(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モード同期レーザ発振器と、前記モード同期レーザ発振器の光路上にあって前記モード同期レーザ発振器のレーザ光を変調する光変調器と、前記の光変調器を周波数一定の変調信号で動かす信号発生器と、該レーザ発振器の出力スペクトル成分を選択する複数の光バンドパスフィルター（３１４、３１５）と、上記の光路上に設けられ共振器内で光を一方向へ伝搬させる光アイソレータと、上記の光バンドパスフィルターの出力強度の変化を検出する複数の検出手段と、該検出手段により得られる出力信号を増幅する増幅部と、該レーザ発振器の光路長を調整する光路長調整器と、該増幅器により増幅された信号と上記のモード同期レーザ発振器の光路の分散特性の符号を用いて上記の複数の検出手段の出力信号から導かれる上記の異なる光バンドパスフィルターの出力の強度の変化を抑制するように該光路長調整器を制御する負帰還回路と、を備え、
前記の負帰還回路は、
上記の光路の分散特性が正（Ｄ＞０）の場合で、上記の複数の検出手段の出力信号から、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路調整器で光路長を伸長（あるいは短縮）し、
上記の光路の分散特性が負（Ｄ＜０）の場合で、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路調整器で光路長を短縮（あるいは伸長）することを特徴とするモード同期レーザ装置。
【請求項２】
モード同期レーザ発振器と、変調信号により該レーザ発振器の光路上にあってそのレーザ発振によるレーザ光を変調する光変調器と、変調された光に含まれる該変調信号の高調波に相当する側帯波を選択するファブリペロフィルター３０５と、上記の光路上に設けられ共振器内で光を一方向へ伝搬させる光アイソレータと、該レーザ発振器の出力スペクトル成分を選択する複数の光バンドパスフィルター（３１４、３１５）と、上記の光バンドパスフィルターの強度の変化を検出する複数の検出手段と、該検出手段により得られる出力信号を増幅する増幅部と、該レーザ発振器の光路長を調整する光路長調整器と、該増幅器により増幅された信号と上記のモード同期レーザ発振器の光路の分散特性の符号を用いて上記の複数の検出手段の出力信号の変化を抑制するように該光路長調整器を制御する負帰還回路と、を備え、
前記の負帰還回路は、
上記の光路の分散特性が正（Ｄ＞０）の場合で、上記の複数の検出手段の出力信号から、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路調整器で光路長を伸長（あるいは短縮）し、
上記の光路の分散特性が負（Ｄ＜０）の場合で、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路調整器で光路長を短縮（あるいは伸長）することを特徴とするモード同期レーザ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のモード同期レーザ装置において、１）上記の光変調器の変調周波数と上記のファブリーペロフィルターの自由スペクトル幅とは、それぞれに互いに素である２以上の正の整数ＫとＱとを乗じると互いに等しいという関係にあり、ただし、比Ｋ／Ｑがファブリーペロフィルターのフィネス以下の値となるような、正の整数ＫとＱの組み合わせであり、２）上記の光バンドパスフィルターは、レーザ出力光から該レーザ出力光の発振スペクトルの中心周波数から長波長側と短半波長側とに概ね等しい周波数分離れている２つのスペクトル周波数成分を取り出す２つの光バンドパスフィルターであり、３）上記の光路長調整器は、取り出された上記２つの周波数成分それぞれの平均強度を２つの光検出器を用いて検出する検出手段と、その検出された２つ信号の強度差信号を導く手段と、該強度差信号に従って、上記の光路の分散特性が正（Ｄ＞０）の場合で、上記の強度差信号から、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路調整器で光路長を伸長（あるいは短縮）し、上記の光路の分散特性が負（Ｄ＜０）の場合で、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、光路長を短縮（あるいは伸長）するように光路長調整器を制御する光路長調整器であり、４）変調周波数のＫ倍の繰り返し周波数でパルス列を発生することを特徴とするモード同期レーザ装置。
【請求項４】
モード同期レーザ発振器と、変調信号により該レーザ発振器の光を変調する光変調器と、該モード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線の変化を検出する検出手段と、上記の光路上に設けられ共振器内で光を一方向へ伝搬させる光アイソレータと、該検出手段により得られる出力信号を増幅する増幅部と、該レーザ発振器の光路長を調整する光路長調整器と、該増幅器により増幅された信号と上記のモード同期レーザ発振器の光路の分散特性の符号を用いて、上記の包絡線の変化を抑制するように該光路長調整器を制御する負帰還回路と、を備えるモード同期レーザ装置であって、
上記の包絡線の変化を検出する検出手段は、上記のモード同期レーザ発振器の発振スペクトルの中心周波数から長波長側と短半波長側とに概ね等しい周波数分離れている２つのスペクトル周波数成分を取り出す２つの光バンドパスフィルターと、取り出された上記２つの周波数成分それぞれの平均強度を２つの光検出器を用いて検出する検出手段と、その検出された２つ信号の強度差信号を用いる検出手段であり、
上記の負帰還回路は、該強度差信号と上記のモード同期レーザ発振器の光路の分散特性の符号に従って、上記の光路の分散特性が正（Ｄ＞０）の場合で、上記の複数の検出手段の出力信号から、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化した場合には、上記の光路調整器で光路長を伸長（あるいは短縮）し、上記の光路の分散特性が負（Ｄ＜０）の場合で、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化した場合には、上記の光路調整器で光路長を短縮（あるいは伸長）するように光路長調整器を制御する負帰還回路であり、
変調周波数と同じ繰り替えし周波数でパルス列を発生することを特徴とするモード同期レーザ装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載のモード同期レーザ装置において、分散特性を検出する光路中に、光路の分散を調整する分散調整手段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６】
請求項５に記載のモード同期レーザ装置において、分散調整手段は、予め決められた分散値と長さとを持つ光ファイバーであることを特徴とするモード同期レーザ装置。
【請求項７】
請求項５に記載のモード同期レーザ装置において、分散調整手段は、チャープドブラッググレーティングであることを特徴とするモード同期レーザ装置。
【請求項８】
請求項３あるいは４に記載のモード同期レーザ装置において、上記の２つのバンドパスフィルターは、それぞれフィルター特性を変える事が可能であり、かつ、そのそれぞれのフィルター特性を、モード同期レーザ装置の使用前あるいは使用中に、予め決められたそれらのフィルター特性間の関係を保つように変える手段を備えたことを特徴とするモード同期レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、通信システムの大容量化等に必要とされる、繰り返し周波数の安定な超高速光パルス列を発生するモード同期レーザ装置に関し、特に、光路の波長分散特性を用いて帰還信号を発生させ、この信号を用いて光路長の調整を行なうモード同期レーザ装置に関している。
【０００２】
【従来の技術】
光通信分野においては、高い繰り返し周波数を持ち、しかも繰り返し周波数が一定の光源で、外部クロック信号と同期を取ることができるパルス発振器が重要である。近ごろは、光ファイバーレーザにモード同期技術を応用することによって、このような高繰り返しパルス列を発生する研究が盛んに行われている。
【０００３】
モード同期によるパルスを発生する方法は、リングレーザ共振器中に光強度変調器或いは位相変調器を設置し、その変調器を通過する光の強度或いは位相を変調する方法が知られている。この際、最適にモード同期を行うために必要な変調周波数ｆmは、次の数１で表わすことができる。
【０００４】
【数１】
0003629515.tif 000002
【０００５】
ここで、ｃは光の速度、ｎは光ファイバーの屈折率、Ｌは共振器の光路長、ｆr（＝ｃ／ｎＬ）はレーザの基本繰り返し周波数、Ｎは正の整数である。ｆmとｆrが上記の関係にある状態では、レーザから周期的な光パルスが発生し、そのパルスの繰り返し周波数は変調周波数と同じｆmとなる。Ｎ＝１の場合は、共振器内に１個のパルスが存在するのに対し、Ｎ＞１の場合は、Ｎ個のパルスが等間隔で存在する。通常、ｆrは数百ｋＨｚから数十ＭＨｚである。このため、光通信で必要とされるＧＨｚ帯の繰り返し周波数をもつパルス列を発生させるには、Ｎ＞＞１の状態で変調するモード同期が行われる。このような、Ｎ＞１の場合のモード同期は一般的にハーモニックモード同期と呼ばれている。
【０００６】
モード同期パルスの繰り返し周波数を上げるためには、上記の説明から、変調周波数を上げれば良いことが分かる。しかしながら、変調周波数には変調器や変調信号を発生する高周波（ＲＦ）発振器などの帯域によって与えられる上限がある。ちなみに、最近では、４０ＧＨｚの周波数帯域を持つ光変調器が市販されており、これを用いたモード同期を行うことによる、４０ＧＨｚのモード同期パルス列の発生について報告されている。
【０００７】
また、光パルスの繰り返し周波数をさらに上げるために、変調器やRF発振器等の帯域を超えた高次モード同期法が、文献１（ K.S. Abedin, N. Onodera and M. Hyodo, "Repetition-Rate multiplication in actively Mode-locked fiber lasers by higher-order FM mode-locking using a High-Finesse Fabry-Perot filter", Applied Physics Letters, vol. 73, No. 10, p.1311-1313, 1998.）や文献２（K.S. Abedin, N. Onodera and M. Hyodo, "Overcoming the repetition-rate-multiplication imposed by free-spectral-range of the Fabry-Perot filter used in higher-order FM mode-locked lasers", Electronics Letters, vol. 34, No. 23, p. 2264-2265、1998.）あるいは文献３（ K.S. Abedin et al. , "Generation of a 64-GHz, 3.3-ps transform-limited pulse train from a fiber laser employing higher-order frequency-modulated mode locking",Optics Letters, Vol. 24, No. 22, p. 1564-1566 (1999).）などに提案されている。この方法によって、モード同期レーザから変調周波数の整数倍の繰り返し周波数でパルスを発生することができ、上記の変調器による帯域の限界を超える高次モード同期レーザパルス発振器の実現が可能となった。
【０００８】
このような高次モード同期レーザパルス発振器の一例を図１に示す。図１に示した装置は主に、希土類元素を添加した光ファイバーアンプ（以下、希土類添加光ファイバーアンプと呼ぶ）１０１、光フィルター１０２、偏波調整器１０３、光分岐器１０４、光変調器１０５、光アイソレータ１０６、ファブリーペロフィルター１０７、電気（ＲＦ）発振器１０８、増幅器１０９、及び温度調整器１１０で構成されている。
【０００９】
希土類添加光ファイバーアンプ１０１は、主に希土類元素を添加した光ファイバー、それを励起する励起光源、光結合器、光アイソレータから構成されている。このアンプは光フィルター、偏波調整器、光変調器、光アイソレータ、ファブリペロフィルターを介してループ状に接続され、レーザ共振器１００を構成している。
【００１０】
以上の高次モード同期レーザの特徴は、通常のモード同期レーザに比較して、共振器中にファブリペロフィルターを設置し、光スペクトルの発辰モードらがそのフィルターの周期的透過スペクトルの特定のものと重なるように、変調周波数やファブリペロフィルターの特性、あるいは、特に自由スペクトル幅(ＦＳＲ：Free SpectraＬ Range)、を設定することである。より具体的には、高次（Ｋ次）モード同期を行う条件は、以下の式で表わすことができる。
【００１１】
【数２】
0003629515.tif 000003
【００１２】
ここで、ＱとＫとは互いに素の関係にある正の整数であり、１以外の共通の素因数を持たないものとする。例えば、Ｑ＝１、Ｋ＝４；または、Ｑ＝２、Ｋ＝５である。数式２では、ｆm  は変調周波数、ｆoはパルスの繰り返し周波数を示す。
【００１３】
高次モード同期を行うためにも数１のように変調周波数は共振器の基本繰り返し周波数ｆrの整数倍に選ぶ必要性がある。その上、ファブリペロフィルターのＦＳＲと変調周波数の関係が、数２のようであれば、変調周波数ｆmのＫ倍の繰り返し周波数（ｆo＝Ｋ・ｆm＝Ｑ・ＦＳＲ）でモード同期パルス列が発生する。
【００１４】
変調周波数と数２のような関係を持つＦＳＲのファブリペロフィルターを利用することから、通常のモード同期の場合では変調の１次の変調サイドバンドによってモード同期がかかるのに対し、高次モード同期レーザでは、Ｋ次の変調サイドバンドがモード同期に関わることとなる。その結果、パルスの繰り返し周波数を変調周波数のＫ倍高くすることが可能となった。上記の文献３に、１６ＧＨｚで位相変調を行い、６４ＧＨｚのＦＳＲを持つファブリペロフィルターを利用する（Ｑ＝１、Ｋ＝４）ことにより、６４ＧＨｚの繰り返し周波数を持つパルス列を発生する技術について報告されている。その他の例としては、５．７９ＧＨｚの周波数で変調を行い、３．４８ＧＨｚのＦＳＲを持つファブリーペロフィルターを利用し、１７．４ＧＨｚ繰り返し周波数のパルス列を発生させた例が上記の文献２に報告されている。この場合はＱ＝５、Ｋ＝３である。
【００１５】
上記のように、高次モード同期を行うことにより、通常のモード同期では不可能だった高い繰り返し周波数を持つパルス列の発生が可能となった。例えば、上記した市販で最も帯域の広い特性を持つ４０ＧＨｚの位相変調器と１６０ＧＨｚのＦＳＲをもったファブリペロフィルターを用いて４次のモード同期を行えば、１６０ＧＨｚの繰り返し周波数でパルス列の発生が期待できる。
【００１６】
しかしながら、前記の従来の高次モード同期レーザパルス発振器では、長時間に亘ってパルスを発生するとき、構成部材の温度変化による伸縮や光学特性の変化によって共振器の光路長が変化する、あるいは振動環境での使用においては、構成部品の振動により光路長が変化するため、基本繰り返し周波数ｆrに変化が生じ、モード同期の条件、数１、が長時間においては、満たされないという問題があった。即ち、従来の高次モード同期レーザパルス発信器では、特に、光ファイバー温度の上昇等により共振器における光路長が変化し、外部変調周波数と基本繰り返し周波数の高調周波数の間でずれが発生し、モード同期が旨くかからなくなってくる。その結果、レーザ共振器におけるパルスの幅、及びスペクトル特性が時間とともに変化する問題があった。
【００１７】
次に、レーザの共振器内の温度がΔｔだけ変化した場合、外部変調周波数と基本繰り返し周波数の高調波周波数の間でどれだけずれが生じるのを説明する。温度変化がΔｔのときの、光ファイバーの長さの変化分を、ΔＬ、とすると、Δｔ、ΔＬは共に微小なので、次の比例関係にあるとみることができる。
【００１８】
【数３】
0003629515.tif 000004
【００１９】
ここで、Ｌは温度変化前のレーザ共振器の光路長、αは光ファイバー線膨張率である。
【００２０】
温度変化前の変調周波数をｆm（＝Ｎ・ｆｒ）とすると、温度の変動により生じた最適モード同期の変調周波数と実際の変調周波数のずれΔｆは、次のようになる。
【００２１】
【数４】
0003629515.tif 000005
【００２２】
例えば、共振器内の温度が、０．１℃変化した場合、Ｌ＝５０ｍ、ｆm＝４０ＧＨｚ、α＝１０-5とすると、数３、数４より、ΔＬ＝５０μｍ、Δｆ＝４０ｋＨｚとなる。
【００２３】
このように、共振器の温度上昇により光路長の変化が起こり、レーザの基本繰り返し周波数が変化する。このようなことを防止するために、通常のモード同期レーザ（この場合は、パルスの繰り返し周波数ｆ0＝変調周波数ｆm）の安定化方法として、１）パルス位相同期法や、２）ファブリペローフィルターを用いて安定化を行う方法が、知られている。これらを以下に説明する。
【００２４】
１）  パルス位相同期法（ＰＵＬＳＥ  ＰＨＡＳＥ  ＬＯＣＫＩＮＧ）
ＳＨＡＮ  氏らは文献４（ Shan et al.,"Stabilizing Er fiber soliton laser with pulse phase locking", X. Electronics Letters, vol. 28, No. 2, p. 182-184, 1992.）においてモード同期レーザの安定化方法について報告している。
【００２５】
図２はこの安定化法に基づくレーザ装置を示す。図２の装置では、エルビウムドープ光ファイバー２０１、変調器２０５、偏光調整器２０３、光分岐器２０４、および光アイソレータ２０６が、光ファイバーを用いてリング状に接続され、共振器が構成されている。また、共振器中に光ソリトン効果発生するため、階段状の屈折率を持った光ファイバー（Step Index Fiber）２０２が設置されている。また、エルビウムドープ光ファイバーは電歪素子（ＰＺＴ）２１４に巻かれており、この電歪素子（ＰＺＴ）２１４は、安定化を行うための帰還回路の一部を構成している。
【００２６】
この帰還回路では、出力のレーザパルス光の一部を光検出器２１５に入力し、これによって得られる電気パルス信号を増幅器２１１を用いて増幅し、狭いバンドパスフィルター２１２を通す。これによって、変調周波数と同じ周波数をもった正弦関数の電気信号成分を取り出す。さらに、この正弦関数の信号と、変調器を駆動する電気信号との位相差を、ミクサー２１３を用いて検出し、この位相差信号を帰還回路の誤差信号として用いる。高電圧増幅器によりこの信号を増幅して、ピエゾ電気効果を示すＰＺＴに印加し、それを変形させる。つまり、ＰＺＴに加える電圧の調整によってＰＺＴに巻かれているエルビウムドープ光ファイバーの軸方向への長さの調整を行って、温度変化による共振器の光路長の変化を打ち消すような補正を行う。このようにレーザ共振器の光路長を常に一定に保つことから安定な動作が可能となっている。
【００２７】
上記の方法は、モード同期レーザの安定化のため非常に効果的であるが、この方法を適用するためには、上記の説明から分かるように、帰還回路に含まれている光検出器２１５、増幅器２１１、バンドパスフィルター２１２、およびミクサー２１３、がパルスの繰り返し周波数の帯域で動作できなければならない。特に、パルスの繰り返し周波数が１００ＧＨｚ以上の領域では、光検出が困難となり、しかも増幅器、バンドパスフィルター、ミクサーが高価なものとなり、製造コストの上昇を招いている。
【００２８】
さらに、高次モード同期を行う場合には、レーザから発生するパルスの繰り返し周波数と発振器からの信号の周波数は同じでないため（Ｋ対１）、誤差信号の発生のためさらなる工夫が必要となり、上記のままでは、高次モード同期レーザには適用できないのが明らである。
【００２９】
２）ファブリペローフィルターを用いて安定化を行う方法
通常のハーモーニックモード同期レーザ（この場合は、パルスの繰り返し周波数ｆ0＝変調周波数ｆm）の安定化を行うため前記のような高帯域検出器や、増幅器、バンドパスフィルターなどのＲＦ素子を必要としない安定化方法は、ジョージ  トレイド  ハーヴェイによって文献５（特許第２７２４２７８号公報）あるいは文献６（米国特許第ＵＳ５２７４６５９号）に記載されている。
【００３０】
図３はこのようなレーザ装置の構成を示す。このレーザはエルビウム増幅器１５、光カプラー１３、２７、ポンプレーザ１４、アイソレータ２８、変調器１８、偏光コントローラ１７、電子オシレータ１９、ファブリーペロ共振器２４、長さ調整装置３２、およびこれらをループ状に繋ぐ単一モード光ファイバー１２から構成されている。
【００３１】
長さ調整装置３２では、レーザ光路からビーム３３とビーム３４が引き出されている。次に、このビーム３３と３４とは、単一の楔状状エタロン３７に導かれ、その用いる場所の違いで構成される第１及び第２のファイルターを通過する様に配置される。また、リングレーザ共振器を構成するビーム３５はエタロンのビーム３３とビーム３４とが通過するそれぞれの部分の中間を通るように構成されている。差動増幅器４２は、検出器３９、４０で検出した光の強度差を検出し、光路長調整器４３でリングレーザ光路の長さを調整して、レーザ温度の変化による光路長の変動を補償する。
【００３２】
この発明では、レーザの閉ループリングの光路長の微小な変化の補償に使用できる誤差信号を発生させるために、ファブリペロー共振器２４の特性を、変調周波数によって決まる周波数から僅かに離調または偏移させる。図４（ａ）  は、ファブリペロー共振器のＦＳＲがパルス繰り返し周波数に正確に等しく同調した周波数からｄｆだけ、離調していることを示す。安定化を行うために必要な、この離調量ｄｆは基本繰り返し周波数ｆrより小さい、すなわちｄｆ＜ｆrであり、これはこの方法の特徴の一つとなっている。このようにファブリペロー共振器をわずかに離調させると、リングの長さの微小な変化を、出力光の波長または周波数の変化を通して、次に説明するように、電気信号として検出することができる。
【００３３】
図４（ｂ）  に示したように微小な光路長の変化が、ファブリペローモードＲ４内のレーザの閉ループリングの光路長によって決まるリングモードＭ２を僅かに右に移動させると、その周波数における伝送強度は激減するが、他方で、ファブリペローモードＲ３  に対応するリングモードＭ２を最大出力領域に移動させることになる。この結果、微小な光路長の変化はモードＲ３  により較正される周波数のスペクトル強度を著しく増大させ、そして、モードＲ５により較正される周波数のスペクトル強度を低下させる。また、Ｍ２を反対方向に移動させるリング長の変化は、ファブリペロー共振モードＲ５により較正される周波数のスペクトル強度を著しく増大させる。従って、共振器Ｒ４  内でＭ２  が右へ移動すると、モードＲ３内の光強度が増大し、逆に、Ｒ４  内でＭ２  が左へ移動すると、Ｒ５内の光強度は他のファブリペローモードＲに関して増大する。これにより、光路長の微小な変化は、出力周波数の変化を引き起こし、スペクトル強度分布にを変えてしまう。この強度分布は、次の様にして検出することができる。
【００３４】
図３に、リングレーザ共振器を伝搬する光の周波数変化を検出して、このような周波数変動に応じて光リングの光路長の調整を自動的に行うための装置３２が示されている。この装置３２においては、その光路から２本の光ビーム３３および３４を引き出すために、ビームスプリッターが使用されている。ここで、ビーム部分３５はリングの光路の一部を構成している。ビーム部分３３、３４および３５は全て楔状エタロン３７を含めて、光路を形成している。このエタロン３７は図示されているように、テーパ付の石英体である。ここでは、ビーム３３はエタロンの比較的薄い部分を通して伝送され、ビーム３４は比較的厚い部分を通して伝送される。
【００３５】
次に、図５を参照して、この装置３２の効果を説明する。図５は、楔状エタロンの位置による特性の違いを示す図である。このエタロンは３本のビームの各々について光フィルターを構成している。この特性を図５に示す様に、曲線５５はビーム３５の光パスバンドを示し、曲線５４は光ビーム３４のパスバンドを示し、曲線５３はビーム３３のパスバンドを示す。周波数ｆｃ  上におけるパスバンド５４および５３の交差Ｃは、パスバンド５４および５３が周波数ｆｃ  に対して対称的であることを意味する。また、ビーム３３および３４の強度は検出器３９および４０により検出されので、パスバンド５５および５４の周波数依存性により、光周波数の変化は検出器３９および４０により検出される。これらの検出信号は、差動増幅器４２に入力され、差動増幅器４２の出力は光路長の調整装置４３に入力される。長さ調整装置４３は、以上の様に、温度変化等による光路長の変化を検出した信号をもとにリングレーザの光路長を等価的に一定になるように調整する。
【００３６】
上記の説明から明らかなように、図３のファブリペロー共振器２４のわずかな離調は、光路長の変化を補償する際に用いる差動増幅器４２からの差動電圧を、発生するのに極めて有効である。すなわち、図４（ａ）および図４（ｂ）に示されるように、微小な光路長の変化は共振器モードＲ３およびＲ５  での光強度の大きな変化を引き起こし、次いで、この光強度の大きな変化は、電気信号に変換され、差動増幅器により増幅されることにより、光路長調整器を駆動することになる。ここで、特筆すべきは、図４（ａ）および図４（ｂ）に示される離調がなければ、リング共振器の光路長の変化に対応した、光路長調整を行うための差動電圧を発生させることは期待できないことである。
【００３７】
この方法の欠点として、ファブリペロフィルターのバンド幅ＢＷはレーザの基本繰り返し周波数ｆrに比べ非常に大きくなった場合、つまりＢＷ＞＞ｆrの場合に旨く働かないという問題がある。この理由を以下に説明する。
【００３８】
ＢＷ＞＞ｆrの場合のファブリーペロモードＲｎと発振器モード及び共振器縦モードとの関係が例えば図１５に示すものであったとする。図１５は、バンド幅ＢＷ＝１０×ｆr、また、ＦＳＲ＝ｆm−ｄｆとする例を示している。実線で示したモードＭ２は発振しているモードを示し、点線のモードはＭ２が発振したため、発振が抑えられているＭ２付近での縦モードの位置を示す。上記の文献５に示された従来のファブリペロによる安定化方法によると、誤差信号を発生するための離調の量ｄｆはｆrより小さい値（ｄｆ＜ｆr）として選ぶ必要がある。しかし、図１５に示す場合は、この様な場合に、モードＭ２が温度変化のため右或いは左に移動しても、この変移量はバンド幅ＢＷに比べ小さく、図４に示すような検出ができる程度の強度の変度として得ることは困難である。
【００３９】
文献５の実施例では、共振器のモード間隔ｆr＝７ＭＨｚに対し、ファブリぺロフィルタのモードＲの幅は１６ＭＨｚで、ＦＳＲは約２．５ＧＨｚで、離調量ｄｆは１００ＫＨｚ程度であった。従ってフィルターのバンド幅ＢＷと基本繰り返し周波数ｆrの関係は、ＢＷ／ｆr＝２．３であり、極めて小さい値であるのがわかる。また、ＦＳＲは変調周波数と同じ程度であるため、フィルターのフィネス（ＦＩＮＥＳＳＥ）（＝ＦＳＲ／ＢＷ）はｆm／ＢＷに近い値となる。変調周波数を上げれば（例えばｆm＝４０ＧＨｚにした場合）、上記のレーザ構造で必要なフィネスの値は２５００となる。このような高いフィネスを持つファブリぺロフィルターの製作や使用は実用上困難である。
【００４０】
さらに、安定に動作を行うためには、ｆmはＦＳＲ−ｆr＜ｆm＜ＦＳＲ＋ｆrの範囲に設定することが必要とされるが、変調周波数あるいはパルスの繰り返し周波数を２×ｆr以上変えることができないという問題があった。
【００４１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の安定化されたモード同期レーザでは、次の様な問題があった。
【００４２】
同期法、においては、帰還回路に含まれている光検出器２１５、増幅器２１１、バンドパスフィルター２１２、およびミクサー２１３、がパルスの繰り返し周波数の帯域で動作できなければならない。しかし、パルスの繰り返し周波数が１００ＧＨｚ以上になる場合、光検出が困難となり、しかも増幅器、バンドパスフィルター、ミクサーが高価なものとなり、製造コストが上昇してしまう。
【００４３】
さらに、この方法で高次モード同期を行う場合には、レーザから発生するパルスの繰り返し周波数と発振器からの信号の周波数は同じでないため（Ｋ対１）、誤差信号の発生のためさらなる工夫が必要となり、このままでは、高次モード同期レーザには適用できない。
【００４４】
また上記の、２）ファブリペローフィルターを用いて安定化を行う方法、では、ファブリペロフィルターのバンド幅ＢＷはレーザの基本繰り返し周波数ｆrに比べ非常に大きいＢＷ（＞＞ｆr）の場合に旨く働かないという問題がある。数十ＧＨｚまたは１００ＧＨｚ以上の繰り返し周波数で安定にパルスを発生するためには、ファブリペロフィルターのＢＷはｆr程度に選ぶ必要があるため、非常に大きいフィネスのものを必要とされ、製作及び使用上問題があり、コストも高くなっている。
【００４５】
さらに、この方法の欠点として、周波数の隣接した複数のモードで発振するレーザには適用しづらい、という問題がある。これは、基準となる信号が、隣接した複数のモード間に位置してしまう場合には、帰還信号が得られない、あるいは、得づらいためである。
【００４６】
この発明は上記に鑑み提案されたもので、高い繰り返し周波数のパルスを発生することのできる高次モード同期レーザでありながら、広帯域特性の部品を用いなくても、長時間にわたって周波数安定なパルス発振を行なうことができるモード同期レーザ装置を提供することを目的とする。
【００４７】
上記目的を達成するために、本発明は、モード同期レーザ発振器と、前記モード同期レーザ発振器の光路上にあって前記モード同期レーザ発振器のレーザ光を変調する光変調器と、前記の光変調器を周波数一定の変調信号で動かす信号発生器と、該レーザ発振器の出力スペクトル成分を選択する複数の光バンドパスフィルター（３１４、３１５）と、上記の光路上に設けられ共振器内で光を一方向へ伝搬させる光アイソレータと、上記の光バンドパスフィルターの出力強度の変化を検出する複数の検出手段と、該検出手段により得られる出力信号を増幅する増幅部と、該レーザ発振器の光路長を調整する光路長調整器と、該増幅器により増幅された信号と上記のモード同期レーザ発振器の光路の分散特性の符号を用いて上記の複数の検出手段の出力信号から導かれる上記の異なる光バンドパスフィルターの出力の強度の変化を抑制するように該光路長調整器を制御する負帰還回路と、を備え、
前記の負帰還回路は、
上記の光路の分散特性が正（Ｄ＞０）の場合で、上記の複数の検出手段の出力信号から、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路長調整器で光路長を伸長（あるいは短縮）し、
上記の光路の分散特性が負（Ｄ＜０）の場合で、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路長調整器で光路長を短縮（あるいは伸長）することを特徴としている。
【００４８】
また、本発明は、モード同期レーザ発振器と、変調信号により該レーザ発振器の光路上にあってそのレーザ発振によるレーザ光を変調する光変調器と、変調された光に含まれる該変調信号の高調波に相当する側帯波を選択するファブリペロフィルター３０５と、上記の光路上に設けられ共振器内で光を一方向へ伝搬させる光アイソレータと、該レーザ発振器の出力スペクトル成分を選択する複数の光バンドパスフィルター（３１４、３１５）と、上記の光バンドパスフィルターの強度の変化を検出する複数の検出手段と、該検出手段により得られる出力信号を増幅する増幅部と、該レーザ発振器の光路長を調整する光路長調整器と、該増幅器により増幅された信号と上記のモード同期レーザ発振器の光路の分散特性の符号を用いて上記の複数の検出手段の出力信号の変化を抑制するように該光路長調整器を制御する負帰還回路と、を備え、
前記の負帰還回路は、
上記の光路の分散特性が正（Ｄ＞０）の場合で、上記の複数の検出手段の出力信号から、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路長調整器で光路長を伸長（あるいは短縮）し、
上記の光路の分散特性が負（Ｄ＜０）の場合で、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路長調整器で光路長を短縮（あるいは伸長）することを特徴としている。
【００４９】
また、本発明は、上記のモード同期レーザ発振器において、１）上記の光変調器の変調周波数と上記のファブリーペロフィルターの自由スペクトル幅とは、それぞれに互いに素である２以上の正の整数ＫとＱとを乗じると互いに等しいという関係にあり、ただし、比Ｋ／Ｑがファブリーペロフィルターのフィネス以下の値となるような、正の整数ＫとＱの組み合わせであり、２）上記の光バンドパスフィルターは、レーザ出力光から該レーザ出力光の発振スペクトルの中心周波数から長波長側と短半波長側とに概ね等しい周波数分離れている２つのスペクトル周波数成分を取り出す２つの光バンドパスフィルターであり、３）上記の光路長調整器は、取り出された上記２つの周波数成分それぞれの平均強度を２つの光検出器を用いて検出する検出手段と、その検出された２つ信号の強度差信号を導く手段と、該強度差信号に従って、上記の光路の分散特性が正（Ｄ＞０）の場合で、上記の強度差信号から、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、上記の光路長調整器で光路長を伸長（あるいは短縮）し、上記の光路の分散特性が負（Ｄ＜０）の場合で、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化したと判定される場合には、光路長を短縮（あるいは伸長）するように光路長調整器を制御する光路長調整器であり、４）変調周波数のＫ倍の繰り返し周波数でパルス列を発生することを特徴としている。
【００５０】
また、本発明は、上記のモード同期レーザ装置に加えて、モード同期レーザ発振器と、変調信号により該レーザ発振器の光を変調する光変調器と、該モード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線の変化を検出する検出手段と、上記の光路上に設けられ共振器内で光を一方向へ伝搬させる光アイソレータと、該検出手段により得られる出力信号を増幅する増幅部と、該レーザ発振器の光路長を調整する光路長調整器と、該増幅器により増幅された信号と上記のモード同期レーザ発振器の光路の分散特性の符号を用いて、上記の包絡線の変化を抑制するように該光路長調整器を制御する負帰還回路と、を備えるモード同期レーザ装置であって、
上記の包絡線の変化を検出する検出手段は、上記のモード同期レーザ発振器の発振スペクトルの中心周波数から長波長側と短半波長側とに概ね等しい周波数分離れている２つのスペクトル周波数成分を取り出す２つの光バンドパスフィルターと、取り出された上記２つの周波数成分それぞれの平均強度を２つの光検出器を用いて検出する検出手段と、その検出された２つ信号の強度差信号を用いる検出手段であり、
上記の負帰還回路は、該強度差信号と上記のモード同期レーザ発振器の光路の分散特性の符号に従って、上記の光路の分散特性が正（Ｄ＞０）の場合で、上記の複数の検出手段の出力信号から、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化した場合には、上記の光路長調整器で光路長を伸長（あるいは短縮）し、上記の光路の分散特性が負（Ｄ＜０）の場合で、上記のモード同期レーザ発振器のレーザ発振のスペクトルの包絡線が低周波数側（あるいは高周波側）に変化した場合には、上記の光路長調整器で光路長を短縮（あるいは伸長）するように光路長調整器を制御する負帰還回路であり、
変調周波数と同じ繰り替えし周波数でパルス列を発生することを特徴としている。
【００５１】
また、本発明は、分散特性を最適にするために、分散特性を検出する光路中に、光路の分散を調整する分散調整手段を備えることを特徴としている。
【００５２】
また、本発明は、安価な部品で分散特性を最適にするために、分散調整手段は、予め決められた分散値と長さとを持つ光ファイバーであることを特徴としている。
【００５３】
また、本発明は、小型の部品で分散特性を最適にするために、分散調整手段は、チャープドブラッググレーティングであることを特徴としている。
【００５４】
また、本発明は、光路長を安定化を行う上記のモード同期レーザの出力光の発振波長を調節するため、上記の２つのバンドパスフィルターは、それぞれフィルター特性を変える事が可能であり、かつ、そのそれぞれのフィルター特性を、モード同期レーザ装置の使用前あるいは使用中に、予め決められたそれらのフィルター特性間の関係を保つように変える手段を備えたことを特徴としている。
【００５５】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の動作原理を以下に示す。以下では、文献３に示された超高速繰り返し周波数の高次モード同期レーザを、長時間に亘って安定に動作させる構成を基にした本発明の例を示す。
【００５６】
まず、文献３のレーザ装置の動作原理を、一定の周波数ｆmで変調を行い、その整数倍（Ｋ×ｆm）と等しいＦＳＲを持つファブリペロフィルターを利用したＫ次モード同期を行う場合について、図６を参照して以下に説明する。図６は、正の分散パラメータＤを持つレーザ共振器におけるファブリペロー共振器のＦＳＲとパルス繰り返し周波数と発振スペクトルの包絡線との位置関係を示す模式図である。
【００５７】
温度変化による共振器の光路長Ｌの共振器で、変化前の状態での、つまりΔＬ＝  ０の場合の、発振スペクトルを図  ６（ｂ）  に示す。モード同期光パルスのスペクトル内に存在する発振モードをそれぞれ、Ｍ−３，  Ｍ−２，  Ｍ−１，  Ｍｏ，  Ｍ＋１，  Ｍ＋２，  Ｍ＋３、とするとき、これらは図６（ａ）に示すファブリペロフィルターのそれぞれの透過モード  Ｒ−３，  Ｒ−２，  Ｒ−１，  Ｒ０，  Ｒ＋１，  Ｒ＋２，  Ｒ＋３  のピーク周波数値と一致しており、  中心周波数＝ν0に対し概ね対称的なスペクトルを構成している。即ち、それぞれのモードＭ−１、Ｍ−２．．．．の強度は、それぞれＭ＋１と  Ｍ＋２．．．．と概ね等しいと考えられる。この様に、スペクトル中のそれぞれのモードの周波数はＦＳＲの周期的透過特性によって決まり、発振モード間隔はＦＳＲと等しい。このため、図に示しているように発振モードそれぞれは、ファブリペロの透過モードと一致している。従って、ファブリペロフィルターの温度が一定であり、その特性が変化しない場合、これの透過モードＲ−３  ．．．．．  Ｒ＋３  の波長も一定であると考えられる。本発明は、前記のファブリペロフィルターを用いた文献５あるいは文献６の構成とは違い、パルスの繰り返し周波数とＦＳＲの間で離調を必要としないのが特徴である。
【００５８】
発振波長付近でレーザ共振器の分散値Ｄが無視できない場合は、スペクトル中の周波数成分はそれぞれ異なる群速度で光ファイバーレーザ共振器を通過することになる。この場合、スペクトル包絡線のピークに相当する周波数での、共振器の光路中での群速度がｖgであれば、平均基本繰り返し周波数はｖg／Ｌで与えられ、モード同期の条件を表わす数１は以下の数５のように書き換えられる。
【００５９】
【数５】
0003629515.tif 000006
【００６０】
ここで、β1＝１／ｖg＝δβ／δωであり、βは伝搬定数、また、ωは光の角周波数を示す。ここで、β1は波長の関数である。変調周波数ｆmを一定とすると、共振器の光路長Ｌは、周辺の温度変化によって微小にΔＬ分変化した場合、発振スペクトルの中心周波数も微小にΔω分シフトする。これにより、温度変化後の状態においても、数５を満たせるようにスペクトルの包絡線が移動することとなる。次に、共振器の光路長がΔＬ分変化した場合、スペクトルの包絡がどのぐらいをシフトするかを説明する。
【００６１】
ｆmを定数とし、数３を光の波長λについて微分し、共振器の分散値Ｄ＝δβ1／δλを導入すれば、
【００６２】
【数６】
0003629515.tif 000007
となる。ここで、ν（＝ω／２π）は光の周波数である。
【００６３】
数６から共振器の光路長がわずかに、ΔＬほど変化すれば、前記のスペクトルの包絡線の中心周波数のシフト量は、次のようになる。
【００６４】
【数７】
0003629515.tif 000008
【００６５】
Ｄが正の場合、共振器の光路長が大きくなったとき（ΔＬ＞０）、スペクトルの中心周波数も大きくなる。同様に、共振器の光路長が小さくなった場合（ΔＬ＜０）、スペクトルの中心周波数も小くなるのが解る。
【００６６】
共振器の光路長の変化ΔＬによって起こるスペクトルの包絡線のシフトを図６に示す。このように、共振器の光路長が変化すると、発振スペクトルの包絡線が変化前の中心周波数ν0に対し右あるいは、左に移動する。しかし、発振モードぞれぞれの位置が固定しているため、包絡線が移動しても、変化後のモードＭ−１とモード  Ｍ＋１の強度が変化するのみで位置はフィルターのバンド幅に比較し殆ど変わらない。図６から、Ｄ＞０において、共振器の光路長が小さくなった場合、図６（ｃ）に示した様に、Ｍ−１がＭ＋１に比べ強くなることになる。また逆に、共振器の光路長が伸びた場合、図６（ｄ）に示す様に、Ｍ＋１モードがＭ−１モードに比べ強くなるのが分かる。従って、変化以前の中心周波数ν0から両側に同じ周波数分だけ離れているモードの強度差から共振器の光路長の変化量、または強度差の符号から共振器の光路長が大きくなったかあるいは小さくなったかが分かる。
【００６７】
分散値Ｄが負の場合には、光路長の変化と各モードとの関係は図７の様になることが分かる。
【００６８】
以上のことから、光路長の微小な変化は、出力周波数スペクトルの包絡線の変化を検出することにより検出可能であることが分かる。
【００６９】
ここで、特筆すべき点は、共振器内に用いるファブリーペロフィルターのＦＳＲはパルスの繰り返し周波数に必ずしも離調する必要のないことである。このことから、発振スペクトルの中心から大きく離れている発振モードも共振器内のファブリーペロフィルターのパスバンドと一致することができ、その結果として、広いスペクトルで発振させことが可能となり、広いスペクトルの特性として短いパルスを発生させることが可能となる。
【００７０】
次に、この現象を利用し高次モード同期レーザ周波数を安定に動作させる方法を図８用いて説明する。図８に示す構成は、発振周波数の安定化を行うため、光ファイバーレーザの出力から光分岐器３１２および３１３を用いて、第１の光成分３３０と第２の光成分３４０を取り出し、それぞれ光バンドパスフィルター３１４と光バンドパスフィルター３１５を通過させる。ここで、図９に示すように、光バンドパスフィルター３１４のパスバンドが中心周波数ν0から−νｆ、第２フィルターのパスバンドの中心周波数ν0から＋νｆ程度だけ離れているように設定する。ここで、νｆの値はスペクトル幅（半値全幅）の半分以下の値とする。光バンドパスフィルター３１４、３１５を通過する光それぞれの短時間の平均強度を、光検出器３１６および３１７を用いて検出し、それらの平均強度の差を用いてレーザの共振器の光路長を自動的に調節する帰還回路を設けている。
【００７１】
ここで、フィルター１と２のパスバンドは周波数依存性をもつので、光パルススペクトルの包絡線の変化は、検出器３１６および３１７により検出された光強度の変化として検出される。これらの検出器の出力は差動増幅器３１８に入力される。また、差動増幅器３１８の出力は、良く知られた積分型の非線型制御装置３２７で信号変換を行い、増幅器３１９を用いて増幅された後、光路長調整器３２０に入力される。光路長調整装置は、このような出力に従ってリングレーザ光路の長さを調整する。
【００７２】
また帰還回路の誤差信号の強度は、スペクトルの包絡線が共振器の光路長の変化によりどれほど大きく移動するかによって決まる。具体的には、数７から、光路長の変化に対し、包絡線のシフトは分散値Ｄにより決まることが分かる。従って、共振器の分散を最適な値に調整することが望ましい。このように、分散値を調整する方法としては、共振器中に適当な分散と長さを持つ光ファイバーを設ける方法がある。例えば、分散値がＤで、光路長がＬの共振器中にそれとは異なる分散Ｄｃ、光路長Ｌｃの光ファイバーを挿入すると、新しい共振器の実効分散値は、（Ｄ・Ｌ＋Ｄｃ・Ｌｃ）／（Ｌ＋Ｌｃ）となる。従って、分散調節用光ファイバーの長さと分散を適当に選ぶことによって実効分散値Ｄの値は正または負にすることができ、値も自由に変えられる。この実効分散の符号と、また光路長調整器の伸び縮みと印加電圧の符号との関係とを調べておき、光路長調整用回路が負帰還型になるように誤差信号の符号を調整して光路長調整器に電圧を印加する必要があることは明らかである。
【００７３】
分散値を調整する方法としては、上記の方法に限る理由は無く、他の分散特性を持った光学部品を挿入すれば良い。この目的に使えるものとしては、例えば、チャープドファイバーブラッググレーティング（ＣＨＩＲＰＥＤ  ＦＩＢＥＲ  ＢＲＡＧＧ  ＧＲＡＴＩＮＧ）を用いる事ができる。
【００７４】
上記の説明では、共振器中にファブリペロ共振器を含むレーザ構造について説明したが、数５、数６、数７が示すように、光路長の変化ΔＬ、スペクトル包絡線のシフト量Δνと、共振器の光路の波長分散Ｄの関係は、共振器中にフィルターがない場合にも同じく適用できるのがわかる。従って、レーザの波長分散特性を用いて光路長制御を行う上記の帰還回路は、共振器中にファブリペロフィルターを利用しない通常のモード同期レーザの場合においても同様に適用できるのが明らかである。
【００７５】
【実施例】
上記の動作原理に基づく本発明の実施例を以下に示す。なお、同様な機能をもった素子や装置には同じ符号を用いるものとする。
【００７６】
［実施例１］
図８のブロック図は、本発明のレーザパルス発振の実施の一例を示すものである。図８において、レーザ共振器は、希土類添加光ファイバー３０１、光アイソレータ３０４、光分岐器３０７、光路長調整器３２０、分散調整用光ファイバー３０８、光変調器３０６、ファブリーペロフィルター３０５、光アイソレータ３０４をリング状に繋いで構成されている。希土類添加光ファイバーとしては、波長１．５５ミクロンの波長領域で使用する場合には、エルビウムを添加した単一モード光ファイバー（エルビウムドープト光ファイバー）を用いる。このエルビウムドープト光ファイバーは励起光源３０２を用いて励起され、共振器内のレーザ光に利得を与える。光アイソレータ３０４は、共振器内で光を一方向へ伝搬させるとともに、反射の影響を最小限にするため用いている。高繰り返し周波数でモード同期をとるための変調器として位相変調器（例えばニオブ酸リチウムの導波路をもつもの）を用いる。ファブリーペロフィルターは高次モード同期を行うために用いる。ここで、Ｋ次のモード同期を行うため、ファブリーペロフィルターの自由スペクトル幅（ＦＳＲ）は、変調周波数との関係において、ＦＳＲ・Ｑ＝ｆm・Ｋであり、ＱとＫとは互いに素であるように、つまりその最大公約数は１であるように選ばれている。但し、ＫとＱとの比、Ｋ／Ｑは、ファブリーペロフィルターのフィネス以下の値とする。また、ファブリーペロフィルターの透過特性を一定に保つため、温度調整を行う。共振器の平均分散を調整するため、特定の長さと分散値を持つ分散調整用光ファイバー３０８を共振器内に設置する。出力を取り出すため光分岐器３０７、３１２を用いる。
【００７７】
周波数の安定化を行う帰還回路３２４は、光分岐器３１３、光バンドパスフィルター３１４、３１５、光検出器３１６、３１７、差動増幅器３１８、積分型の非線型制御装置３２７、増幅器３１９、と光路長調整器３２０から構成されている。安定化を行うため、光ファイバーレーザの出力から光分岐器３１２および３１３を用いて、第１の光成分３３０と第２の光成分３４０とを取り出し、それぞれ光バンドパスフィルター３１４と光バンドパスフィルター３１５とを通過させる。ここで、図９に示すように、光バンドパスフィルター３１４のパスバンドが中心周波数ν0から−νｆ、光バンドパスフィルター３１５のパスバンドの中心周波数ν0から＋νｆだけ離れているように設定する。ここで、νｆの値はスペクトル幅（半値全幅）の半分以下の値になるように選択する。光バンドパスフィルター３１４あるいは光バンドパスフィルター３１５を通過する光について、それぞれの短時間平均強度を光検出器３１６、３１７を用いて検出する。これらの平均強度の差を差動増幅器３１８を用いて取り出し、得られた電気誤差信号を積分型の非線形制御装置３２７を通して増幅後、光路長調整器３２０に入力する。光路長調整器３２０はこのような出力の関数としてリングレーザの光路長を調整する。
【００７８】
光路長調整器として、円筒形の圧電素子にシングルモード光ファイバーを巻いたものを用いる。その他の光路長調整器としては、光ファイバー上に金属をコートし、この光ファイバーの両端間で電流を流しその発熱の温度変化による熱膨張で光路長を調整しても良く、このような光ファイバーは既に良く知られている。
【００７９】
このようなレーザ発振装置を偏波保持型にしたい場合は、共振器中に含まれるすべての光学系素子及びそれを結ぶ光ファイバーを、偏波保持型にすればよい。また、とくに偏波保持型にする必要がない場合には、共振器中に含まれるすべての光学系素子及びそれを結ぶ光ファイバーを、偏波保持型にする必要は無いが、出力強度や周波数について安定動作をさせるには、偏光調整器を用いることが望ましい。
【００８０】
［実施例２］
上記したように、レーザを偏波保持状態で動作させるためには、共振器中に使用する素子や、それを接続する光ファイバーを偏波保持型にする必要がある。たとえば、実施例１において、共振器の分散を調整するため用いる分散調整用光ファイバー３０８も偏波保持に用いる必要がある。しかし、適当な分散値を持つ偏波保持光ファイバーがない場合、その代わりとして、偏波保持型ではないものを利用する例を図１０に示す。図１０の共振器は実施例１の場合に比較して、偏波面分岐器３２２、及び、ファラディー回転子ミラー３５１で構成される線形的な光学系を用いる点が異なっている。ファラディー回転子ミラーによる偏波の９０度の回転を補償するために、偏波保持光ファイバーの類似の軸が直角に接続されているようなファイバー接続部３２３をレーザ共振器の偏波保持リング光路部に用いている。
【００８１】
また、偏波面を保持しないような光学素子や光ファイバーなどはファラディー回転子ミラーと偏波分岐器の間に設置する。このような構成によって、上記の線形的な光学系に含まれる偏波保持ではない素子や光ファイバーなどの複屈折の影響を補償でき、出力では偏波が保持されることになる。
【００８２】
実施例２に記載した偏波保持型の構成について、より具体的に、１５３．８ＧＨｚの繰り返し周波数のパルス列を発生する高次モード同期レーザの例を説明する。利得媒質として、エルビウムが１４１０ｐｐｍ濃度の偏波保持型単一モード光ファイバーを用いた。モード同期のため４０ＧＨｚのＬｉＮｂＯ3の位相変調器を用いて３８．５ＧＨｚから３８．３５ＧＨｚの間で変調を行った。変調度は約３．０ラジアンであった。また４次モード同期を行うために１５３．８ＧＨｚのＦＳＲを持つ光ファイバー型のファブリーペロフィルターを用いた。ファブリペロフィルターの温度の調整を行い、温度の変動は±０．００５℃以下であった。エルビウムドープ光ファイバーを励起するため、波長１．４８ミクロンで動作する出力２００ｍＷの半導体レーザを用いた。また、共振器の実効分散値は、分散調整用光ファイバー３０８を用いて調整した。光路長調整器では、６０ｍの分散シフト単一モード光ファイバーを円筒型の圧電素子に巻いて構成し、その圧電素子に１０００Ｖ電圧を加えたときの実行光路長の変化分は約６．５ｍｍ（往復）であった。図１２（ａ）に、共振器長が適用されて変調周波数において最適である状態での出力のスペクトルの一例を示す。実験で使用したファブリーペロフィルターのバンド幅は７５０ＭＨｚ（Ｆｉｎｅｓｓｅ  は約２００）であった。この７５０ＭＨｚのバンド幅は基本繰り返し周波数約１ＭＨｚに対し７５０倍であった。また、帰還回路中、光バンドパスフィルターとして約１．４ｎｍの半値幅を持つ波長可変なものを二つ利用した。これらのパスバンドの中心の間隔は約２．４ｎｍになるよう調節された。
【００８３】
この状態では、スペクトルの中心周波数に対し、発振モードが対称的である。本発明の方法による制御がかかっていない場合、最適状態から光路長がわずかに大きくなったときのスペクトルの例を図１２（ｂ）に、あるいは小さくなったときのスペクトルの例を図１２（ｃ）に示す。明らかに、スペクトルの包絡線が移動しているのがわかる。この例はＤ＞０の場合である。
【００８４】
本発明の方法により制御された場合の、スペクトルを図１３に示す。この際のパルス波形を図１４に示す。このパルス波形はレーザ出力を３９メートルのシングルモードファイバーを通し、チャープ補償を行った場合の測定結果である。このように、光路長を自動的に一定になるように制御することにより、長時間動作した場合でも、光パルスのスペクトルとパルス波形の変化が起こらないことが確認された。
【００８５】
また、この実施例における構成では、光路長の調整が可能であった分散の値は、‐０．７３２＜Ｄ＜−０．０４６（ｐｓ／ｎｍ）、および、０．０４６＜Ｄ＜０．７０６（ｐｓ／ｎｍ）、であった。これらの値は、用いた光学系部品や電気回路の特性により変わるが、Ｄ＝０の場合は、本発明の方法は適用できないことは数７から明らかである。この様に、分散を持つ光学系で、本発明によるパルス周波数安定化が有効であり、他方、Ｄがゼロに近い場合は、光路長の調整が困難になることが、本発明の特徴の一つとなっている。
【００８６】
さらに、この実施例における構造では、Ｄを上記の範囲内に設定した場合に、変調周波数が最適な変調周波数（ＦＳＲ／４）から両方向へ（増やすか、または減らす）１００ＭＨｚ分変えた場合においても光路長調整器に印加する信号の符号を変えることなく安定に動作することを確認できた。ちなみに、帰還回路の符号の調整は、共振器のＤの符号が変わる場合に限って必要となる。
【００８７】
変調周波数を変えた場合に、光路長調整器３２０に印加される電圧も自動的にそれに応じて変化するため、常に最適なモード同期状態で動作ができた。図１７は、変調周波数を変化させたときの、その印加電圧の変化との関係を示す図である。これらの線形的な関係から帰還回路がうまく動作しているのがわかる。
【００８８】
さらに、帰還回路中の光バンドパスフィルター３１４及３１５のパスバンドの間隔（この場合約２．４ｎｍ）をほぼ一定に保ちながらこれらのパスバンドを長波長または短波長側へ偏移する様に調節することによって、レーザの発振波長を１１ｎｍに渡って変えることができきた。
【００８９】
［実施例４］
上記の繰り返し周波数を安定化したモード同期レーザを実現するためには、共振器中の実効分散値を最適な値に設定することが望ましい。この実効分散値を最適に選ぶ構成としては、図１１に示されているように、共振器中に光サーキレータ３２６とチャープファイバーブラッググレーティング（ＣＨＩＲＰＥＤ  ＦＩＢＥＲ  ＢＲＡＧＧ  ＧＲＡＴＩＮＧ）３２５を用いる構成がある。使用する光サーキュレータ３２６とチャープファイバーブラッググレーティング３２５が偏波保特型ではない場合、変調器３０６と光サーキュレタ３２６の間、或いは光路長調整器３２０と光サーサキュレータの間に偏波調整器を用いればよい。
【００９０】
［実施例５］
図１６のブロック図は、レーザ共振器中にファブリペロフィルターを利用しない通常のモード同期レーザの波長分散特性を用いて光路長制御を行う実施例を示す。図１５において、レーザ共振器は、希土類添加光ファイバー３０１、励起光源３０２、光アイソレータ３０４、光分岐器３０７、光路長調整器  ３２０、分散調整用光ファイバー３０８、光変調器３０６、光アイソレータ３０４をリング状に繋いで構成されている。モード同期を行うため、変調器として良く知られたニオブ酸リチウムの導波路をもつものを用いる。また、共振器の平均分散を調整するため、特定の長さと分散値を持つ分散調整用光ファイバー３０８、または図１１に示すような光サーキレータ３２６とチャープファイバーブラッググレーティング３２５を用いる構成を共振器内に設置する。また、出力を取り出すため光分岐器３０７、３１２を用いる。
【００９１】
さらに、光路の安定化を行うため図１１に示す同様な帰還回路３２４を用いる。光路長調整器として、円筒形の圧電素子にシングルモード光ファイバーを巻いているもの、あるいは上記の様に、光ファイバー上に金属をコートし、この光ファイバーの両端間で電流を流し温度変化により光路長を調整するものを用いることもできる。
【００９２】
この、実施例５の場合も、レーザ発振装置を偏波保持型にしたい場合は、共振器中に含まれるすべての光学系素子及びそれを結ぶ光ファイバーを、偏波保持型にすればよい。また、とくに偏波保持型にする必要がない場合には、共振器中に含まれるすべての光学系素子及びそれを結ぶ光ファイバーを、偏波保持型にする必要は無いが、出力強度や周波数について安定動作をさせるには、偏波調整器を用いることが望ましい。
【００９３】
また、偏波面を保持しないような光学素子や光ファイバーなどをレーザ共振器中に設置するための構成として、図１０に示すような、ファラディー回転子ミラー３５１と偏波分岐器３２２を用いた線形的な光学系を用いることにする。このような構成によって、上記の線形的な光学系に含まれる偏波保持ではない素子や光ファイバーなどの複屈折の影響を補償でき、出力では偏波が保持されることなる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明のモード同期レーザ装置では、共振器の温度の変化があっても、安定な動作が可能となり、高繰り返しモード同期光ファイバーレーザから長時間にわたって安定な波形とスペクトルを持つパルス列を発生することができる。また、現在では困難な１００ＧＨｚ以上の繰り返し周波数で安定なモード同期レーザ装置を実現することが可能となった。
【００９５】
また、この発明は上記した構成からなるので、特に、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００９６】
請求項１に記載の発明では、光路長の変化を光路の波長分散特性を利用して検出し、光路長の帰還信号を生成することができることが容易となり、また、従来の装置に比べて、広い帯域特性を持つ電気素子を必要とせず、またより帯域幅の広いファブリペロフィルター  などを使えるようになったため、製造コストを低減することができる様になった。
【００９７】
また、請求項２に記載の発明では、高次モード同期レーザで光路の波長分散特性を用いて光路長の帰還信号を生成することができる様になり、高次モード同期レーザにより繰り返し周波数の高いパルス発振が容易となり、この領域においても波長分散特性の検出が容易に行なえるため、また、従来の装置に比べて、広い帯域特性を持つ電気素子を必要とせず、またより帯域幅の広いファブリペロフィルターなどを使えるようになったため、製造コストを低減することが  できる様になった。
【００９８】
また、請求項３に記載の発明では、高次モード同期レーザで光路の波長分散特性を用いて光路長の帰還信号を生成する具体的な構成が示されたので、繰り返し周波数について安定な高次モード同期レーザを容易に実現することができる様になった。
【００９９】
請求項４に記載の発明では、通常のモード同期レーザで光路の波長分散特性を用いて光路長の帰還信号を生成する具体的な構成が示されたので、繰り返し周波数について安定な高次モード同期レーザを容易に実現することができる様になった。
【０１００】
また、請求項５に記載の発明では、光路の分散を調整する手段を用いることにより、制御し易い分散係数をもちいて、その光路長を調整することができる様になった。
【０１０１】
また、請求項６に記載の発明では、安価な部品で光路の分散を調整することができる様になった。
【０１０２】
また、請求項７に記載の発明では、小型の部品で光路の分散を調整することができる様になった。
【０１０３】
また、請求項８に記載の発明では、光路長の安定化を行うモード同期レーザの発振波長を調節することが容易にできる様になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の高次モード同期レーザパルス発振器を示すブロック図である。
【図２】従来のパルス位相同期安定化法に基づくレーザ装置を示すブロック図である。
【図３】従来のファブリペローフィルターを用いて安定化を行う方法に基づくレーザ装置を示すブロック図である。
【図４】ファブリペロー共振器のＦＳＲとパルス繰り返し周波数との位置関係を示す模式図であり、（ａ）はファブリペロー共振器のＦＳＲがパルス繰り返し周波数に正確に等しい周波数に対してｄｆだけ離調していることを示す図で、（ｂ）は微小な光路長の変化がファブリペローモード内のレーザの閉ループリングの光路長によって決まるリングモードを僅かに右に移動させた孤とを示す図である。
【図５】楔状エタロンの位置による特性のちがいを示す図である。
【図６】正の分散パラメーターＤを持つ共振器中におけるファブリペロー共振器のＦＳＲとパルス繰り返し周波数と包絡線との位置関係を示す模式図であり、（ａ）はフィルターの透過率を示し、（ｂ）は光路長の変化がない場合のスペクトルを示す図で、（ｃ）は光路長が減少した場合のスペクトルを示す図で、（ｄ）は光路長が増加した場合のスペクトルを示す図である。
【図７】負の分散パラメーターＤにおけるファブリペロー共振器のＦＳＲとパルス繰り返し周波数と包絡線との位置関係を示す模式図であり、（ａ）はフィルターの透過率を示し、（ｂ）は光路長の変化がない場合のスペクトルを示す図で、（ｃ）は光路長が増加した場合のスペクトルを示す図で、（ｄ）は光路長が減少した場合のスペクトルを示す図である。
【図８】本発明の高次モード同期レーザの構成を示すブロック図である。
【図９】バンドパスフィルターと包絡線との位置関係を示す模式図であり、（ａ）はスペクトルと包絡線を示す図で、（ｂ）はフィルターの透過特性を示す図である。
【図１０】レーザを偏波保持状態で動作させる場合に、偏波保持ではないものを利用する例を示すブロック図である。
【図１１】共振器中の実効分散値を最適な値に設定するために、共振器中に光サーキレータとチャープ光ファイバーブラッググレーティング（ＣＨＩＲＰＥＤ  ＦＩＢＥＲ  ＢＲＡＧＧ  ＧＲＡＴＩＮＧ）を用いる例を示すブロック図である。
【図１２】本発明の高次モード同期レーザの出力特性を示す図であり、（ａ）は本発明の方法による制御が共振器に適用された状態での出力のスペクトルを示し、（ｂ）は本発明の方法による制御がかかっていない場合に最適状態から光路長が大きくなったときのスペクトルの例を示し、（ｃ）は本発明の方法による制御がかかっていない場合に最適状態から光路長がわずかに小さくなったときのスペクトルの例を示す図である。
【図１３】本発明の方法により制御された場合のスペクトルを示す図である。
【図１４】本発明の方法により制御されたレーザの出力光を３９メートルのシングルモードファイバーを通し、チャープ補償を行う後の自己相関波形を示す図である。
【図１５】バンド幅（ＢＷ）の広いファブリーペロモードと、発振器モード及び、共振器縦モードとの関係を示す図である。
【図１６】レーザ共振器中にファブリペロフィルターを利用しない通常のモード同期レーザの波長分散特性を用いて光路長制御を行う実施例を示すブロック図である。
【図１７】変調周波数を変化させたときの、その印加電圧の変化との関係を示す図である。
【符号の説明】
１２  単一モード光ファイバー
１３  光カプラー
１４  ポンプレーザ
１５  エルビウム増幅器
１７  偏光コントローラ
１８  変調器
１９  電子オシレータ
２４  ファブリーペロ共振器
２７  光カプラー
２８  アイソレータ
３２  長さ調整装置
３３、３４、３５  ビーム
３７  楔状エタロン
３９、４０  検出器
４２  差動増幅器
４３  長さ調整器
５３  ビーム３３のパスバンド
５４  ビーム３４のパスバンド
５５  ビーム３５のパスバンド
１００、２００、３００、４００、５００、６００  レーザ共振器
１０１  希土類添加光ファイバーアンプ
１０２  光フィルター
１０３  偏波調整器
１０４  光分岐器
１０５  光変調器
１０６  光アイソレータ
１０７  ファブリーペロフィルター
１０８  電気発振器
１０９  増幅器
１１０  温度調整器
２０１  エルビウムドープ光ファイバー
２０２  光ファイバー（Step Index Fiber）
２０３  偏光調整器
２０４  光分岐器
２０５  変調器
２０６  光アイソレータ
２０７  光分岐器
２０８  発振器
２０９  ディレライン
２１０  高圧増幅器
２１１  増幅器
２１２  バンドパスフィルター
２１３  ミクサー
２１４  電歪素子（ＰＺＴ）
２１５  光検出器
３０１  希土類添加光ファイバー
３０２  励起光源
３０３  光結合器
３０４  光アイソレータ
３０５  ファブリーペロフィルター
３０６  光変調器
３０７  光分岐器
３０８  分散調整用光ファイバー
３０９  電気発振器
３１０  増幅器
３１１  温度調節器
３１２  光分岐器
３１３  光分岐器（１：１）
３１４、３１５  光バンドパスフィルター
３１６、３１７  光検出器
３１８  差動増幅器
３１９  増幅器
３２０  光路長調整器
３２２  偏波面分岐器
３２３  偏波軸を９０度回転した状態での接続（融着）
３２４  帰還回路
３２５  チャープフアィバーブラッググレイティング
３２６  光サーキュレータ
３２７  積分型の非線型制御装置
３３０  第１の光成分
３４０  第２の光成分
３５０  単一モード偏波保持光ファイバー
３５１  ファラディー回転子ミラー
【図１】
0003629515.tif 000009
【図２】
0003629515.tif 000010
【図３】
0003629515.tif 000011
【図４】
0003629515.tif 000012
【図５】
0003629515.tif 000013
【図６】
0003629515.tif 000014
【図７】
0003629515.tif 000015
【図８】
0003629515.tif 000016
【図９】
0003629515.tif 000017
【図１０】
0003629515.tif 000018
【図１１】
0003629515.tif 000019
【図１２】
0003629515.tif 000020
【図１３】
0003629515.tif 000021
【図１４】
0003629515.tif 000022
【図１５】
0003629515.tif 000023
【図１６】
0003629515.tif 000024
【図１７】
0003629515.tif 000025