で抑制され，一方，図１１（ｂ）は，ＲＨＭＬ−ＦＲＬからの対応ＲＦスペクトルにおいて，パルス振幅等化により，ｆm ’，３ｆm ’等の周波数成分が完全に除去され，２ｆm ’，６ｆm ’等の成分が，１３．９１ＧＨｚのパルス繰り返し周波数の高調波成分に相対的に３５ｄＢ以上抑制されている。これらの測定は，ＲＨＭＬ−ＦＲＬのこのパルス振幅等化技術の成功を示している。さらに，図１１（ｃ）と１１（ｄ）は，パルス振幅等化のもとに，スーパーモードノイズがあきらかに３３ｄＢから６５ｄＢに減少し，この技術により振幅ノイズ安定性が達成されたことが示されている。
【００５９】
振幅ノイズ，位相ノイズおよび１３．９１ＭＨｚにおけるタイミングジッタの純度がスペクトル領域技術を使用して実測された。測定されたシングルサイドバンドノイズスペクトルパワー密度Ｌ（ｆ）において，通常のＲＨＭＬ−ＦＲＬからの光パルスは−８４．６７ｄＢｃの位相ノイズを示し，そして１３．９１ＧＨｚのキャリアから１０ｋＨｚと１００ｋＨｚのオフセット周波数で−８４．６７ｄＢｃ／Ｈｚと−１０４．４９ｄＢｃ／Ｈｚの位相ノイズを示し，一方，パルス振幅等化のもとに位相ノイズは，対応するオフセット周波数でそれぞれ−８９ｄＢｃ／Ｈｚおよび−１０７．２２ＨｚｄＢｃ／Ｈｚに明らかに減少した。比較として，ドライブ機器からの位相ノイズは３．４７７ＧＨｚキャリアからの１０ｋＨｚと１００ＫＨｚのオフセット周波数で−９８．６７ｄＢｃ／Ｈｚと−１０８ｄＢｃ／Ｈｚとしてそれぞれ測定された。図１２はパルス振幅等化をもつＲＨＭＬ−ＦＲＬからの１３．９１ＧＨｚ光パルス列のＬ（ｆ）分布を示す。
【００６０】
振幅ノイズと位相ノイズの両方を含む全パルスノイズが，キャリアから１００Ｈｚ−１ＭＨｚの大きいオフセット領域で１３．９１ＧＨｚの基本周波数成分で積分L(f)分布から測定された。測定された全パルスノイズデータから，０．５％の低振幅ノイズと０，４４ｐｓの最大タイミングジッタが評価された。通常，タイミングジッタは，大きい高調波数において，測定された位相ノイズから計算され，ここに位相ノイズか支配的てある。しかし，１３．９１ＧＨｚの高い高調波の繰り返し周波数は，測定器の限られたバンド幅のために５０ＧＨｚを越えて検出できない。低振幅ノイズ，位相ノイズ，およびタイミングジッタは生成された１３．９１ＧＨｚの光パルス列の優れたスペクトル純度を示している。それは内部光フィルタリングとの組合せ効果に寄与されていて，そして奇数次サイドバンドとキャリア成分の抑制による偶数次変調サイドバンド生成に寄与されている。
【００６１】
図１３は本発明の実施の形態２であって光増幅器として半導体光増幅器を使用する場合の構成を示す。図１３において，図５と共通の番号は共通部分を表す。図１３において，Ａは光増幅器である。１７は半導体光増幅器である。１８は電源であって，半導体光増幅器に励起電流を供給するものである。図１３のシステムにおいて半導体光増幅器１７がレーザ光を発生するとともに光増幅する点以外は図５のシステムの動作と同じである。
【００６２】
実施の形態に従って本発明を説明したが，本発明は以下に付記として記載する構成も含まれるものである。
【００６３】
（付記１）光ファイバと光増幅器と光変調をする変調器により構成される光ファイバリングと，高周波電気信号を発生する電気信号発振器とを備え，光パルス列を生成する光パルスレーザ装置において，
該光ファイバリングの共振周波数の整数倍の電気信号よりわずかに離調した周波数の電気信号により変調することにより印加する電気信号の周波数の整数倍の繰り返し周波数の光パルスを生成するものであり，
キャリア成分および一部の高調波成分を抑制することにより光パルス列を安定化する光パルス安定器を備えることを特徴とする光パルスレーザ装置。
【００６４】
（付記２）光ファイバと光増幅器と光変調をする変調器により構成される光ファイバリングと，高周波電気信号を発生する電気信号発振器とを備え，光パルス列を生成する光パルスレーザ装置において，
該光ファイバリングの共振周波数の整数倍の電気信号よりわずかに離調した周波数の電気信号により変調することにより印加する電気信号の周波数の整数倍の繰り返し周波数の光パルスを生成するものであり，
キャリア成分および一部の高調波成分を抑制することにより光パルス列を安定化する光パルス安定器を備え，
該光パルス安定器はファイバファブリ−ペロフィルタを含むものであることを特徴とする光パルスレーザ装置。
【００６５】
（付記３）光ファイバと光増幅器と光変調をする変調器により構成される光ファイバリングと，高周波電気信号を発生する電気信号発振器とを備え，光パルス列を生成する光パルスレーザ装置において，
該光ファイバリングの共振周波数の整数倍の電気信号よりわずかに離調した周波数の電気信号により変調することにより印加する電気信号の周波数の整数倍の繰り返し周波数の光パルスを生成するものであり，
キャリア成分および一部の高調波成分を抑制することにより光パルス列を安定化する光パルス安定器を備え，
該変調器はマッハ−ツェンダ光強度変調器であることを特徴とする光パルスレーザ装置。
【００６６】
（付記４）光ファイバと光増幅器と光変調をする変調器により構成される光ファイバリングと，高周波電気信号を発生する電気信号発振器とを備え，光パルス列を生成する光パルスレーザ装置において，
該光ファイバリングの共振周波数の整数倍の電気信号よりわずかに離調した周波数の電気信号により変調することにより印加する電気信号の周波数の整数倍の繰り返し周波数の光パルスを生成するものであり，
キャリア成分および一部の高調波成分を抑制することにより光パルス列を安定化する光パルス安定器を備え，
該光パルス安定器はファイバファブリ−ペロフィルタを含むものであり，該変調器はマッハ−ツェンダ光強度変調器であることを特徴とする光パルスレーザ装置。
【００６７】
（付記５）光増幅器は増幅特性を有する光ファイバと励起光源により構成されることを特徴とする付記１，２もしくは３に記載の光パルスレーザ装置。
【００６８】
（付記６）該光ファイバは稀土類元素をドープしたものであることを特徴とする付記５に記載の光パルスレーザ装置。
【００６９】
（付記７）光増幅器はラマン増幅を利用したものであることを特徴とする付記５に記載の光パルスレーザ装置。
【００７０】
（付記８）光増幅器は半導体レーザ増幅器と励起電流の電源により構成されることを特徴とする付記１，２，３もしくは４に記載の光パルスレーザ装置。
【００７１】
【発明の効果】
本発明によれば，ファイバリングレーザ装置で生成される高繰り返し周波数の高次光パルスの振幅が一定であり，また振幅ノイズも少なく，ジッタも小さい。従って，本発明によれば，光パルスレーザ装置で生成される高い繰り返し周波数の光パルスの安定性を高くすることができる。そのため，本発明によれば，高繰り返し周波数の光パルスを安定に生成する必要のある光パルス発生源を実現することができる。さらに，その構成は簡単であり，少ない部品数のコンパクトで組み立て容易なシステムにより高い繰り返し周波数の光パルス列の振幅等化等の安定化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＲＨＭＬ−ＦＲＬの動作説明図である。
【図２】マッハ−ツェンダ光強度変調器のバイアス電圧と出力の関係を示す図である。
【図３】マッハ−ツェンダ光強度変調器により生成される偶数次高調波についての説明図である。
【図４】本発明の概念の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態１を示す図である。
【図６】ＦＦＰのない場合の光スペクトルと光パルス列の実験結果を示す図である。
【図７】ＦＦＰのない場合のスペクトルの実験結果を示す図である。
【図８】ＦＦＰのある場合の光スペクトルと光パルス列の実験結果を示す図である。
【図９】ＦＦＰのある場合のスペクトルの実験結果を示す図である。
【図１０】ＦＦＰのある場合の実験結果の波長とパルス振幅および波長と時間−バンド幅積を示す図である。
【図１１】ＦＦＰがない場合とＦＦＰがある場合の実験結果のスペクトルを示す図である。
【図１２】ＦＦＰがある場合の実験結果のジッタの特性を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２を示す図である。
【図１４】従来のＲＨＭＬ−ＦＲＬの構成を示す図である。
【図１５】従来のＲＨＭＬ−ＦＲＬの振幅等化のための構成を示す図である。
【符号の説明】
Ａ：光増幅器
１：利得媒体
２：励起光源
３：カップラ
４：変調器
５，６，７：光アイソレータ
８：ポーラライゼーションコントローラ
９：光分岐器
１０：バンドパスフィルタ
12: 光ファイバ
２１：電気発振器
２２：増幅器
２３：光検出器
２４：測定器
２５：ファブリ−ペロフィルタ
【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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