(57)【要約】【課題】波長またはチャネルの選択が外部共振器光路長の調整とは独立して行われる外部共振器レーザ装置および方法。【解決手段】本装置は、波長またはチャネル・セレクタ同調器と、外部共振器同調器を備え、波長同調器は外部共振器同調器から分離される。波長選択および共振器光路長の同調メカニズムは、相互に独立、即ち、相互に直交して作動するように構成される。波長同調器が第１のチャネル選択信号に従って作動し、外部共振器同調器が第２の外部共振器調整信号に従って作動して良い。波長同調器および外部共振器同調器は、同一の、または別々のコントローラの管理下で作動して良い。チャネル選択信号は、コントローラによってアクセスされる調整パラメタ・データのルックアップテーブルから導出されて良い。また、外部共振器調整信号は、外部共振器損失を測定するために構成される検出器からの誤差信号から導出されて良い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部共振器を含むレーザであって、
（ａ）選択されたチャネルに前記レーザを同調するように構成されたチャネル・セレクタ同調器と、
（ｂ）選択された光路長に前記外部共振器を同調するように構成された外部共振器同調器と、
を備え
（ｃ）前記チャネル・セレクタ同調器が、前記外部共振器同調器とは独立に操作可能である、
レーザ。
【請求項２】
（ａ）前記チャネル・セレクタ同調器がチャネル選択信号に従って操作可能であり、
（ｂ）前記外部共振器が共振器モード信号に従って操作可能である、
請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】
前記チャネル選択信号が、前記共振器モード信号からは独立に導出される、請求項２に記載のレーザ。
【請求項４】
（ａ）前記チャネル選択信号が、ルックアップテーブル中のチャネル・セレクタ同調データから導出され、
（ｂ）前記共振器モード信号が、共振器光路長に関する外部共振器損失を測定するように構成される検出器から導出される、
請求項３に記載のレーザ。
【請求項５】
（ａ）前記チャネル・セレクタ同調器が第１コントローラに操作可能なように接続され、ルックアップテーブル中のチャネル・セレクタ同調データに従って操作可能であり、
（ｂ）前記外部共振器同調器が第２コントローラに操作可能なように接続され、共振器光路長に関する外部共振器損失を測定するように構成される検出器から導出された誤差信号に従って操作可能である、
請求項１に記載のレーザ。
【請求項６】
外部共振器レーザ装置であって、
（ａ）波長選択信号に従って透過波長を選択するように構成された波長同調メカニズムと、
（ｂ）共振器モード信号に従って共振器光路長を選択するように構成された外部共振器モード同調メカニズムと
を備え、
（ｃ）前記波長同調メカニズムが、前記共振器モード同調メカニズムとは独立に作動するように構成される、
外部共振器レーザ。
【請求項７】
前記波長選択信号が、前記共振器モード信号からは独立に導出される、請求項６に記載の外部共振器レーザ装置。
【請求項８】
（ａ）前記波長選択信号が、ルックアップテーブルに格納された波長選択データから取得され、
（ｂ）前記共振器モード信号が、共振器光路長に関する外部共振器損失を測定するように構成される検出器から導出される、
請求項７に記載の外部共振器レーザ装置。
【請求項９】
（ａ）前記波長同調メカニズムが第１コントローラに操作可能なように接続され、ルックアップテーブル中の波長同調データに従って操作可能であり、
（ｂ）前記外部共振器同調アセンブリが第２コントローラに操作可能なように接続され、共振器光路長に関する外部共振器損失を測定するように構成される検出器から導出された誤差信号に従って操作可能である、
請求項６に記載の外部共振器レーザ装置。
【請求項１０】
外部共振器レーザ機器であって、
（ａ）波長同調部材と、
（ｂ）外部共振器モード同調部材と
を備え、
（ｃ）前記波長同調部材が、前記外部共振器モード同調部材に対して直交して同調するように構成された、
外部共振器レーザ機器。
【請求項１１】
外部共振器レーザ機器であって、
（ａ）波長同調アセンブリと、
（ｂ）外部共振器光路長同調アセンブリと
を備え、
（ｃ）前記波長同調アセンブリが、前記外部共振器光路長同調アセンブリから分離されて操作可能である
外部共振器レーザ機器。
【請求項１２】
外部共振器レーザ機器であって、
（ａ）光路に沿ってコヒーレントなビームを放射する第１出力面と、第２出力面とを含むゲイン媒体と、
（ｂ）前記光路中に配置され、前記第２出力面と共に外部共振器を画定するエンドミラーと、
（ｃ）前記光路中の前記エンドミラーの前方に位置する波長同調部材と、
（ｄ）前記波長同調部材に操作可能なように接続され、前記波長同調部材を調節するように構成された波長同調アセンブリと、
（ｅ）前記外部共振器に操作可能なように接続され、前記外部共振器の光路長を調節するように構成された共振器光路長同調アセンブリと
を備え、
（ｆ）前記波長同調アセンブリが、前記共振器光路長同調アセンブリとは独立に作動するように構成される、
外部共振器レーザ機器。
【請求項１３】
（ａ）波長同調アセンブリが、波長選択信号に従って作動し、
（ｂ）前記共振器光路長アセンブリが、共振器モード信号に従って作動し、
（ｃ）前記波長選択信号が、前記共振器モード信号とは独立して導出される、
請求項１２に記載の外部共振器レーザ機器。
【請求項１４】
前記波長選択信号が、ルックアップテーブル中の波長同調データから導出される、請求項１３に記載の外部共振器レーザ機器。
【請求項１５】
前記共振器モード信号が、共振器光路長に関する外部共振器損失を測定するように構成される検出器から導出された誤差信号である、請求項１３に記載の外部共振器レーザ機器。
【請求項１６】
前記検出器が、前記ゲイン媒体の両端の電圧変動を測定するように構成された電圧センサを備える、請求項１５に記載の外部共振器レーザ機器。
【請求項１７】
変調部材を更に備え、
前記変調部材が、前記外部共振器に操作可能なように接続され、前記共振器光路長に変調を導入するために構成され、
前記変調が、前記共振器誤差モード信号を導出するのに使用可能である、
請求項１３に記載の外部共振器レーザ機器。
【請求項１８】
前記共振器光路長同調アセンブリが熱同調可能補償メンバーを備え、
前記熱同調可能補償メンバーが、エンドミラーに接続される、
請求項１３に記載の外部共振器レーザ機器。
【請求項１９】
前記光路中に位置するグリッド・ジェネレータを更に備える、請求項１３に記載の外部共振器レーザ機器。
【請求項２０】
外部共振器レーザを同調する方法であって、
（ａ）第１の波長選択信号に従って、第１同調部材によってチャネル・セレクタを同調するステップと、
（ｂ）第２の共振器モード誤差信号に従って、第２同調部材によって外部共振器光路長を同調するステップと
を備え、
（ｃ）前記チャネル・セレクタを同調するステップが、前記外部共振器光路長を同調するステップとは独立に行われる、
方法。
【請求項２１】
前記第１の波長選択信号が、前記第２の共振器モード信号とは独立に導出される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１同調部材による前記同調が、前記第２同調部材による前記同調に対して略直交して行われる、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
（ａ）第１コントローラで前記第１同調部材を制御するステップと、
（ｂ）第２コントローラで前記第２同調部材を制御するステップと
をさらに備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
（ａ）前記第１の波長選択信号を、格納された調整パラメタ・データのルックアップテーブルから導出するステップと、
（ｂ）前記第２の共振器モード誤差信号を、前記外部共振器光路長に関する外部共振器損失を監視するように構成されたセンサからの出力より導出するステップと
を更に備える、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記第２の共振器モード誤差信号を導出するステップが、前記外部共振器に関するゲイン媒体の両端の電圧変調を監視するステップを備える、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の共振器モード誤差信号を導出するステップが、前記外部共振器光路長に周波数変調を導入するステップを備え、
前記周波数変調が前記センサによって検知可能である、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
レーザ装置であって、
（ａ）チャネル・セレクタを調節するための波長同調手段と、
（ｂ）光路長を調節するための外部共振器同調手段と、
（ｃ）前記外部共振器同調手段から前記波長同調手段を分離するための手段と
を備える、レーザ装置。
【請求項２８】
（ａ）前記波長同調手段用の波長選択信号を導出するための手段と、
（ｂ）前記外部共振器同調手段用の光路長信号を導出するための手段と
を更に備え、
（ｃ）前記波長信号を導出する手段が、前記光路長信号を導出する手段とは独立に実行可能である、請求項２７に記載のレーザ装置。
【請求項２９】
前記波長同調手段が、前記レーザの光出力から導出された信号に従ってチャネル・セレクタを動かすための波長選択制御手段を備える、請求項２７に記載のレーザ装置。
【請求項３０】
前記外部共振器同調手段が、前記レーザのゲイン媒体の両端で監視された電圧から導出される信号に従って反射器を動かすための外部共振器制御手段を備える、
請求項２９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、波長またはチャネルの選択が外部共振器光路長の調整とは独立して行われる外部共振器レーザ装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバーによるテレコミュニケーションは、帯域幅の拡大に対するデマンドに常に対応している。帯域幅の拡大を達成する１つの方法として、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）が挙げられ、これは、複数の別々のデータ・ストリームが同時に単一の光ファイバに存在し、各データ・ストリームの変調が別々のチャネルで生じる。各データ・ストリームは、特定のチャネル波長で運転される対応する半導体トランスミッタ・レーザーの出力ビーム上に変調される。また、半導体レーザからの変調された出力は、それぞれのチャネルの送信のために１つの光ファイバ上に統合される。国際電気通信連合（ＩＴＵ）は、現在約０．４ナノメートル、即ち約５０ＧＨｚのチャネルセパレーションを定めている。このチャネルセパレーションに依れば、現在利用可能なファイバおよびファイバ・アンプの帯域幅の範囲内において、１つの光ファイバによって１２８までのチャネルを伝搬する事が可能である。ファイバ技術における改良と、より広い帯域幅へと常に増加するデマンドによって、将来的にはチャネルセパレーションがより狭くなる事が予想される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
帯域幅をより拡大する最近の動向により、狭隘な伝達チャネル間隔に従って注意深い調整および校正が要求される精密で波長を特定したＤＷＤＭ装置が使用される。連続波長可変レーザが、精巧な装置の試験および測定を支援するために開発されている。この種の波長可変レーザは、精密ＷＤＭの構成要素の特徴づけにおいて使用可能なレーザ出力中の調整可能な波長掃引を生じさせるために、通常は外部共振器内の枢動的に調整可能な格子のような同調部材を利用する。
【０００４】
このような波長可変レーザで生じ得る問題の１つとして、レーザ周波数が異なる縦モードに不連続的に変化する「モード・ホッピング」が挙げられる。テレコミュニケーション・トランスミッタとして使用された時、これらのモード・ホッピングは変調されたデータ・ストリーム中の送信エラーを引き起こすであろう。波長可変レーザの設計のために採られる１つのアプローチとして、比較的長い共振器で、細かいモード間隔を使用し、レーザを「準連続的な」方法で同調し、モード・ホッピングが、細かく離間したモード間で発生するという方法がある。この設計の特徴は、運転波長が変更される時にモード・ホッピングが生ずると言う事である。モードそれ自体は制御されず、従って、運転波長を正確にモード・ホッピングの間隔内に同調させることが出来ない。
【０００５】
波長可変レーザに対する別のアプローチは「モードホップフリー」レーザであり、同期中に同一の縦モードにおけるレーザ運転を維持するために、共振器長さが、波長同調メカニズムと同期して変化する。このアプローチは、可能性としては、モード・ホッピングの問題を回避し、全ての波長に同調することが出来るが、調整が同期していなければいけないので、この設計の実施は困難である。
【０００６】
最近のリコンフィギュラブルな光学ネットワーク・アーキテクチャの使用の増加が、同調可能な外部共振器レーザを光通信トランスミッタとして使用する事に結び付いている。一般に、テレコミュニケーション用に使用される同調可能な外部共振器レーザは、試験および計測用に使用される波長可変レーザと同様の様態に構成されており、レーザ波長の出力におけるモードホップフリー同調を実現するために、格子の同調を外部共振器の同調と結び付ける。
【０００７】
しかしながら、この種のモードホップフリー同調は、高帯域ＤＷＤＭシステムに要求されるような狭隘な間隔の送信帯への安定した同調のためには最適では無いという事が知られている。モードホップフリー同調は、実施するのが多くの場合困難であり、格子および光学共振器長さを同調するための特定の回転／並進の関係を提供する特定の、または「魔法の」枢着点を特定するのに多大な時間を要する。
【０００８】
より詳細には、モードホップフリー同調の設計目標は、縦モードの波長を決定する共振器の有効共振器長さの変化、および従って運転における正確な波長と、レーザの多数の縦モードのうちの１つを選択する波長選択フィルタとを結び付けることである。共振器長さおよび波長フィルタリングの間の結び付きが正確でない場合、結び付きが全く無い場合よりは少数の点ではあるものの、モード・ホッピングが同調曲線に沿って生じ得る。より詳細には、共振器モードと波長フィルタとの結び付きは、この変化を運転時の共振器長さおよび波長に直接結び付ける事無く、波長フィルタを調節することを排除する。モードホップフリーのアーキテクチャは、試験および計測用のレーザに対しては好適な設計の選択であり得るが、必ずしも可変波長ＤＷＤＭ送信源に対する最適の設計の選択では無い。
【０００９】
同調された時、ＤＷＤＭトランスミッタは運転時の当初の波長で発光を停止し、次に、第２の、正確に画定された波長において発光を再開しなければならない。一般的に、同調されたチャネルと他の送信チャネルの間のクロストークを引き起こすので、任意の他の波長における発光をシステムに送信する事が出来ない。同調のための１つの方法は、目標波長に直接レーザをモード・ホッピングさせることである。レーザの電源を落とし、遮断し、フィルタリングし、または同調の際に他の波長を回避して同調する事はより実際的であり、これらの予防措置がシステムレベルで、またはソースで講じられて良い。これらの予防措置に際し、チャネル間のレーザの同調時の正確なモード・ホッピングの挙動は重要では無い。目標の波長が正確に達成されることが重要である。運転時の正確な波長を決定する有効共振器長さが正確に制御されなければならない。同調およびシステムへの送信が開始された後にのみ、ソースにおける振幅および周波数変動を引き起こすモード・ホッピングが回避されなければならない。
【００１０】
いくつかのＤＷＤＭシステムにおいて、許容範囲内のビット誤り率でシステム容量を最大限にするために、チャネル周波数が運転中に調節される。テレコミュニケーション・ソースは、広い温度範囲、通常は−５℃から７０℃の範囲で運転されなければならず、有効共振器長さ、フィルタ特性およびレーザの一般的な状態に対するこの温度の影響が考慮されなければならない。熱的補償および精密同調の運転特性は類似しており、テレコミュニケーション・トランスミッタが共振器長さおよび波長フィルターエレメントの正確な制御を行う必要性に結び付く。これらの設計の要件を考慮すると、モードホップフリー同調のアプローチは、試験および計測に対して適用されるのと同様の利点を、ＤＷＤＭソースに対する適用に際しては与えない。波長フィルターエレメントおよび共振器長さを独立に精密制御し、かつ大まかな同調の際のモード・ホッピングの挙動の回避に限定されない、ＤＷＤＭアプリケーションのための波長可変レーザ源の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、波長またはチャネルの選択が外部共振器光路長の調整から独立して実行される外部共振器レーザシステムおよび方法を提供する。一般に、本発明は、波長またはチャネル・セレクタ同調器および外部共振器同調器を備える外部共振器レーザ装置であり、波長同調器は外部共振器同調器から分離されるか結び付いていないか、このような結び付きが最小限にされている。換言すれば、波長フィルタの波長通過帯域の同調の際の有効共振器長さに対する影響を最小限にし、有効共振器長さの調節の際の同調フィルタの通過帯域に対する影響を最小限にするために、波長選択および共振器光路長の同調のメカニズムは、相互に独立しているか、相互に直交するように構成される。
【００１２】
いくつかの実施形態において、第１同調器が、共振器経路長に対する影響を最小限にして同調フィルタの通過帯域に影響し、第２同調器が、同調フィルタの通過帯域に対する影響を最小限にして共振器経路長に影響するように、同調フィルタと共振器経路長は独立かつ直交に同調される。他の実施形態において、同調メカニズムが通過帯域および共振器経路長の両方に影響しても良いが、最終的な効果が、主として通過帯域の調節、あるいは主として共振器経路長の調節であるように、同調メカニズムが調整される。
【００１３】
より詳細には、第１同調器は同調フィルタの通過帯域および共振器経路長の両方に影響しても良く、その一方で、第２同調器は、通過帯域および共振器経路長のいずれかまたは両方に、しかし別々で同じで無い様態で影響しても良い。その後、共振器長への影響を最小限にして同調フィルタの通過帯域を調節する双方の同調器の統合的同調と、通過帯域への影響を最小限にして共振器長を調節する第２の統合的同調が存在する。２つの統合的同調は、「直交」している。
【００１４】
通過帯域の位置が第１のチャネル選択信号に従って作動して良く、共振器長同調器が第２の共振器モード調整信号によって作動して良い。チャネル選択信号は、コントローラによってアクセスされた調整パラメタ・データのルックアップテーブル、あるいは検出器から導出された誤差信号から導出されて良い。共振器モード調整信号は、ルックアップテーブルに格納された調整パラメタから、あるいは検出器からの誤差信号から導出されて良い。検出器は、外部共振器に関するゲイン領域の両端の電圧を測定するために位置し構成された検電器を備えて良い。他の実施形態において、検出器は、外部共振器からの出力を受信するために配置された光検知器を備えて良い。
【００１５】
ある実施形態において、本発明の外部共振器レーザは、第１および第２出力面を備え、光路に沿って第１出力面からのコヒーレントなビームを放射するゲイン媒体を備える。エンドミラーは光路に位置し、また、エンドミラーおよび第２出力面が、レーザの外部共振器を画定する。第２出力面からの出力が光ファイバへカップリングされても良い。チャネル・セレクタが、光路内の第２出力面およびエンドミラーの間に位置する。チャネル・セレクタは、共振器内のフィルタリングの通過帯域に影響する。また、チャネル・セレクタが同調メカニズムに操作可能なように接続される。
【００１６】
チャネル・セレクタは、スペーサ層によって分離された平行の反射表面を備えたエタロンを備えて良い。スペーサ層の光路長を変更する事によって、同調メカニズムがエタロン上で作動する。気体または液体によって充填されたエタロンについては、同調メカニズムは、圧電、熱、圧力、またはマイクロメカニカルなメカニズムを備えて良い。ニオブ酸リチウムまたは液晶のような電気光学物質によって充填されているエタロンについては、同調メカニズムは印加された電界を備えても良い。固体のエタロンについては、同調メカニズムが熱的または機械的であって良い。
【００１７】
他の実施形態において、チャネル・セレクタは、ゲイン領域からのどの波長がゲイン領域まで高効率で回折されるかを確定する表面格子を備えて良い。一般的に、フィルタの形は、高カップリング効率の波長の通過帯域によって包囲される最大カップリング効率の波長を含む。通過帯域の波長は、ビームが格子に衝突する角度を調節する事によって同調されても良い。ビームの中心と格子とが交差する位置に回転中心がある場合、通過帯域は、レーザ共振器の有効経路長の変化を最小にしつつ調節される。格子の平行移動によって、構成要素のビーム経路に沿った並進運動に比例した量に従ってレーザ共振器の有効経路長が変更される。並進運動の際の回転が最小限であれば、並進運動による通過帯域に対する影響は最小限となる。
【００１８】
格子は、格子状の２点に取り付けられたマイクロメカニカル・アクチュエータまたは圧電アクチュエータのような２つの機械的アクチュエータによって駆動されても良い。アクチュエータをこのように配置する事によって、個々のアクチュエータが、格子の並進運動および回転運動の両方に影響する。アクチュエータの影響はそれらの駆動の配位に従って直交して良い。格子の純回転を達成する両方のアクチュエータの第１比例操作、および格子の純並進運動を達成する両方のアクチュエータの第２比例操作が存在する。第１の純回転操作によって、共振器の光路長に対する影響を最小限にしつつフィルタリングの通過帯域が変更され、その一方で、第２の純回転操作によって、通過帯域に対する影響を最小限にしつつ共振器長を変更する。この方式において、格子に接続された２つのアクチュエータによる通過帯域および有効共振器長の直交または独立した調整が格子に対して行われる。アクチュエータの種類および配置は、発明の特定の使用に依存して変更されても良い。
【００１９】
ある実施形態において、１つの回転アクチュエータおよび１つの並進運動アクチュエータが、２つの並進運動アクチュエータの代替として使用されても良い。ビームと格子との間の角度の変化を達成するために、回転アクチュエータは、格子ではなくて、共振器内のビーム中で作動するミラーまたはレトロレフレクション・アセンブリ上で作動しても良い。同様に、液晶あるいは他の電気光学ビームステアリング・デバイスが、回転ミラーの代替として使用されても良い。また、レンズをビーム中に配置し、レンズの焦点面に空間光変調器を配置することによってこの回転が遂行されても良く、それぞれの角度がユニークな空間位置に写像される。液晶空間光変調器、マイクロメカニカルな「デジタル・マイクロミラー・デバイス」およびマイクロメカニカルな格子光弁が、レーザ共振器中に使用されても良い。
【００２０】
ある実施形態において、外部共振器同調器は、エンドミラーが取り付けられる熱膨張部材に熱を加えるように構成された熱電装置を含む共振器長アクチュエータを備えて良い。もしくは、外部共振器同調器は、エンドミラーの位置を動かすように構成された機械的またはマイクロメカニカルなアセンブリであっても良いし、あるいは、外部共振器に関する電気光学部材を備えても良く、電気光学部材は、電気光学部材への電圧の印加によって外部共振器の有効光路長を変えるように構成される。
【００２１】
本発明における外部共振器レーザの運転中に、チャネル・セレクタを同調することによって、外部共振器光路長の同調からは独立した、あるいは本質的に分離された波長強度フィルタリングが提供される。光路長は、運転の正確な波長を決定し、高度の波長精度および安定性を必要とするレーザの運転において注意深く制御されなければならない。チャネル・セレクタは、同調可能な強度フィルタとして動作し、どのレーザ・モードにおいて高強度のレーザ光線が発せられているかを選択する事によって、おおまかに波長を決定する。波長強度のフィルタリングと光路長が分離、または直交している事によって、そうで無い場合に起こり得るチャネル・セレクタに影響を与える振動、温度変動、構成要素の摩耗および他の要因によって生じ得る波長の変化が防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
より詳細に図面を参照して、説明の便宜上、本発明は図１〜図６に示される装置および方法で実施される。本願明細書において開示される基礎概念から逸脱する事無く、装置が構成に関して、および部品の詳細に関して変更され得、また、方法がその詳細およびイベントの順番に関して変更され得ることは言うまでも無い。本発明は、外部共振器レーザの使用に関して、主に開示される。しかし、本発明が他の種類のレーザおよび光学システムによって使用され得る事は、当業者にとって非常に明白である。また、本願明細書において用いられる用語は特定の実施形態を記載する目的のみのために使用されているのであって、制限することを目的としていない事が理解されるべきである。
【００２３】
定常状態のレーザ運転の基本・根本的な物理的な原理は、共振器内の光波の電界が、共振器内を往復動した後に、それ自身を再生するということである。共振器内を光が往復する時間よりもゆっくりとした時間でレーザが変調される場合にも、この条件が当てはまる。電界は、振幅と位相のような２つの実数で決められる複素数である。往復動の一貫性の条件は、振幅と位相の実数値を使って表現される２つの条件となる。光波の振幅は、共振器内を往復動した後に、それ自身を再生する。また、光波の位相は同様にそれ自身を再生する。
【００２４】
本発明は、往復動の位相への影響を最小化しつつ光波の往復動振幅のフィルタリングに影響し、往復動振幅のフィルタリングへの影響を最小化しつつ往復動の位相に別々に影響することが出来るレーザ装置を提供する。位相モジューロ２πが０である場合にのみ、往復位相はそれ自身を複製することができる。全往復位相が０である波長がレーザ・モードと呼ばれ、レーザが作動するただ一つの波長である。
【００２５】
往復位相は、往復光路長を光学ビームの波長で割ったものによって主として決定されるが、エンドミラー以外の光学系の表面からの散乱光と同様に振幅フィルタリングに常に関する小さな移相によってわずかに影響を受ける。共振器の光路長は、レーザ光線を発する波長の全往復位相を一般に意味する。オリジナルの経路長で割られた光路長の変化が、オリジナルの波長で割られた通過帯域の波長の変化の半分未満である場合、共振器内の振幅のフィルタリングの変更に起因する光路長に対する影響は最小である。拡散の振幅が光波の往復の全振幅に比べて小さい時、他の光学系の表面からの拡散の影響は最小になる。
【００２６】
往復振幅は、同調され得るレーザ・モードの相対強度に強く影響を及ぼす。一般に、レーザは、最も高い往復送信モードにおいて作動し、また、他のモードの往復送信が、レーザ光線を発するモードの往復送信の半分未満の場合、通常動作中のこれらの他のモードの強度は、通常はレーザ光線を発するモードの強度の１０００分の１未満になる。この往復振幅フィルタリングは、ゲイン領域におけるゲインおよび全ての光学表面のスペクトル特性を含んでいる。従って、例えば、共振器に配置された光学フィルタがそれらの波長のうちの１つにおいて透過の極大を有していたとしても、ゲイン領域のゲイン・スペクトルの外部の波長の送信は無視出来るであろう。この考慮は、複数の透過ピークと複数の回折の階層を有する格子を有するエタロン・フィルタにとって特に適切である。所望される同調レンジをカバーする高送信通過帯域を有し、同調レンジから外れているレンジにおいて低送信帯を有する静的なフィルタは、レーザの同調レンジの外側において送信の最大値が存在しない往復振幅フィルタリングを達成するために使用されても良い。周期的な送信最大値を備えたグリッド・ジェネレータ・フィルタは、レーザ光線を発することが可能な領域を、最大値近傍にある実質的な送信帯内に制限するであろう。
【００２７】
往復振幅フィルタリングは、所望する同調レンジ内の１つの透過ピーク、およびピークの周囲の高送信通過帯域を備える同調可能フィルタから構成される。このようなフィルタは、例えば、自由スペクトル領域が所望の同調レンジより広いエタロン、表面格子、およびブラッグ／反射格子である。同調可能フィルタは、例えば、複数の透過ピークを有する部材、および該部材のピークから離間した複数の透過ピークを持つ同調可能な部材のような、同様の結果を達成する複数の部材から構成されて良く、これらの部材によって、双方の部材のピークが重なる位置に発生する単一の透過ピークが得られる事と、ピークが重なるようなバーニヤ方式の同調と言う効果がもたらされる。
【００２８】
振幅フィルタリングは、共振器内の往復振幅送信の合計と見なされて良い。また、強度フィルタリングは、振幅フィルタリングの２乗、即ち、共振器内の往復強度送信の合計の２乗と見なされて良い。送信が１つ以上の同調可能な部材によって影響され得るような状況下における共振器内の往復振幅送信の合計のために、同調可能な振幅フィルタリングが提供される。オリジナルの波長で割られた振幅フィルタの通過帯域の中心波長の変化が、オリジナルの経路長で割られた光路長の変化の半分未満である場合、同調可能な振幅フィルタリングに対する共振器経路長の変化の影響は最小である。「モードホップフリー同調」については、オリジナルの経路長で割られた光路長の変化が、オリジナルの波長で割られた振幅フィルタの通過帯域の中心波長の変化と等しいことが注目される。
【００２９】
上記を念頭に置き、直交した波長同調および共振器光路長同調を伴う外部共振器レーザ装置１０を示す図１がここで参照される。外部共振器レーザ１０は、ゲイン媒体１２と、エンド、即ち外部反射部材、即ちエンドミラー１４を備える。ゲイン媒体１２は、従来のファブリーペロー型ダイオード・エミッタ・チップと、反射防止（ＡＲ）コーティングが施された正面１６および一部反射する裏面１８とを備えても良い。外部共振器は、出力面１８およびエンドミラー１４によって境界が定められる。外部共振器の光軸と同一直線上に整列される光路２２を、光路２２を中に配置されるエンドミラー１４と共に画定するために、ゲイン媒体１２は、コヒーレントなビームを正面１６から放射し、放射されたビームはレンズ２０によってコリメートされる。同様に、ゲイン媒体１２の正面１６および裏面１８は、外部共振器の光軸と同一直線上に整列される。外部共振器レーザ１０の出力を光ファイバ（図示されない）へカップリングするために、従来の出力カプラ光学系（図示されない）が裏面１８に対応付けられる。
【００３０】
外部共振器レーザ１０は、グリッド・ジェネレータ部材および同調可能な部材即ちチャネル・セレクタを含んでいて良く、ゲイン媒体１２とエンドミラー１４間の光路２２中に位置するグリッド・エタロン２４およびウェッジ・エタロン２６として図１の中でそれぞれ示される。通常、グリッド・エタロン２４は、光路２２中において同調可能な部材２６の前方に位置し、平行な反射面２８、３０を備える。グリッド・エタロン２４は干渉フィルタとして作用し、グリッド・エタロン２４の屈折率と、面２８、３０間の間隔によって画定されるグリッド・エタロン２４の光学厚さによって、例えばＩＴＵ（国際電気通信連合）グリッドの様な選択された波長グリッドの中央部分の波長と一致する波長において、通信帯域内における複数の送信最大値が生じる。もしくは、他の波長グリッドが選択されても良い。従って、グリッド・エタロン２４は、ＩＴＵグリッドのグリッド線間の間隔に対応する自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有する。従って、グリッド・エタロン２４は、波長グリッドのグリッドラインのそれぞれを中心とする複数の通過帯域を供給するように作動する。後に詳述されるように、グリッド・エタロン２４は、波長グリッドの各チャネル間の外部共振器レーザの隣接するモードを抑制するようなフィネス（自由スペクトル領域÷半値全幅（ＦＷＨＭ））を有する。
【００３１】
グリッド・エタロン２４は固体、液体、または気体によって離間された平行平板であって良く、温度制御による熱膨張と収縮によって面２８、３０間の光学厚さの正確な寸法を画定することによって同調されて良い。もしくは、グリッド・エタロン２４は、面２８、３０の間の光学厚さを変えるために傾斜させる事により、または、電気光学的エタロン材料へ電界を印加する事により、または、気体エタロンの圧力を変える事により、または、スペーサ層に非線形光学材料を使用して第２光学ビームによって光路長を変化させる事により、または、気体または液体エタロンの間隔を熱的、圧電的またはマイクロメカニカルに膨張させる事により同調されても良い。もしくは、グリッド・エタロン２４は、ダイバーによって本願と共に出願され、参照によって本願に援用される「グリッド・ジェネレータの連続同調を伴った外部共振器レーザ」という名称の米国特許出願番号第０９／９００４７４号に記載されるように、レーザの運転に際して、能動的に同調されてもよい。
【００３２】
ウェッジ・エタロン・チャネル・セレクタ２６は、略平行な反射表面３２および３４を備える干渉フィルタとして機能する。ビームが表面に当る領域よりも広い範囲に面３２および３４を延長させる事により、表面３２と３４の間の間隔が、運転時の波長以下の量でレーザ軸に沿って精度良く変更されて良い。テーパ角は、かつレーザビームの全横断面にわたって面３２と３４との間の厚さの変化が無視できるか許容範囲である程度には小さく、かつビームと直交するフィルタの巨視的な動作によって面３２と３４との間の微視的な変化がもたらされる程度には大きくなされるように決定される。表面３２と３４との間の間隔は、気体で充填されていてもよいし、液体で充填されていても良いし、固体で充填されていても良い。固体エタロンを熱的に膨張させる事により、または、気体または液体エタロンの離間手段を熱的、圧電的またはマイクロメカニカルに膨張させる事により、または、気体、液体または固体のエタロンを傾斜させる事により、または、気体で離間されたエタロンの圧力を変える事により、または、スペーサに電気光学材料を用いて電界を印加する事によって屈折率を変化させる事により、または、スペーサ層に非線形光学材料を使用して第２光学ビームによって光路長を変化させる事により、または他の任意の同調メカニズムによって、表面３２と３４の間の間隔を変える事が出来る。
【００３３】
図１に示されるウェッジ・エタロン２６は、外部共振器レーザに関する本発明において使用され得る同調可能部材即ちチャネル・セレクタの一例に過ぎず、格子、電気光学薄膜およびバーニヤを同調装置を含む様々な他の種類のチャネル・セレクタが適所に使用されても良い。チャネル選択の際にエアギャップ・ウェッジ・エタロンを使用する例が米国特許第６１０８３５５号明細書に記載されており、該明細書中において、「ウェッジ」とは隣接した基板によって画定されたテーパ状のエアギャップである。格子の角度調整によって同調される枢動的に調整可能な格子装置をチャネル・セレクタとして使用する事、また、電圧を選択的に印加する事によって同調される電気光学的な同調チャネル・セレクタを外部共振器レーザに使用する事が、２００１年３月２１日に出願された発明者アンドリュー・ダイバーによる米国特許出願番号第０９／８１４６４６号に記載されている。並進的に同調された傾斜した薄膜干渉フィルタをチャネル・セレクタとして使用する事が、米国特許出願番号第０９／８１４６４６号、およびホプキンス等によって本願と共に出願された「傾斜した薄膜ウェッジ干渉フィルタ、およびレーザ同調に対して使用する際の方法」という名称の米国特許出願番号第０９／９９０４１２号に記載される。前述の開示は、参照によって本願に援用される。
【００３４】
幾つかの例における外部共振器レーザ１０の様々な光学要素間の相対的なサイズ、形状、および距離は、明瞭性を保つために誇張して示されている場合があり、必ずしも等縮尺であるとは限らない。外部共振器レーザ１０は、焦点を合わせる要素およびコリメーション要素、外部共振器レーザ１０の様々な要素に関連した偽フィードバックを除去するように構成される偏光光学系、および所望の同調レンジ外ではあるが、ゲイン媒体のゲイン・プロファイル内の波長をブロックする（非同調）フィルタと言った追加の構成要素（図示されず）を備えても良い。
【００３５】
ウェッジ・エタロン２６は、グリッド・エタロン２４の通過帯域よりも実質的に広く、その一周期が、グリッド・エタロン２４によって画定される最短波長のチャネルと最長波長のチャネルの間の波長との差と実質的に対応するかそれよりも広い複数の通過帯域を画定する。換言すれば、ウェッジ・エタロン２６の自由スペクトル領域は、グリッド・エタロン２４によって画定された波長の全ての波長領域よりも広い。ウェッジ・エタロン２６は、特定の選択されたチャネルに隣接するチャネルを抑制するようなフィネスを有する。
【００３６】
ウェッジ・エタロン２６は、ウェッジ・エタロン２６の面３２、３４間の光学厚さを変える事により、複数の通信チャネルの中から１つを選択するために使用される。これは、ｘ軸に沿ってウェッジ・エタロン２６を変位させることにより達成される。ｘ軸は、ウェッジ・エタロン２６のテーパの方向と平行であり、光路２２および外部共振器レーザ１０の光軸に対して垂直である。ウェッジ・エタロン２６によって画定される通過帯域のそれぞれによってチャネルが選択可能となり、また、ウェッジが光路２２中に押し込まれる方向に変位するにつれて、光路２２に沿って移動するビームはウェッジ・エタロン２６のより厚い部分を貫通することになり、これによって、より長い波長チャネルにおける、相対する面３２、３４間の建設的干渉が得られる。ウェッジ・エタロン２６が光路２２から引き出される方向に変位するにつれて、ビームはウェッジ・エタロン２６より薄い部分を貫通し、より短い波長チャネルに対応する光路２２用の通過帯域を露出する。上述したように、ウェッジ・エタロン２６の自由スペクトル領域は、グリッド・エタロン２４の完全な波長の範囲に対応している。その結果、全ての波長グリッドの領域において、通信帯域内において単一の損失最小で同調される事が可能である。グリッド・エタロン２４およびウェッジ・エタロン２６からゲイン媒体１２への統合化されたフィードバックによって、選択されたチャネルの中心波長においてレーザ光線を発することを可能にする。全同調レンジに渡って、ウェッジ・エタロン２６の自由スペクトル領域はグリッド・エタロン２４の自由スペクトル領域より広い。
【００３７】
ウェッジ・エタロン２６は、選択されたチャンネルに応じてウェッジ・エタロン２６を調整可能に位置調整するように構成・構築された波長同調器駆動部材３６を含む波長同調装置またはメカニズムにより位置を変えられることによって同調される。波長同調器駆動部材３６は、例えばウェッジ・エタロン２６の精密並進運動に好適なハードウェアと共にステッパーモータを備えても良い。もしくは、波長同調器駆動部材３６は、直流サーボモーター、ソレノイド、ボイスコイル・アクチュエーター、圧電アクチュエータ、超音波ドライバ、形状記憶デバイス、または同様の往復および（または）回転型アクチュエータのように、様々なタイプのアクチュエータまたは調節メカニズムを含んでも良い。アクチュエータの種類は上記されてものに限定されない。ウェッジ・エタロン２６以外の種類のチャネル・セレクタが本発明と共に使用される場合、波長同調器駆動部材３６はチャネル・セレクタを同調するために構成されるであろう。駆動部材３６によるウェッジ・エタロン２６の正確な位置調整を保証するために、直線エンコーダ４０が、ウェッジ・エタロン２６および波長同調器駆動部材３６に関して使用されても良い。もしくは、または更に、駆動部材３６によるウェッジ・エタロン２６の正確な位置調整を保証するために、あるいは駆動部材３６による他の種類のチャネル・セレクタの正確な位置調整を保証するために、運転時の波長を監視する低解像度のスペクトロメータ（図示されず）が用いられても良い。
【００３８】
波長同調器駆動部材３６は、波長コントローラ３８に操作可能なように接続される。波長コントローラ３８は、駆動部材３６によるウェッジ・エタロン２６の位置調整を制御するための信号を供給する。波長コントローラ３８はデータ処理装置およびメモリ（図示されない）を備えて良く、ウェッジ・エタロン２６のための波長同調情報のルックアップテーブルが格納され、選択可能なチャネル波長に対応する位置を提供する。波長コントローラ３８は、波長駆動部材３６に伝達される適切なチャネルまたは波長選択信号を導出するか生成し、続いて、駆動部材３６がウェッジ・エタロン２６を調節または駆動する。波長コントローラ３８は波長同調器駆動部材３６の内部にあってもよいし、外部にあって、他の構成要素の位置調整および外部共振器レーザ１０のサーボ機能と共有されて良い。
【００３９】
外部共振器レーザ１０が異なる通信チャネル波長に同調される場合、波長コントローラ３８が、ルックアップテーブル中の位置のデータに従って波長駆動部材３６に信号を送信し、駆動部材３６がウェッジ・エタロン２６を平行移動か、さもなければ調整して正しい位置に移動させ、光路２２中に位置するウェッジ・エタロン２６の一部分の光学厚さが、選択されたチャネルをサポートする建設的干渉を提供する。波長同調器駆動部材３６によるウェッジ・エタロン２６の正確な位置調整を保証するために、直線エンコーダ４０がウェッジ・エタロン２６および波長同調器駆動部材３６に関して使用されてもよい。
【００４０】
ウェッジ・エタロン２６は、付加的なエンコーダ機能として、光学上検知可能で、ウェッジ・エタロン２６が最長または最短のチャネル波長に位置調整された際にウェッジ・エタロン２６の位置を確認するために用いられる不透明領域４２、４４を、ウェッジ・エタロン２６の両端に備えていても良い。不透明領域４２、４４は、ウェッジ・エタロンの位置調整において使用可能な追加のエンコーダ・メカニズムを付加的に提供する。不透明領域４２、４４が光路２２に進入するようにウェッジ２６が位置調整される時、不透明領域４２、４４は、光路に沿ってビームを遮断または減衰する。以下詳細される通り、この光の減衰は検知可能である。これらの不透明領域は「ホーム」信号として、および「行き過ぎ」信号として使用されても良い。ホーム信号は、モータ位置の基準点となり得る座標系を初期化するために使用することが出来る。その後、ホームから離れる駆動列の位置が、ステッパーモータが取ったステップ数あるいはマイクロステップを数え、その後１ステップで得られる角度および親ねじのピッチとこの情報を組み合わせることによって決定されて良い。もしくは、エンコーダが駆動列に取り付けられても良い。基準点を光学要素に近接して提供し、この基準点を周期的に探索する事によって、親ねじの熱膨張、またはドライブ・ナットの機械的摩耗を補償するためにホーム信号が更に使用されても良い。
【００４１】
エンドミラー１４および出力面１８によって画定される外部共振器は、外部共振器同調器あるいは駆動メカニズム４６によって同調可能である。図示された実施形態において、外部共振器駆動部材４６は、エンドミラー１４に操作可能なように接続され、エンドミラー１４を位置的に調節することにより外部共振器の光路長ｌを調節するために構成される。他の実施形態において、外部共振器駆動部材４６はゲイン媒体１２に操作可能なように接続され、外部共振器を同調するべくゲイン媒体１２を位置的に調節するために、または、外部共振器を同調するゲイン媒体１２の光路長を熱により調節するために構成されて良い。更に他の実施形態において、外部共振器駆動部材４６は本質的に電気光学的であって良く、さらに後述されるように、外部共振器の電気光学同調器（図示されない）の有効な光学的厚さを変更することにより、光路長ｌの調整を実行して良い。外部共振器の電気光学的同調は、発明者ダイバー等による「ゲイン媒体の両端の電圧によるレーザ損失の評価および調整」という名称の米国特許出願番号第０９／９９０４２６号によって開示され、参照によって本願に援用される。光路長ｌを同調するための様々なメカニズムが本発明と共に使用されても良い。また、従って、波長同調は光路長ｌの調整を提供するために構成されるであろう。
【００４２】
ある実施形態において、外部共振器駆動部材４６は、熱的に同調可能な補償器部材（図示されない）を備えても良く、熱的に同調可能な補償器部材は、外部共振器コントローラ４８から熱的に同調可能な補償器部材に接続される熱電コントローラ（図示されない）までの光共振器調整信号に従って熱的な補償器部材を加熱または冷却する事により、エンドミラー１４の位置を決めるために構成される。外部共振器レーザ中のエンドミラーおよび他の光学コンポーネントを位置的に調節するための熱制御同調部材の使用もまた、２００１年３月２１日に出願された発明者アンドリュー・ダイバーによる米国特許出願番号第０９／８１４６４６号、および、これと平行して出願された、発明者マーク・ライス等による「外部共振器の能動的温度同調を伴うレーザ装置」という名称の米国特許出願番号第０９／９００４４３号に記載されている。
【００４３】
外部共振器駆動部材４６は、外部共振器駆動部材４６によるエンドミラー１４の位置調整を制御する信号を提供する外部共振器コントローラ４８に操作可能なように接続される。外部共振器コントローラ４８は、電圧センサ５０に操作可能なように接続されて良く、電圧センサ５０は、続いてゲイン媒体１２に関する１対の電極５２、５４のうちの１つに操作可能なように接続されて良い。電極５２、５４は、駆動電流源５６からの駆動電流をゲイン媒体１２に供給する。エンドミラー１４からの光学フィードバックが反射防止コーティングされた正面１６を貫通してゲイン媒体１２に入力されるので、センサ５０によって正確に監視されるゲイン媒体１２の両端の電圧は、外部共振器に関する損失を示す。外部共振器コントローラ４８は、電圧センサ５０の出力をもとに共振器モード信号を生成し、かつ補償信号を外部共振器駆動部材４６に供給するために構成される。外部共振器損失を評価してそこから誤差信号を生成するために外部共振器レーザ中のゲイン媒体の両端の電圧変調を監視する使用もまた、発明者ダイバー等による「ゲイン媒体の両端の電圧によるレーザ損失の評価および調整」という名称の米国特許出願番号第０９／９９０４２６号によって開示され、参照によって本願に援用される。
【００４４】
もしくは、あるいは更に、外部共振器コントローラ４８は、選択可能な光路長ｌに対応する位置を提供する光共振器同調情報のルックアップテーブルを格納して備えていても良い。外部共振器コントローラ４８は外部共振器駆動部材４６の内部にあってもよいし、外部にあって、他の構成要素の位置調整および外部共振器レーザ１０のサーボ機能と共有されても良い。ある具体例において、外部共振器コントローラ４８は、上述された波長コントローラ３８と同一のコントローラ・デバイスで具体化されて良い。外部共振器コントローラ４８による外部共振器駆動部材４６の正確な位置調整あるいは調整を保証するために、エンコーダ１５０が外部共振器駆動部材４６に関して備えられても良い。
【００４５】
外部共振器レーザ１０、あるいはその様々な構成要素は、マイクロエレクトロメカニカルなシステム即ちＭＥＭＳデバイスによって具体化されて良く、調整可能なエンドミラーは、外部共振器レーザの他の部分と統合され得る単一のシリコン基板から機械加工される。ＭＥＭＳデバイスによる外部共振器層の実施形態は、２００１年３月２１日に出願された米国特許出願番号第０９／８１４６４６号に記載され、および上述される。
【００４６】
グリッド・エタロン２４、ウェッジ・エタロン２６、およびエンドミラー１４と裏面１８によって画定された外部共振器の通過帯域の関係が、図２のグラフによって例証される。図２は、外部共振器通過帯域ＰＢ１、グリッド・エタロン通過帯域ＰＢ２およびウェッジ・エタロン通過帯域ＰＢ３を示す。相対ゲインが縦軸に、波長が横軸に示される。図から明らかなように、ウェッジ・エタロン２６の自由スペクトル領域（ＦＳＲＣｈａｎｎｅｌ  Ｓｅｌ）は、グリッド・エタロン２４の自由スペクトル領域（ＦＳＲＧｒｉｄ  Ｇｅｎ）より大きく、グリッド・エタロン２４の自由スペクトル領域（ＦＳＲＧｒｉｄ  Ｇｅｎ）は、外部共振器の自由スペクトル領域（ＦＳＲＣａｖｉｔｙ）より大きい。外部共振器通過帯域ＰＢ１（レーザ・モード）のピークは、グリッド・エタロン２４の波長グリッドによって画定された通過帯域ＰＢ２の中心波長と周期的に一致する。全ての波長グリッドの通過帯域ＰＢ２に渡って広がるウェッジ・エタロン２６の通過帯域ＰＢ３のピークは１つである。図２に示される特定の例において、波長グリッドは、０．５ｎｍ（６２ＧＨｚ）間隔で離間し、最短波長チャネルが１５３２ｎｍ、最長波長チャネルが１５６３．５ｎｍであって、６４個のチャネルに渡って延長している。
【００４７】
グリッド・エタロン２４およびウェッジ・エタロン２６のフィネスは、隣接しているモードまたはチャネルの減衰を決定する。上述されたように、フィネスは、自由スペクトル領域を半値全幅で割った値と等しい。即ち、フィネス＝ＦＳＲ／ＦＷＨＭである。グリッド・エタロン通過帯域ＰＢ２の半値全幅が図２ｂに示され、チャネル・セレクタ通過帯域ＰＢ３の半値全幅が図２ｃに示される。外部共振器内におけるグリッド・エタロン２４およびウェッジ・エタロン２６の位置の調整によって、サイドモード抑圧比が向上する。
【００４８】
１５４９．５ｎｍおよびそれに隣接する１５５０ｎｍに中心が合わせられたチャネル間におけるウェッジ・エタロン２６の通過帯域ＰＢ３の同調の例が、図３のグラフによって示される。また、グリッド・エタロン２４によって生成されたチャネルの選択と、隣接するチャネルまたはモードの減衰も示されている。図２に示される外部共振器の通過帯域ＰＢ１は、明瞭性を保つために図３においては省略される。グリッド・エタロン２４は、グリッド・チャネル間隔に対応する外部共振器の周期的な縦モードを選択する一方で、隣接するモードは拒絶する。ウェッジ・エタロン２６は、該波長グリッド中の特定のチャネルを選択し、他の全てのチャネルを拒絶する。選択されたチャネルあるいはレーザ光線のモードは、チャネル間隔のプラスマイナス約半分の範囲のフィルタ・オフセットにより、１つの特定のチャネルに画定される。チャネルのオフセットがより大きい場合、レーザ光線のモードは隣接するチャネルへとジャンプする。
【００４９】
図３ａにおいて、チャネル・セレクタ通過帯域ＰＢ３のピークは、１５４９．５ｎｍのグリッド・チャネルに合わせられている。１５４９．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインは高いが、その一方で隣接している１５４９．０ｎｍおよび１５５０．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインレベルは、選択された１５４９．５ｎｍのチャネルに比べて抑圧されている。１５５０．５ｎｍおよび１５４８．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関するゲインは一層抑圧されている。１点鎖線は、ウェッジ・エタロン２６によって抑圧されていない状態の通過帯域ＰＢ２の相対ゲインを示す。
【００５０】
図３ｂはチャネル・セレクタ通過帯域ＰＢ３が、チャネル切り替えの最中に１５４９．５ｎｍおよび１５５０．０ｎｍのチャネルの間に位置する状態を示す。１５４９．５ｎｍおよび１５５０．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインは両方とも高く、どちらも抑制されていない。１５４９．０ｎｍおよび１５５０．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインのレベルは、１５４９．５ｎｍおよび１５５０．０ｎｍのチャネルに比べれば抑圧されている。１点鎖線は、ウェッジ・エタロン２６によって抑圧されていない状態の通過帯域ＰＢ２の相対ゲインを示す。
【００５１】
図３ｃは、ピークが１５５０．０ｎｍのグリッド・チャネルに合わせられているチャネル・セレクタ通過帯域ＰＢ３を示し、１５５０．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインは高いが、その一方で隣接している１５４９．５ｎｍおよび１５５０．５ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関する相対ゲインレベルは、選択された１５２０．０ｎｍのチャネルに比べて抑圧されており、１５５１．０ｎｍおよび１５４９．０ｎｍにおける通過帯域ＰＢ２に関するゲインは更に抑圧されている。再び、１点鎖線は、ウェッジ・エタロン２６によって抑圧されていない状態の通過帯域ＰＢ２の相対ゲインを示す。
【００５２】
外部共振器縦モードによって画定された通過帯域ＰＢ１は、明瞭性を保つために図３から省略される。先述したように、レーザは共振器内の最も高い往復送信による共振器モードでレーザ光線を発するだろう。図３ａにおいて、通過帯域ＰＢ２は最大送信を有し、ＰＢ２のピークに近いレーザ・モードは外部共振器中の全ての送信の中で最大である。共振器の光路長に小さなディザーまたは周波数変調を導入することによって、レーザ・モードが通過帯域ＰＢ３による最大送信と一致する通過帯域ＰＢ２のピークにロックされるように、共振器の（平均）光路長を調節するのに使用可能な誤差信号が生成されて良い。さらに、通過帯域ＰＢ３のピークをこのレーザ発光モードにロックするために通過帯域ＰＢ３の位置に小さなディザーまたは周波数変調を導入する事は有用であり、これ自身、通過帯域ＰＢ２のピークにロックされる。レーザ構成要素へ周波数変調を導入するディザーあるいは変調部材の使用が、上述の、発明者ダイバー等による「ゲイン媒体の両端の電圧によるレーザ損失の評価および調整」という名称の米国特許出願番号第０９／９９０４２６号によって記載され、参照によって本願に援用される。
【００５３】
通過帯域ＰＢ３が、図３ａに示される場所から遠ざかって図３ｂに示された位置の方向へ調節される場合、レーザは、最大送信を備える通過帯域ＰＢ２のピークにロックされ続ける。通過帯域ＰＢ３の調整の効果は光路長に対してほとんど影響せず、結び付きは無い。上述されたように、従来の外部共振器レーザは、レーザ発光モードの波長が通過帯域ＰＢ３を追跡することを保証するために、所定の関係に従って光路長の変化を通過帯域ＰＢ３の同調と結び付ける事によって「モード・ホッピング」を克服していた。この結び付きの無い同調構成によって、同調フィルタ通過帯域ＰＢ３のロッキングにおける精度と同様の精度を必要とする事無く、光路長とレーザ波長の正確なロッキングを行う事が出来る。通過帯域が図３ｃに示されるような通過帯域ＰＢ２の他のピークに接近するまで、レーザ波長は通過帯域ＰＢ３の運動に関して一定のままである。グリッド・ジェネレータＰＢ２がレーザ共振器の内部に存在しないような本発明の他の実施形態（図示されず）において、グリッド通過帯域ＰＢ２がレーザ・モード通過帯域ＰＢ１と置換されるという点を除けば図３に示された同調と同様の同調が生じる。
【００５４】
本発明は、本発明における外部共振器光路長の同調から独立しているか、さもなければ結び付いていない波長同調を用いる。その結果、外部共振器レーザ１０は「階段状ステップ」即ちモード・ホッピング同調プロファイルを提供する。図４は、「階段状ステップ」レーザ出力プロファイルのグラフであり、横軸は相対的なチャネル・セレクタの位置を示し、縦軸はレーザ波長を示す。チャネル・セレクタの通過帯域のピークの波長が縦軸に沿った増分として示され、通過帯域のピークに対応するチャネル・セレクタの位置が横軸に沿った増分として示される。モード・ホッピング同調によって画定される「プラトー」のそれぞれにおいて、レーザ光線を発する波長は、チャネル・セレクタのピーク透過波長が変化するのにも拘わらず、安定した状態が保たれる。好ましい実施形態において、出力パワーを最大にし、サイドモード抑制比率を最大にし、新しいチャネルへのモード・ホッピングが発生するのに十分な程度にチャネル・セレクタの位置が遠方に移動する可能性を最小にするために、チャネル・セレクタのピーク透過波長がレーザ波長へとロックされる。各プラトーＰの上のレーザ発光が、他の全てのプラトーＰの縦モードとは異なるレーザの縦モードに生じる。
【００５５】
ここで図５を参照して、本発明の他の実施形態における外部共振器レーザ機器５８が示される。同様の部品を示すために同様の参照番号が用いられる。図１の実施形態と同様、構成要素の相対的なサイズ、および構成要素間の距離は、明瞭性を保つために誇張されている。外部共振器レーザ機器５８は波長同調器としての格子６０と共に示され、リトロー配置によって構成されている。格子６０は、格子６０の表面上かつ光路２２の中心に通常位置する格子６０の点６６に対して対称的に設置されるアクチュエータ６２、６４に操作可能なように接続される。アクチュエータ６２、６４は圧電的な、マイクロメカニカルな、あるいは他の種類のアクチュエータであって良い。同調器６８は、アクチュエータ６２、６４の長さを変化させるべく命令を出力する。
【００５６】
外部共振器レーザ５８は波長選択制御要素７０および外部共振器制御要素７２を備え、これらは同調器６８に操作可能なように接続される。同調器６８は加算および減算信号発生器７４、７６を備え、これらは、アクチュエータ６２、６４の駆動信号を発生するために、波長制御要素７０および外部共振器制御要素７２に操作可能なように接続される。波長制御要素７０は、波長ロッカー７８および波長検出器８０に操作可能なように接続される。反射部材８４、８６（反射器８４は部分透過性である）を経由して波長ロッカー７８および波長検出器８０にレーザ出力の一部を配向するために、ビームスプリッタ８２は、出力面１８の前方に位置する。波長同調用の制御信号が、波長ロッカー７８および波長検出器８０の出力から波長制御要素７０によって導出され、同調器６８に伝達され、アクチュエータ６２、６４を駆動する。
【００５７】
ゲイン媒体１２は電極８８、９０に操作可能なように接続され、駆動電流源９２が電極８８に操作可能なように接続され、電極９０は適切に接地される。電圧センサ９４は、電極９０および外部共振器制御要素７２に操作可能なように接続される。もしくは、電圧センサ９４は、電極８８に接続されても良い。共振器光路長同調のための制御信号を導出するために、ゲイン媒体１２の両端で監視される電圧からセンサ９４によって導出された誤差信号は、外部共振器制御要素７２によって使用される。続いて、これらの制御信号は、アクチュエータ６２、６４を駆動する同調器６８に伝達される。
【００５８】
アクチュエータ６２、６４の長さが等しく変化する事により、格子６０およびゲイン媒体の面１８によって画定される光路長ｌを変化させるために、格子６０がビーム２２に沿って平行移動され、この際に、波長に影響を及ぼすような格子６０の同調は行われない。アクチュエータ６２、６４の長さを同じ長さで相互に逆方向に変化させる事によって、格子６０は、格子６０を同調させるために点６６を中心として枢動し、この際、外部共振器の光路長ｌは変化しない。格子６０の通過帯域の同調は光路長の同調から独立または分離しており、同様に、格子６０の光路長ｌの同調は格子６０の通過帯域の同調から独立または分離している。この格子通過帯域および共振器光路長の直交同調は、同じアクチュエータ６２、６４を異なる同調を達成するために異なる方法で使用する事によって達成される。図示されてはいないが、グリッド・ジェネレータが外部共振器レーザ５８とともに含まれていても良い。
【００５９】
ここで図６を参照して、本発明における外部共振器レーザ９８の他の実施形態が示される。同様の部品を示すために同様の参照番号が用いられる。外部共振器レーザは、第１電気光学同調可能部材１００を使用する。電気光学同調部材１００は一対の透明基板１０２、１０４を備え、その間に電気光学液晶（ＬＣ）材料１０６を備える。透明電極１０８、１１０がそれぞれ基板１０２、１０４に隣接して配置されており、ＬＣ基板がエタロンとして動作するために、反射表面または部分反射表面を画定する。透明電極１０８、１１０は例えば、インジウム・スズ酸化物（ＩＴＯ）導体を含んで良い。特定の方向に配向された、または溝が刻まれた重合体層を備え得るアラインメント層（図示されない）が、ＬＣ材料１０６と透明電極１０８、１１０の間に位置する。この種の液晶電気光学のデバイスの形成および使用は、当技術においては周知である。
【００６０】
第１電気光学同調部材１００は波長コントローラ１１２に操作可能なように接続され、波長コントローラ１１２は透明電極１０８、１１０の一方に調整可能な電圧を供給し、他方は適切に接地される。ＬＣ材料１０６は、電極１０８、１１０によってＬＣ材料１０６の両端に印加された電圧に応じて方向付けられる複数の個々の複屈折の分子（図示されない）を備える。この種の液晶材料は当業者にとって公知であるので、ここには記載しない。分子の方向の変化によって、ＬＣ材料１０６の屈折率が変化し、従って、ＬＣ材料１０６の有効光学的厚さが変化する。従って、波長コントローラによって透明電極１０８、１１０の両端に印加された電圧は、ＬＣ基板１０６を貫通して光路２２に沿ってコヒーレントなビームが通過する部分反射表面１０８および１１０間の有効光路長を変化させるであろう。有効光路長の変化によって、電気光学同調部材１００の最大伝達の波長が同調される電気光学のチャネル・セレクタの使用もまた、２００１年３月２１日に出願された米国特許出願番号第０９／８１４６４６号に記載されており、本開示は、参照によって本願に援用される。
【００６１】
外部共振器レーザ機器９８は、光路２２中のエンドミラー１４の前方かつ第１電気光学同調部材１００の後方に位置する第２電気光学的励起同調部材１１４を更に備える。電気光学同調部材１１４は、外部共振器コントローラ１１６に操作可能なように接続され、外部共振器コントローラ１１６は、光路２２中のエンドミラー１４の後方に位置する光検出器１１８に操作可能なように接続される。この点において、外部共振器レーザ９８からの出力の一部が光検出器１１８に達するように、エンドミラー１４は例えば９５％の反射度を有して良い。もしくは、光検出器１１８は、上述された方法でゲイン媒体１２の両端の電圧を監視するように構成される電圧センサと置換されても良い。
【００６２】
第２電気光学同調部材１１４は、透明電極１２２、１２４の間に位置するニオブ酸リチウムあるいは他の電気光学材料の層１２０を備える。外部共振器コントローラ１１６は電極１２２、１２４のうちの一方に調整可能な電圧を印加し、他方は適切に接地されるように構成され。第２電気光学同調部材１１４は、第２電気光学同調部材１１４の両端の電圧の調節によって、第２電気光学同調部材１１４の有効光学厚さを変化させつつ、ダイオード面１８およびエンドミラー１４によって画定される外部共振器全体の光路長ｌが調節されるように構成される。外部共振器の同調のために電気光学部材を使用する事もまた、発明者ダイバー等による「ゲイン媒体の両端の電圧によるレーザ損失の評価および調整」という名称の米国特許出願番号第０９／９９０４２６号によって開示され、参照によって本願に援用される。
【００６３】
外部共振器レーザ９８の運転において、波長の同調、即ちチャネルの選択は、波長コントローラ１１２からの指示に基づいて電極１０８、１１０によりＬＣ基板１０６の両端に印加される電圧の調節により行なわれ、選択された伝達チャネル波長のために格納されたルックアップテーブル・データから電圧情報を得ても良い。外部共振器光路長ｌの調整は、光検出器１１８から導出された誤差信号に基づいて、電極１２２、１２４によって電気光学材料の層１２０の両端に印加される電圧を外部共振器コントローラ１１６によって調節する事により達成される。上記の実施形態において、第１電気光学同調器１００および波長コントローラ１１２による波長同調は、第２電気光学同調器１１４および外部共振器コントローラ１１６による外部共振器の光路長ｌの同調とは独立して行われる。即ち、波長コントローラ１１２による第１電気光学同調器１００の同調は、外部共振器コントローラによる第２電気光学同調器１１４の同調から分離される。外部共振器レーザ９８は、独立して波長を同調すること、および全ての部材を物理的に移動させること無く外部共振器の同調を行う、という点で注目される。
【００６４】
また、第２電気光学同調部材１１４が、外部共振器レーザの光路長ｌに周波数ディザーの形の信号変調を導入するために使用されても良い。信号変調は、例えば、約２０ｋＨｚの周波数変調を含んで良い。部材１１４によって導入される周波数ディザーによる光路長ｌの変調は、光検出器１１８によって（あるいは外部共振器からの光学フィードバックに起因するゲイン媒体１２の両端の電圧を監視することによって）検知可能な外部共振器レーザ９８の出力パワーの強度変化を生成する。これらの強度変化の振幅およびフェーズエラーは、電気光学同調部材１００およびグリッド・ジェネレータ２４によって画定される通過帯域の中心波長に対する外部共振器モードのアラインメントに応じて異なるであろう。換言すれば、変調信号における強度変化および移相は、外部共振器損失を評価し、かつそれに対応する外部共振器光路長の調整用の誤差信号を生成する有効な方法を提供する。従って、外部共振器コントローラ１１６は、周波数ディザーによって導入された変調から誤差信号を導出し、外部共振器コントローラ１１６に補償信号を伝達し、これによって、層１２０の屈折率を変えることによって光路長ｌを同調または調節するために、電気光学層１２０の両端に印加される電圧が調節される。レーザ構成要素へ周波数変調またはディザーを導入する変調部材の使用は、発明者ダイバー等による「ゲイン媒体の両端の電圧によるレーザ損失の評価および調整」という名称の米国特許出願番号第０９／９９０４２６号によって開示され、参照によって本願に援用される。
【００６５】
本発明は特定の実施例に関して記載された一方、本発明の真の精神と範囲から逸脱することなく、さまざまな修正がなされ得、均等物によって置換され得る事が当業者によって理解されるべきである。加えて、特定の状況、材料、組成物、プロセス、工程段階を、本発明の目的、精神および範囲に適応させるために、多くの変更が成され得る。この種の変更の全てが、添付の特許請求の範囲の範囲内であることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】独立した波長同調および外部共振器同調を用いる、ウェッジ・エタロン・チャネル・セレクタを備えた外部共振器レーザ装置の概略図である。
【図２】波長グリッド中の選択されたチャネルに関してのウェッジ・エタロン、グリッド・エタロンおよび外部共振器に関する、図１に示される外部共振器レーザの通過帯域特性を例証するグラフである。
【図３】波長グリッド中の複数のチャネルに関する、図１に示される外部共振器レーザの同調に対するゲインを例証するグラフである。
【図４】グリッド・ジェネレータによって画定された波長グリッドによって示される、本発明の外部共振器レーザ装置の波長同調プロファイルを例示するグラフである。
【図５】独立した波長同調および外部共振器同調を用いる、格子チャネル・セレクタを備えた外部共振器レーザ装置である。
【図６】電気光学波長同調器および電気光学外部共振器同調器を備えた外部共振器レーザ装置である。
【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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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