(57)【要約】【課題】従来技術の問題及び限界を解決したチャープパルス増幅器を提供すること。【解決手段】モードロックレーザと、その出力端に結合された、第１および第２の出力端を有する偏光保持ビームルータと、偏光保持ビームルータの第１の出力端に結合された、パルス伸長のための偏光保持分散補償ファイバと、偏光保持分散補償ファイバに結合された第１の増幅器と、第１の増幅器に結合された第１のパルス選別器と、第１のパルス選別器に結合されたファラデー回転子ミラーと、偏光保持ビームルータの第２の出力端にビームスプリッタを通して結合された第２の増幅器とを備えるチャープパルス増幅器である。モードロックレーザが偏光保持ビームルータに入力する入力パルスは、ファラデー回転子ミラーにより反射されて偏光保持ビームルータに戻り、次いでそこから出力されて第２の増幅器に入射される。第１のパルス選別器は、光導波路を有する集積化変調器を備える。【選択図】図７
2011133902.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約１５５０ナノメートル又は他の波長で動作するファイバ光学システムのためのチャープパルス増幅器であって、
モードロックレーザと、
前記モードロックレーザの出力端に結合された偏光保持ビームルータであって、第１の出力端および第２の出力端を有する偏光保持ビームルータと、
前記偏光保持ビームルータの前記第１の出力端に結合された、パルス伸長のための偏光保持分散補償ファイバと、
前記パルス伸長のための偏光保持分散補償ファイバに結合された第１の増幅器と、
前記第１の増幅器に結合された第１のパルス選別器と、
前記第１のパルス選別器に結合されたファラデー回転子ミラーと、
前記偏光保持ビームルータの前記第２の出力端にビームスプリッタを通して結合された第２の増幅器と
を含み、
前記モードロックレーザが前記偏光保持ビームルータに入力する入力パルスは、前記ファラデー回転子ミラーにより反射されて前記偏光保持ビームルータに戻り、次いで前記偏光保持ビームルータから出力されて前記第２の増幅器に入射され、
前記第１のパルス選別器は、光導波路を有する集積化変調器を備えることを特徴とするチャープパルス増幅器。
【請求項２】
前記第２の増幅器により増幅されたパルスを受け取り、前記第２の増幅器により増幅された前記パルスを圧縮し、増幅され、そして圧縮された前記パルスを出力する圧縮器格子と
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のチャープパルス増幅器。
【請求項３】
前記第１の増幅器は、エルビウムドープファイバ増幅器、エルビウム／イットリビウムドープファイバ増幅器またはイットリビウムドープファイバ増幅器と、
波長分割多重器と、
ダイオードポンプと
を含むことを特徴とする請求項１に記載のチャープパルス増幅器。
【請求項４】
前記第１のパルス選別器は、電気−光学変調器または電気−吸収変調器を含むことを特徴とする請求項１に記載のチャープパルス増幅器。
【請求項５】
前記第２の増幅器は、シングルモード増幅器として動作する二重クラッドマルチモード増幅器ファイバを有することを特徴とする請求項１に記載のチャープパルス増幅器。
【請求項６】
前記第２の増幅器は、シングルモード増幅器として動作する二重クラッドマルチモード増幅器ファイバを有し、
前記二重クラッドマルチモード増幅器ファイバのコアが直径２０マイクロメートルに等しいか又はそれ未満であることを特徴とする請求項１に記載のチャープパルス増幅器。
【請求項７】
モードロックレーザと、
前記モードロックレーザの出力端に結合された偏光保持ビームルータであって、第１の出力端および第２の出力端を有する偏光保持ビームルータと、
前記偏光保持ビームルータの前記第１の出力端に結合された、パルス伸長のための線形または非線形チャープファイバ格子と、
前記偏光保持ビームルータの前記第２の出力端に結合された第１のパルス選別器と、
前記第１のパルス選別器の出力端にビームスプリッタを通して結合された第１の増幅器と、
前記第１の増幅器に結合された第２のパルス選別器と、
前記第２のパルス選別器に結合されたファラデー回転子と
を含み、
前記モードロックレーザが前記偏光保持ビームルータに入力する入力パルスは、前記パルス伸長のための線形または非線形チャープファイバ格子により反射されて前記偏光保持ビームルータに戻り、次いで前記偏光保持ビームルータから出力されて前記第１の増幅器に入射され、
前記第１のパルス選別器は、光導波路を有する集積化変調器を備えることを特徴とするファイバ光学システムのためのチャープパルス増幅器。
【請求項８】
前記第１の増幅器により増幅されたパルスを受け取り、前記第１の増幅器により増幅された前記パルスを圧縮し、増幅され、そして圧縮された前記パルスを出力する圧縮器格子をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のチャープパルス増幅器。
【請求項９】
前記第１のパルス選別器は、電気−光学変調器または電気−吸収変調器を含むことを特徴とする請求項７に記載のチャープパルス増幅器。
【請求項１０】
前記第１の増幅器は、シングルモード増幅器として動作する二重クラッドマルチモード増幅器ファイバを有することを特徴とする請求項７に記載のチャープパルス増幅器。
【請求項１１】
前記第１の増幅器は、シングルモード増幅器として動作する二重クラッドマルチモード増幅器ファイバを有し、
前記二重クラッドマルチモード増幅器ファイバのコアは、直径２０マイクロメータ未満又は２０マイクロメータに等しいことを特徴とする請求項７に記載のチャープパルス増幅器。
【請求項１２】
前記第１の増幅器の動作波長は、１５５０ナノメートル又は１０６０ナノメートルであることを特徴とする請求項１又は７に記載のチャープパルス増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超短光パルスのチャープパルス増幅システムに関し、特に、パルス選別器のためのLiNbO3変調器のような市販の通信構成要素を使用するチャープパルス増幅に関する。本発明は、さらに、簡単な組立プロセスと改善された機械的安定性をもたらす、自由空間調整を避けるための構成要素の集積化技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
以下の文献は、全てが本発明に関連する指摘されたトピックスに有益な背景情報を与え、ここに参考文献によって編入される。  
A. Galvanauskas and M.E. Fermann, 13-W Average Power Ultrafast Fiber Laser, Conference on Lasers and Electro-Optics 2000, San Francisco, California, May 7-12,2000, post deadline paper CPD3.
Y. Jaouen, M. Le Flohic, E. Olmedo and G. Kulscar, 35kW Subpicosecond Pulse Generation At 1.55μm Using Er3+/Yb3+ Fiber Amplifier, Conference on Lasers and Electro-Optics 2001, Baltimore, Meryland, May 6-11,2001, paper CTUQ3.
A. Boskovic, M. J. Guy, S. V. Chernikov, J. R. Taylor, and R. Kashyap, All-Fiber Diode Pumped Femtosecond Chierped Pulse Amplification System, Electoronics Letters, 31(11),877(1995).
【０００３】
微細造形のような応用における高パルスエネルギフェムト秒レーザの増加する関心と共に、高パワー高パルスエネルギファイバレーザは、近年、光学技術で最も興奮する開発の一つである。Galvanauskas他とFermann他は、エルビウムとイットリビウムベースのチャープパルス増幅システムでのマイクロジュールレベルのエネルギの達成を開示している。しかしながら、最近、波長約１５５０ナノメートルで、非常に少ない研究が存在していた。連合王国とフランスの研究者は、この領域であるが、限定されたパルスエネルギで幾つかの研究をした。Jaouen他は、３５キロワットのピークパワーと４５０フェムト秒のパルス幅を用いたが、パルスエネルギは、たった１６ナノジュールであった。Boskovic他は、光源レーザからの繰り返し周期の間引きなしで増幅後に１．６ナノジュール得ただけである。
【０００４】
たいていのチャープパルス増幅システムでは、音響光学（AO）変調器が増幅されるべきパルスを選別するために使用される。しかしながら、特に元のパルス繰り返し周期が２０メガヘルツより高いとき、波長約１５５０ナノメートルで、そのような音響光学変調器は、材料制限のため容易に利用できない。例えば、５０メガヘルツのパルス繰り返し周期のモードロックレーザ光源が使用されるとすると、初期パルス列からパルスを選別するためには、通常、立ち上がり時間と立ち下がり時間に１０ナノ秒未満が必要とされる。しかしながら、１５５０ナノメートルで動作する音響光学変調器は、そのようなスピードで、容易に利用できないか、または非常に高価である。例えば、ブリモローズ（Brimrose）は、１５５０ナノメートルで許容性能をもつAO変調器を製造しているが、個々の変調器は、数千ドルである。そのような高コストは、そのようなAO変調器を使う増幅システムの大量生産を制限する。
【０００５】
一方、２．５ＧＨｚ／ｓ及びそれ以上（２．５ＧＨｚ／ｓ、１０ＧＨｚ／ｓ、４０ＧＨｚ／ｓさえも）で動作する１５５０ナノメートルでの高速電気光学（EO）変調器（LiNbO3のような）は、通信工業で利用できる大きな在庫品のために、容易に利用でき且つ相対的に安い。ファイバピッグテール２．５ＧＨｚ／ｓLiNbO3変調器は、千ドル未満で購入できる。しかしながら、チャープパルス増幅システムはどれも、そのような電気光学変調器システムを使用したことがなかった。
【０００６】
LiNbO3電気光学変調器は、マッハ−ツェンダ型変調器である。LiNbO3変調器は、電気光学効果を示す材料の上の集積化光導波路を含む。電気光学材料は、電圧印加で変化する屈折率をもつ。マッハ−ツェンダ変調器は、干渉技術を使って動作する。光信号は二つの分離通路に分岐され、その後出力端で再結合される。干渉計の二つの通路は、近似的に同じ長さであるが、厳密には同じでない。二つの通路からの二つの信号が出力端で再結合されるとき、二つの信号は僅かに異なる位相をもつ。これら二つの信号が正確に同位相であるなら、光は低損失で出力導波路で再結合する。しかしながら、二つの信号が１８０°位相ずれであると、光は出力導波路に伝搬せず、結果として光は基板の周辺に放射する。電気光学効果は、各通路の伝搬速度を電極への電圧印加に依存させる。結果として、変調電圧に依存するので、光は出力導波路を高或いは低損失で伝搬する。
【０００７】
市販の通信変調器は、全て入力及び出力導波路に調整されたファイバピッグテールをもつ。マッハ−ツェンダ変調器は、正確に作用するために特定の入力偏光状態をもたなければならないので、入力ファイバピッグテールは、偏光保持ファイバでなければならない。しかし、出力ファイバピッグテールは、用途に応じて、偏光保持或いは非偏光保持ファイバである。
【０００８】
典型的なチャープパルス増幅システムでは、パワー増幅器前のパルス選別器と同様に、伸長器と一つ或いは二つの前置増幅器が必要である。伸長器はバルク格子或いはファイバ格子であるか、或いは、Galvanauskas他に交付され、ここに参考文献によって編入された米国特許５，８４７，８６３で説明されたようなファイバ伸長器である。しかしながら、たとえファイバベースデバイスが伸長器として使用されたとしても、以前は自由空間調整を使って組み立てられ、結合要素（例えば、レンズ）が入力パルスをファイバに結合していた。技術的に十分であるが、結合要素は、労働集約的な組立が必要とされるので、大量生産には適さない。さらに、システムの長期動作安定性は、通常なお問題である。例えば、結合は、高スループットを確実にするために度々調整されなければならない。
【０００９】
エルビウムドープファイバ増幅器は、普通の能動デバイスであり、ある一定の長さのエルビウムドープファイバとポンプダイオード（９８０ナノメートルかまたは１４８０ナノメートルで動作する）を使用する。エルビウムドープファイバの非偏光保持特性により、二重パス構成は、偏光を保持するべく使用されなければならない。LiNbO3変調器の偏光感受性により、それは他の非偏光保持ファイバ要素をもつ同じ二重パスループに使用されない。
【００１０】
通常、LiNbO3変調器は、低消光比（〜２３デシベル）をもち、その低消光比は、低い信号／雑音コントラスト比、典型的に２０−２３デシベル、をもたらす。この低い信号／雑音コントラスト比は、チャープパルス増幅システムに不十分であり、少なくとも３０デシベルに、或いはそれより高く増加されなければならない。これを達成するために、変調器の偏光消光比が改善されなければならいか、または、他の方法が信号／雑音コントラスト比を増加させために開発されなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上の事実を考慮して且つ従来技術の上記問題及び限界を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するために創られ、波長約１５５０ナノメートルで動作するエルビウムファイバ（或いはエルビウム−イットリビウム）ベースチャープパルス増幅システムを提供する。通信の窓で動作するファイバ増幅器の使用は、優れた機械安定性をもつ通信要素と通信コンパチ式手順の実施を可能にする。
【００１３】
本発明の付加的な概念と優位性は、後続する記載部分及び記載から明らか或いは本発明の実施で知らされる部分で、明らかにされるであろう。本発明の概念と優位性は、添付した請求項で詳しく指摘された手段及び結合物によって実施され、達成される。
【００１４】
本発明の上記及び他の概念と優位性は、以下の詳細な記載からと添付の図と関連して明確になるであろう。
【００１５】
ここで引用された全ての技術文献、特許及び特許出願は、まるで丸ごとここに含まれているかのように、ここに参考文献によって編入されている。
【００１６】
編入されこの明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を図解する添付図は、記載と一緒になって、本発明の概念、優位性及び原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】モードロックレーザの出力端でパルス選別器として使用されるLiNbO3変調器を例示する図である。
【図２Ａ】本発明に従い、偏光保持ビームルータのビーム伝搬と偏光を例示する図である。
【図２Ｂ】本発明に従い、偏光保持ビームルータのビーム伝搬と偏光を例示する図である。
【図３Ａ】本発明に従い、偏光保持ビームサーキュレータのビーム伝搬と偏光を例示する図である。
【図３Ｂ】本発明に従い、偏光保持ビームサーキュレータのビーム伝搬と偏光を例示する図である。
【図４Ａ】本発明に従い、偏光保持ビームルータ或いは偏光保持サーキュレータと非偏光保持分散補償ファイバとを使用する二重パス伸長器システムを例示する図である。
【図４Ｂ】本発明に従い、偏光保持ビームルータ或いは偏光保持サーキュレータと非偏光保持ファイバ格子とを使用する二重パス伸長器システムを例示する図である。
【図５Ａ】本発明に従い、エルビウムドープファイバ増幅器に従属接続された二重パスパルス伸長器を例示する図である。
【図５Ｂ】本発明に従い、エルビウムドープファイバ増幅器に従属接続された二重パスパルス伸長器を例示する図である。
【図６】本発明に従い、偏光保持ビームルータ／偏光保持サーキュレータ及び変調器を使用する第１チャープパルス増幅システムを例示する図である。
【図７】本発明に従い、偏光保持ビームルータ／偏光保持サーキュレータ及び偏光不感変調器を使用する第２チャープパルス増幅システムを例示する図である。
【図８】本発明に従い、偏光保持ビームルータ／偏光保持サーキュレータ及び一つは第２パルス選別器として動作する二つの偏光不感変調器を使用する第３チャープパルス増幅システムを例示する図である。
【図９】コントラスト比を改善するための従属接続された変調器を例示する図である。
【図１０Ａ】図６に描かれたシステムにおけるパルス圧縮器の後のパルスプロフィールを示す図である。
【図１０Ｂ】図６に描かれたシステムにおけるパルス圧縮器の後のスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の好ましい実施形態の詳細な説明は、今や添付図を参照して与えられる。
【００１９】
約１５５０ナノメートルの波長で動作するチャープパルス増幅システムの場合、早い立ち上がり時間をもつ音響光学変調器は、適当な材料がないために、利用が制限される。しかしながら、通信の電気光学変調器及び電気吸収変調器は代わりの解を与える。そのような変調器は、しかしながら、パルス選別の目的でチャープパルス増幅システムに使用されなかった。図１を参照すれば、チャープパルス増幅システムが例示されている。モードロックレーザ１０は、変調器１２に入力するパルス行列１１を出力する。変調器１２は、その後、入力パルス行列１１を変調し、選別されたパルス１３を出力する。変調器１２は、LiNbO3電気光学変調器或いは電気吸収変調器であり得る。
【００２０】
本発明では、ＬｉＮｂＯ３変調器がパルス選別器として使用される。通常の降下計数電子回路を使って、変調電圧がＬｉＮｂＯ３変調器に印加され、それによって５０メガヘルツモードロックレーザ光源から約１００キロヘルツへのパルス選別を可能にする。ＬｉＮｂＯ３変調器が偏光感受性であるので、パルス選別の間、偏光状態を保持するために、入力と出力の両ピッグテールファイバは、偏光保持ファイバでなければならない。対応する繰り返し周期のクリーンなパルス列は、こういう風に発生される。
【００２１】
電気光学変調器と電気吸収変調器は、ピーク強度（すなわち、約２００ワット）で非線形効果を蓄積するので、パルスは、変調器に入射される前に伸長される。ＬｉＮｂＯ３変調器のような偏光感受性変調器の場合、入力端で偏光保持ファイバが使用されなければならないが、出力ファイバは偏光保持ファイバと非偏光保持ファイバのいずれでもよい。好ましい実施形態では、全システムの偏光は保持され、したがって、変調器の出力ファイバは、やはり偏光保持ファイバである。
【００２２】
様々なタイプの伸長器がチャープパルス増幅システムに使用される。最初のうちは、第1バルク格子対が入力パルスを伸長するために使用され、第2バルク格子対を使って増幅後に圧縮バックされる。第2バルク格子対は、第1バルク格子対に類似のパラメータを持つ。また、ファイバ或いはファイバ格子が適当な分散値を持つ限り、線形或いは非線形ファイバ格子或いはある長さのファイバでさえもパルス伸長器として働く。
【００２３】
好ましくは、市販の入手可能な分散補償ファイバ或いは分散シフトファイバが伸長器として使われ、かなり良好な特性が得られる。しかしながら、長いファイバが使われなければならないので、伸長ファイバによる蓄積された3次分散が無視できなくなる。伸長器ファイバからの2次分散は圧縮器格子システムで容易に補償されるが、蓄積された3次分散は圧縮器格子によって合算され、最終パルス幅はモードロックレーザからの初期パルス幅より常に広い。システムの２次と３次の両方の分散を補償するために、モードロックレーザ光源にマッチしたバンド幅を持つ非線形チャープファイバ格子がより一層望ましい、或いは圧縮器格子の分散にマッチする適当な２次及び３次分散を持つ特別にデザインされたファイバが使用される。
【００２４】
非偏光保持ファイバ伸長器の場合、偏光を保持するために二重パス構成が使用されなければならない。通常、偏光ビームスプリッタキューブとファラデー回転子ミラーの組み合わせが使用される。通常、モードロックレーザ或いはパルス選別器からの源ビームが、偏光ビームスプリッタを通過し、偏光ビームスプリッタからの出力が、自由空間を介して伸長器に結合された。二重パスと偏光ビームスプリッタの通過後、伸長パルスは、パルス選別器或いは前置増幅器に送られた。
【００２５】
通信組み立て手順（すなわち、集積化、ファイバ融着）を利用するためにと、本発明のファイバベース特性により、偏光保持ビームルータと偏光保持サーキュレータが使用される。基本的に、偏光保持ビームルータと偏光保持サーキュレータとは、偏光保持ファイバを備えてであるが、自由空間偏光ビームスプリッタとして同じように動作する。通信技術の進歩で、そのようなデバイスのパッケージは比較的容易な作業であり、必要であれば、密閉して封止される。
【００２６】
偏光保持ビームルータ或いは偏光保持サーキュレータをファラデー回転子ミラーと組み合わせることで、非偏光保持ファイバを備えていても偏光が保持される。さらに、通常の通信組み立て手順が使用される。図３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂに示されるように、ファイバの低速軸を望ましいビーム偏光に正確にマッチさせることで、システムの偏光がファイバ融着で保持される。
【００２７】
たとえば、偏光ビームスプリッタの第１ポートに入射するｓ−偏光ビーム（偏光ビームスプリッタに関する）は、第２ポートに向けられる。ファラデー回転子ミラーにより、反射ビームの偏光は、９０°回転され、ビームスプリッタを通過することができ、第３ポートに向けられる。第３ポートのピッグテール偏光保持ファイバが、ｐ−偏光ビームに合わせられた低速軸（或いは次のファイバ要素の偏光に依存する高速軸）を持つなら、全体のシステムの偏光が、二重パス構成の後で保持される。偏光保持サーキュレータが、同じデザインから作られ、そこでは、ファラデー回転子とファラデー回転子ミラーとが、パッケージに加えられ、第３ポートの偏光保持ファイバが、偏光ビームスプリッタに関して４５°傾けられる。最近の利用可能な通信用ファイバピッグテール素子を使って、チャープパルス増幅システムの前端部は、容易に且つ堅く作られる。都合よく、全ての要素は、それらを簡単に溶着することで接続される。
【００２８】
図２aを参照すれば、偏光保持ビームルータが描画されている。光源パルスは、偏光ビームスプリッタ２０の第１ポート２１に入射する。偏光保持ファイバ２２は、入ってくる光源パルスが偏光ビームスプリッタ２０に関連してｓ偏光状態で偏光保持ファイバ２２を伝搬するように、合わせられている。偏光保持ファイバ２２の場合、どちらかの伝搬軸に合わせることが許容される。入ってくる光源パルスは、コリメートされ、第２ポート２３に向けられる。第２ポート２３は、第２偏光保持ファイバ２４に結合される。第２偏光保持ファイバ２４の場合、どちらかの伝搬軸に合わせることが許容される。例えば、ファイバベースデバイスでは、非偏光保持分散補償ファイバ２６が、偏光保持ファイバ２４に直接融着され得る。ピッグテールファラデー回転子２５とミラー２７は、二重パスループを作るために、分散補償ファイバ２６に融着される。ファラデー回転子２５とミラー２７の間に結合された光デバイス３０は、透過型である。ファラデー回転子２５とミラー２７は、コリメートされた入力パルスを偏光ビームスプリッタ２０に反射して戻すが、パルスの偏光は、９０°回転される。偏光回転により、入力パルスは今や偏光ビームスプリッタ２０を透過し、第３ポート２８に結合される。入力パルスが、全ての偏光保持ファイバを低速軸に沿って伝搬すると仮定すると、第３ポート２８に結合された偏光保持ファイバ２９は、低速軸が偏光ビームスプリッタ２０に関連してｐ偏光とマッチするように、合わせられなければならない。
【００２９】
図２bを参照すれば、別の偏光保持ビームルータが描画されている。光源パルスは、偏光ビームスプリッタ２０の第１ポート２１に入射する。偏光保持ファイバ２２は、入ってくる光源パルスが偏光ビームスプリッタ２０に関連してｓ偏光状態で偏光保持ファイバ２２を伝搬するように、合わせられている。偏光保持ファイバ２２の場合、どちらかの伝搬軸に合わせることが許容される。入ってくる光源パルスは、コリメートされ、第２ポート２３に向けられる。第２ポート２３は、第２偏光保持ファイバ２４に結合される。第２偏光保持ファイバ２４の場合、どちらかの伝搬軸に合わせることが許容される。ファイバベースデバイスでは、非偏光保持分散補償ファイバ２６が、第２ポート２３に取り付けられた偏光保持ファイバ２４に直接融着され得る。図２aと異なり、ファラデー回転子ミラーが、二重パスを作るためにループの終端部に使用された。ファラデー回転子２５の後に結合されたファイバ格子（ミラーである）のような光デバイス３０は、透過型でない。ファラデー回転子２５と光デバイス３０は、コリメートされた入力パルスを偏光ビームスプリッタ２０に反射して戻すが、パルスの偏光は９０°回転される。偏光回転により、入力パルスは、今や偏光ビームスプリッタ２０を透過し、第３ポート２８に結合される。入力パルスが、全ての偏光保持ファイバを低速軸に沿って伝搬すると仮定すると、第３ポート２８に結合された偏光保持ファイバ２９は、低速軸が偏光ビームスプリッタ２０に関連してｐ偏光とマッチするように、合わせられなければならない。
【００３０】
図３aを参照すれば、偏光保持サーキュレータに改造された偏光保持ビームルータが、描画されている。図２aに描かれた偏光保持ビームルータを使用しながら、ファラデー回転子ミラー４１とファラデー回転子４２が、偏光サーキュレータ４０に加えられる。この実施形態では、非透過特性をもつ光デバイス３０の代わりに、透過特性をもつ光デバイス３０が使用される。したがって、ファラデー回転子ミラー４３が必要である。第３ポート２８に結合された偏光保持ファイバ２９は、偏光ビームスプリッタ４０に関連して４５°に合わせられる。偏光ビームスプリッタ４０に関連して、ｓ偏光をもつ光パルスが第１ポート２１に入力されるとすると、それは、上で議論したように第２ポート２３に向けられる。第２ポート２３からファラデー回転子２５とミラー２７で反射して戻された後、第３ポート２７で偏光保持ファイバ２９に結合される。上で議論したように、偏光保持ファイバ２９の低速軸が、第３ポート２８に結合される。第３ポート２８に結合された偏光保持ファイバ２９の低速軸を伝搬する光パルスが、偏光サーキュレータ４０に注ぎ戻されるなら、ファラデー回転子４２は、光パルスを４５°回転させるであろう。その光パルスは、第１ポート２１の反対側に位置するファラデー回転子ミラー４１に向けられるであろう。ファラデー回転子ミラー４１から反射して戻された後、第１ポート２１に向けられるであろう。
【００３１】
図３bを参照すれば、二番目の偏光保持サーキュレータが描画されている。図２bに描かれた偏光保持ビームルータを使用しながら、ファラデー回転子ミラー４１とファラデー回転子４２が偏光サーキュレータ４０に加えられる。二番目の偏光保持サーキュレータは、上述の一番目の偏光保持サーキュレータと同じように動作する。図２aと図２bに描画された偏光保持ビームルータ、或いは図３aと図３bに描画された偏光保持サーキュレータを使用することで、二重パス構成システムは、非偏光保持ファイバを一緒に簡単に融着して構築され得る。
【００３２】
図４aを参照すれば、二重パス偏光保持伸長器が描画されている。シングルモード非偏光保持分散補償ファイバ５１が、偏光保持ビームルータ５０とファラデー回転子ミラー５２との間に結合される。偏光保持ビームルータの代わりに、偏光保持サーキュレータが使用され得る。図４bを参照すれば、二番目の二重パス偏光保持伸長器が描画されている。前の伸長器システムと同様に、偏光保持ビームルータ５０が使用される、或いは替わりに偏光保持サーキュレータが使用される。ファラデー回転子ミラーの代わりに、二番目の二重パス偏光保持伸長器は、ファラデー回転子５３と非偏光保持ファイバ格子５４を使用する。ファイバ格子５４は、線形或いは非線形チャープである。
【００３３】
図５aを参照すれば、二重パス伸長器がエルビウムドープファイバ増幅器に従属接続される。偏光保持ビームルータ６０は、シングルモード非偏光保持分散補償ファイバ６１に結合され、ファイバ６１は、１４８０／１５５０ナノメートル波長分割多重送信器６２に結合される。偏光保持ビームサーキュレータが、偏光保持ビームルータ６０の代わりに用いられ得る。１４８０ナノメートルのポンプダイオード６５が、１４８０／１５５０ナノメートル波長分割多重送信器６２に結合される。エルビウムドープファイバ増幅器６３が、ファラデー回転子ミラー６４と１４８０／１５５０ナノメートル波長分割多重送信器６２の間に結合される。図５bを参照すれば、二番目の二重パス伸長器が、イットリビウム／エルビウムドープファイバ増幅器に従属接続される。偏光保持ビームルータ６０は、シングルモード非偏光保持分散補償ファイバ６１に結合され、ファイバ６１は、９８０／１５５０ナノメートル波長分割多重送信器６６に結合される。偏光保持ビームサーキュレータが、偏光保持ビームルータ６０の代わりに用いられ得る。９８０ナノメートルのポンプダイオード６８が、９８０／１５５０ナノメートル波長分割多重送信器６６に結合される。イットリビウム／エルビウムファイバ増幅器６７が、ファラデー回転子ミラー６４と９８０／１５５０ナノメートル波長分割多重送信器６６の間に結合される。
【００３４】
図６を参照すれば、本発明に関するチャープパルス増幅システムが描画されており、その増幅システムは、非偏光保持要素を備えるファイバベース偏光保持二重パス構成を使用している。偏光保持ビームルータ７０は、シングルモード非偏光保持分散補償ファイバ７１に結合され、そのファイバ７１は、波長分割多重送信器７２に結合される。ポンプダイオード７３は、波長分割多重送信器７２に結合される。増幅器ファイバ７４は、ファラデー回転子ミラー７５と波長分割多重送信器７２の間に結合される。モードロックレーザ７６は、偏光保持ビームルータ７０に入力パルスを供給する。偏光保持ビームルータ７０からの出力パルスは、以前記述した電気−光学変調器７７をパルス選別器として使用して選別される。増幅器７８が出力パルスを増幅し、圧縮器７９がその出力パルスを圧縮する。
【００３５】
LiNbO3変調器の偏光感受特性により、それは他の非偏光保持要素を備える同じ二重パスループに使用されない。しかしながら、電気−吸収変調器は、低消費電力、低駆動電圧、小寸法、大きな電気−光学バンド幅をもち、且つ、最も重要なことに、偏光不感受性である。したがって、電気−吸収変調器は、他の非偏光保持要素を備える二重パスループの中に配置され、その結果、より一層コンパクトな形状となる。図７と８に示すように、変調器は、伸長器とエルビウムドープファイバ増幅器の同じループ中にあるか、或いは、最後のパワー増幅器中にあり、第２パルス選別器として使用される。
【００３６】
図７を参照すれば、コストを低くし且つよりコンパクトなシステムをデザインするために、変調器が二重パスループに付加され得る。これは、LiNbO3変調器の場合、偏光制限により実施できないが、別のタイプの変調器は、そのような機能を実行することができる。
電気−吸収変調器は、偏光不感受性である。したがって、電気−吸収変調器は、パルス伸長器とエルビウムドープファイバ増幅器のような前置増幅器に従属接続され得る。
【００３７】
図７に図解されるように、本発明に関する二番目のチャープパルス増幅システムが描画されている。偏光保持ビームルータ８０は、パルス伸長器として動作する非偏光保持分散補償ファイバ８２に結合される。モードロックレーザ８１は、偏光保持ビームルータ８０に入力パルスを供給する。モードロックレーザ８１からの典型的な出力パルスは、５ミリワットで０．１ナノジュールのパワーをもつ５０メガヘルツ、３００フェムト秒パルスである。パルス伸長器として作動する非偏光保持分散補償ファイバ８２と電気−吸収変調器８４との間に、前置増幅器ファイバ８３が結合される。一般に、選別されたパルスが、解放されたゲートを通過することができる限り、変調器は、二重パスループの任意の位置に融着され得る。典型的に、パルス伸長器でのパルス特性は、５０メガヘルツで２００−３００ピコ秒、３ミリワット、０．０６ナノジュールである。ファラデー回転子ミラー８５は、電気−吸収変調器８４に結合される。偏光保持ビームルータ８０は、ビームスプリッタ８６に結合される。本発明で、偏光保持ビームルータ８０からの出力パルスは、２００キロヘルツで約２００−３００ピコ秒、１０ナノジュールである。ビームスプリッタ８６とファラデー回転子ミラー８８との間に、イットリビウム／エルビウム・エルビウムドープファイバ増幅器８７が結合される。好ましくは、そのイットリビウム／エルビウム・エルビウムドープファイバ増幅器８７は、４ワットに増幅されるマルチモードファイバである。ビームスプリッタ８６からのパルス出力は、通常２００キロヘルツの繰り返し周期で２００−３００ピコ秒の長さであり、４００ミリワット及び２マイクロジュールより大きな強さである。
【００３８】
図８を参照すれば、本発明に関する三番目のチャープパルス増幅システムが描画されている。線形或いは非線形チャープし、且つパルス伸長器として作動するファイバ格子９２に、偏光保持ビームルータ９０が結合される。典型的に、パルス伸長器でのパルス特性は、５０メガヘルツで２００−３００フェムト秒、３ミリワット、０．０６ナノジュールである。モードロックレーザ９１は、偏光保持ビームルータ９０に入力パルスを供給する。モードロックレーザ８１からの典型的な出力パルスは、５ミリワットで０．１ナノジュールのパワーをもつ５０メガヘルツ、３００フェムト秒パルスである。モードロックレーザ９１からの繰り返し周期を下げるために、偏光保持ビームルータ９０の出力は、第１変調器９３（電気−光学或いは電気−吸収）に結合される。第１変調器９３の出力は、ビームスプリッタ９４に結合され、イットリビウム／エルビウム或いはエルビウムドープファイバ増幅器９５が、ビームスプリッタ９４と第２変調器９６（電気−吸収）の間に結合される。本発明で、第１変調器９３からの出力パルスは、１０メガヘルツの繰り返し周期で２００−３００ピコ秒の長さであり、０．３ミリワット及び０．０３ナノジュールである。第２変調器は、パルス繰り返し周期をさらに減少させ、選別されたパルスが第２変調器を通過でき、イットリビウム／エルビウム或いはエルビウムドープファイバ増幅器９５で増幅される。好ましくは、イットリビウム／エルビウム或いはエルビウムドープファイバ増幅器８７は、４ワットまで増幅されるマルチモード増幅器である。ファラデー回転子ミラー９７は、第２変調器９６から出力されるパルスを反射し、且つ回転させる。ビームスプリッタ９４からのパルス出力は、通常４００キロヘルツの繰り返し周期で２００−３００ピコ秒の長さであり、４００ミリワット及び１マイクロジュールより大きな強さである。システムに出力される前に、増幅されたパルスは、圧縮器格子９８を用いてフェムト秒或いはピコ秒の範囲に圧縮して戻される。
【００３９】
図８に示すように、選別されたパルスは、二重パス側面−ポンプ配列を使って、増幅され得る。さらに、選別されたパルスを増幅するために端面−ポンプ構成も使用され得る。通常端面−ポンプ構成は、高パワーマルチモードポンプダイオードを利用できるために、より高い出力パワーとより高いパルスエネルギを与える。非線形性のために、最終増幅器に使用される増幅器ファイバは、マルチモードファイバでなければならない。コア寸法が大きいほど、非線形効果の厳しさは少ないが、シングルモード動作を制御することが難しい。Fermann他に交付された米国特許No.5,818,630で、そのようなマルチモードシステムでシングルモード動作を制御するために、モードフィルタ及び／或いはモード変換器が使用された。しかしながら、本発明では、増幅器ファイバを種とポンプに関して注意深く調整することで、２０マイクロメートルまでのファイバコア寸法をもつ二重クラッドマルチモードファイバでモードフィルタ或いはモード変換器なしで、シングルモード動作が達成される。ファイバコア寸法が２５マイクロメートルより大きくなると、シングルモード動作は未だ達成されるが、特にファイバに触れたりファイバを動かしたりすると、シングルモード動作を維持することが困難である。
【００４０】
通常、電気−光学変調器或いは電気−吸収変調器からは不十分なコントラスト比が予想される（＜２３デシベル）。しかし、チャープパルス増幅システムでは、特に１００：１（或いはさらに高い）パルス選別の場合、３０デシベル或いはそれ以上のコントラスト比が通常要求される。その要求されるコントラスト比を達成するために、第２変調器は第１変調器に従属接続され且つ同期される。二重パス構成での一つの電気−吸収変調器、或いは従属接続連鎖での二つの電気−光学変調器或いは電気−吸収変調器と、同期回路とで、コントラスト比は倍にされる。さらに、パルス選別器とパワー増幅器の間に第２エルビウムドープファイバ増幅器を付加することは、コントラスト比を少なくとも３０デシベルまで容易に押し上げる。
【００４１】
図９を参照すれば、モードロックレーザ１００からのパルス行列が、第１変調器１０１に入力される。第１変調器１０１は、電気−光学変調器或いは電気−吸収変調器である。第１変調器１０１は、第２変調器１０２に結合される。第２変調器１０２も電気−光学変調器或いは電気−吸収変調器でる。同期回路１０３は、第１変調器１０１を第２変調器１０２と同期させる。動作中、第１変調器１０１からの選別されたパルスは、無視できる損失で第２変調器１０２を通過できる。第１変調器１０１からの阻止されたパルスは、第２変調器１０２で高い損失を受けるので、第２変調器１０２の後でコントラスト比は、倍にされる。これに対する別の解は、変調器と最終増幅器との間に第２エルビウムドープファイバ増幅器（或いはイットリビウム／エルビウム又はエルビウムドープファイバ増幅器）を付加することである。このやり方で３０デシベルのコントラスト比が容易に達成される。
【００４２】
市販の入手可能な変調器（LiNbO3変調器）を使うことで、本発明は、IMRAフェムトライトレーザからの５０メガヘルツ、３００フェムト秒パルスを１００キロヘルツに低下させ、二重クラッドイットリビウム／エルビウムエルビウムドープファイバ増幅器から１９ワットのポンプで１．２ワットを越える出力を得る。２００キロヘルツの繰り返し周期で、本発明は、圧縮後２マイクロジュール、８２０フェムト秒を得ることができる。そのスペクトルとパルスプロフィールが図１０に示される。
【００４３】
本発明の望ましい実施形態の前の記載は、図解と記述のために与えられた。類似のことは、Ｙｂドープファイバシステムのための１．０６μｍのような他の波長で得られる。網羅的であること或いは本発明を開示された明確な形に限定することは意図していない。修正と変更は、上の教示に照らして可能であるか、或いは本発明の実行から獲得される。当業者が本発明を様々な実施形態及び熟慮された特殊な用途に適するような種々の修正点をもつ実施形態で利用できるようにするべく本発明の原理とその実際的な応用を説明するために、実施形態は選定され記載された。
【００４４】
したがって、ここには本発明の一定の実施形態のみが記述されているが、多数の修正が本発明の精神と目的から離脱しないで、なおその上行われることは明らかである。したがって、本発明は、以下のように一般的に特徴づけられる多数の概念を含む。
【００４５】
一つの広い概念において、本発明は、モードロックレーザと、該モードロックレーザの出力端に結合されたパルス選別器と、を含み、該パルス選別器が印加変調電圧に基づいてパルスの出力行列を変調する、ファイバ光学システムのためのチャープパルス増幅器として、特徴づけられる。ここに、該パルス選別器は、LiNbO3変調器であろう電気−光学変調器、或いは電気−吸収変調器でよい。
本発明の別の概念に関して、本発明は、モードロックレーザと、該モードロックレーザの出力端に結合された偏光保持デバイスと、該偏光保持デバイスの第１出力端に結合されたパルス伸長器と、該パルス伸長器に結合された増幅器と、該偏光保持デバイスの第２出力端に結合された第１パルス選別器と、を含むファイバ光学システムのためのチャープパルス増幅器として、特徴づけられる。ここに、該パルス伸長器は、（１）非偏光保持分散補償ファイバ及びファラデー回転子ミラー；（２）非偏光保持分散シフトファイバ及びファラデー回転子ミラー；（３）線形チャープファイバ格子及びファラデー回転子；（４）非線形チャープファイバ格子及びファラデー回転子、或いは類似のデバイス、の一つでよい。
さらにここで、該増幅器は、エルビウムドープファイバ増幅器或いはエルビウム／イットリビウム又はイットリビウムドープファイバ増幅器と、波長分割多重送信器と、ダイオードポンプと、を含んでもよい。
さらにここで、該第１パルス選別器は、再び電気−光学変調器或いは電気−吸収変調器でよい。
さらにここで、該偏光保持デバイスは、偏光保持ビームルータを含み、その入力及び出力ファイバのファイバ軸方位は、偏光ビームスプリッタの方位に一致する。さらに、ファラデー回転子が、該偏光保持ビームルータの第１ポートに配置されてもよく、該偏光保持ビームルータのそのポートのファラデー回転子ミラーは、光学デバイスの場合、透過型である。
本発明のこの概念は、さらに該第１パルス選別器の出力端に結合された第２パルス選別器と、該第１パルス選別器を該第２選別器と同期させる同期制御器と、を含む。該第２選別器は、再び電気−光学変調器或いは電気−吸収変調器である。
さらなる概念に関して、本発明は、約１５５０ナノメートル或いは他の波長で動作するファイバ光学システムのためのチャープパルス増幅器として特徴づけられてもよく、該増幅器は、モードロックレーザと、該モードロックレーザの出力端に結合された偏光保持デバイスと、該偏光保持デバイスの第１出力端に結合されたパルス伸長器と、該パルス伸長器に結合された第１増幅器と、該第１増幅器に結合されたパルス選別器と、該偏光保持デバイスの第２出力端にビームスプリッタを通して結合された第２増幅器と、を含む。ここで、該パルス伸長器は、様々に具体化されてもよく、（１）非偏光保持分散補償ファイバ及びファラデー回転子ミラー、ここで該パルス伸長器が該第１増幅器と該ファラデー回転子ミラーの間に結合される；（２）非偏光保持分散シフトファイバ及びファラデー回転子ミラー、ここで該パルス伸長器が該第１増幅器と該ファラデー回転子ミラーの間に結合される；（３）線形チャープ偏光保持ファイバ格子及びファラデー回転子、ここで該パルス伸長器が該第１増幅器と該ファラデー回転子の間に結合される；（４）非線形チャープ偏光保持ファイバ格子及びファラデー回転子、ここで該パルス伸長器が該第１増幅器と該ファラデー回転子の間に結合される、を含む。
さらにここで、該第１増幅器は、エルビウムドープファイバ増幅器或いはエルビウム／イットリビウム又はイットリビウムドープファイバ増幅器、波長分割多重送信器、ダイオードポンプ、でもよい。
さらにここで、該偏光保持デバイスは、偏光保持ビームルータでよく、その入力及び出力ファイバのファイバ軸方位は、偏光ビームスプリッタの方位に一致し、且つ該偏光保持ビームルータの第１ポートに配置されたファラデー回転子を含み、該偏光保持ビームルータのそのポートのファラデー回転子ミラーは、光学デバイスの場合、透過型である。
さらにここで、第２増幅器は、シングルモード増幅器として動作する二重クラッドマルチモード増幅器ファイバでよい。その場合、該マルチモード増幅器ファイバコアは、直径で２０マイクロメートルに等しいか或いはそれ未満でよい。
本発明のさらなる概念に関して、本発明は、モードロックレーザと、該モードロックレーザの出力端に結合された偏光保持デバイスと、該偏光保持デバイスの第１出力端に結合されたパルス伸長器と、該偏光保持デバイスの第２出力端に結合された第１パルス選別器と、該第１パルス選別器の出力端にビームルータを通して結合された第２増幅器と、該第２増幅器に結合された第２パルス選別器と、を含むファイバ光学システムのためのチャープパルス増幅器として、特徴づけられる。
ここで、該パルス伸長器は、様々な例の中で、線形チャープファイバ格子とファラデー回転子；或いは非線形チャープファイバ格子とファラデー回転子、でよい。該第１パルス選別器は、また電気−光学変調器或いは電気−吸収変調器でよい。さらにここで、該偏光保持デバイスは、偏光保持ビームルータを含むことができ、その入力及び出力ファイバのファイバ軸方位は、該偏光保持ビームルータの第１ポートに配置されたファラデー回転子と共に、偏光ビームスプリッタの方位に、一致し、該偏光保持ビームルータのそのポートのファラデー回転子ミラーは、光学デバイスの場合、透過型である。
この概念にさらに関連して、該第２増幅器は、シングルモード増幅器として動作する二重クラッドマルチモード増幅器ファイバでよく、その場合、該二重クラッドマルチモード増幅器ファイバコアは、直径で２０マイクロメートルに等しいか或いはそれ未満である。
【００４６】
どの頭字語も明細書と請求の範囲の可読性を単に高めるために使用される。これら頭字語は、使用された用語の一般性を減らすつもりでなく、且つそれらはここに記載された実施形態に対する請求の範囲の目的を制限するべく解釈されるべきでないということを認めるべきである。
【図１】
2011133902.tif 000003
【図２Ａ】
2011133902.tif 000004
【図２Ｂ】
2011133902.tif 000005
【図３Ａ】
2011133902.tif 000006
【図３Ｂ】
2011133902.tif 000007
【図４Ａ】
2011133902.tif 000008
【図４Ｂ】
2011133902.tif 000009
【図５Ａ】
2011133902.tif 000010
【図５Ｂ】
2011133902.tif 000011
【図６】
2011133902.tif 000012
【図７】
2011133902.tif 000013
【図８】
2011133902.tif 000014
【図９】
2011133902.tif 000015
【図１０Ａ】
2011133902.tif 000016
【図１０Ｂ】
2011133902.tif 000017