(57)【要約】  単一モードマスターレーザ(１０)及び多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザ(２０)を備えるレーザ源の動作方法が提供される。この方法によれば、マスターレーザの単一モード光出力とＶＣＳＥＬスレーブレーザの多モード光共振器の目標モードの空間／スペクトル結合が、レーザ源における光注入モード同期を容易にするために、相対モード整合空間／スペクトル結合から相対不整合空間／スペクトル結合に推移するように制御される。さらに、単一モードマスターレーザ及び多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザを備えるレーザ源が提供される。単一モードマスターレーザはレーザ源における光注入モード同期を容易にする波長可変素子(６０)及び空間位置調整素子(１５)を備え、空間不整合光シーディングの結果、ＶＣＳＥＬスレーブレーザの変調帯域幅が拡張される。
2011520260.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一モードマスターレーザ及び多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザを備えるレーザ源の動作方法において、
前記マスターレーザの単一モード光出力が、前記多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの光共振器を光注入同期させるに十分な注入比Ｐマスター/Ｐスレーブで前記多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの前記光共振器に空間的及びスペクトル的に結合され、
前記方法が、前記レーザ源における光注入モード同期を容易にするために、前記マスターレーザの前記単一モード光出力と前記ＶＣＳＥＬスレーブレーザの前記多モード光共振器の目標モードの前記空間／スペクトル結合を制御して、相対モード整合空間／スペクトル接合から相対不整合空間／スペクトル結合に推移させる工程を含み、
前記マスターレーザの前記単一モード光出力が、前記相対不整合空間結合の下で、前記多モード光共振器の前記目標モードの周辺空間領域に主として結合され、
前記マスターレーザの前記単一モード光出力が、前記相対不整合スペクトル結合の下で、前記多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの前記目標モードの中心波長λスレーブより短い中心波長λマスターを有する、
ことを特徴とするレーザ源の動作方法。
【請求項２】
前記空間結合が、前記単一モード光出力のビームスポット位置を前記多モード光共振器の入力アパーチャに対して調節することによって制御されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ源の動作方法。
【請求項３】
前記空間結合が、前記多モード光共振器の入力アパーチャにおける前記マスターレーザの前記単一モード光出力の断面を前記入力アパーチャの断面の分数の大きさに制限するように構成された光素子を用いて前記マスターレーザの前記単一モード光出力を与えることによって、容易にされることを特徴とする請求項１に記載のレーザ源の動作方法。
【請求項４】
前記マスターレーザが波長可変レーザを含み、前記スペクトル結合が前記マスターレーザの前記単一モード光出力の前記中心波長λマスターを調整することによって制御されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ源の動作方法。
【請求項５】
前記マスターレーザの前記単一モード光出力が前記多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザに、前記単一モード光出力及び前記多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの前記目標モードのそれぞれの偏光を、偏光コントローラを用いて整合させることによって、結合されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ源の動作方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００８年５月２日に出願された、米国特許出願第６１/０４９８６８号の恩典と、それに優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、光システムにおける多モード縦型キャビティ表面発光レーザ(ＶＣＳＥＬ)の使用に関し、さらに詳しくは、多モードＶＣＳＥＬの直接変調性能を向上させるための光注入同期(ＯＩＬ)手法に関する。上述したレーザ源に対する特定の応用例には、とりわけ、高速短距離光ファイバネットワーク及び光ファイバ無線システムがあるが、これらには限定されない。
【背景技術】
【０００３】
本発明の発明者等は、多モードＶＣＳＥＬが、単一モードＶＣＳＥＬよりも大きな許容度及び高い歩留により高費用効率で製造できるから、レーザ源の魅力的なコンポーネントになり得ることを認識した。しかし、発明者等は、ＶＣＳＥＬの多モード性がレーザ源におけるモード競合雑音及びモード分散−高変調速度及び／または長送信距離が要求される用途へのこれらのデバイスの使用を妨げ得る要因−を導入し得ることも認識した。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本開示にしたがえば、多モードＶＣＳＥＬの直接変調性能を向上させるための手法として光注入同期(ＯＩＬ)を用いて、大きく拡張された帯域幅及び送信距離を達成することができる。この結果、光注入同期多モードＶＣＳＥＬを組み込んでいるレーザ源は、高速低コスト光送信器として構成することができ、次世代１００Ｇｂ/秒イーサネット（登録商標）及びローカルエリアネットワーク(ＬＡＮ)用の重要コンポーネントとして機能することができる。例えば、本開示では、３ｄＢ帯域幅が３ＧＨｚの１５５０ｎｍ自走多モードＶＣＳＥＬに光注入同期を用いて、５４ＧＨｚの共振周波数及び３８ＧＨｚの３ｄＢ帯域幅を得ることができると考えられている。さらに、本手法は８５０ｎｍまたは９８０ｎｍのような別の波長に容易に適用できる。
【０００５】
上記の性能は、一般に空間的及びスペクトル的に十分に分離されたモードを有する、多モードＶＣＳＥＬの特有の特性を強化することによって可能になる。以下でさらに詳細に説明されるように、この分離により、基本横モードへの、ただしこれには限定されない、有効な優先注入同期が容易になる。本明細書に説明される手法は、スレーブレーザまたはマスターレーザへの、振幅変調、位相変調または周波数変調のような、相異なる様々な変調様式に適すると考えられる。
【０００６】
本開示の一実施形態にしたがえば、単一モードマスターレーザ及び多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザを備えるレーザ源の動作方法が提供される。本方法にしたがえば、レーザ源における光注入モード同期を容易にするため、相対モード整合空間／スペクトル結合から相対不整合空間／スペクトル結合に推移するように、マスターレーザの単一モード光出力とＶＣＳＥＬスレーブレーザの多モード光共振器の目標モードの空間／スペクトル結合が制御される。
【０００７】
本発明を説明し、定める目的のため、多モードＶＣＳＥＬが一般に波長が異なりまた空間パワー分布が異なる多数の横モードを発光することを発明者等が認識していたことにも注意されたい。いかなる与えられたバイアス電流または変調条件においても、これらのモードは同時に存在し得る。本明細書に説明される注入同期手法を用いれば、マスターレーザの光強度プロファイル及びスペクトルを与えられるモードに整合させることによって、これらのモードのいずれをも選択することができる。与えられるモードは本明細書において目標モードと称される。
【０００８】
本開示の別の実施形態にしたがえば、単一モードマスターレーザ及び多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザを備えるレーザ源が提供される。単一モードマスターレーザは、レーザ源における光注入モード同期を容易にする、波長可変素子及び空間位置調整素子を備える。本明細書に説明される注入同期手法は、直接変調することができる、多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザを単一モードマスターレーザを用いて光同期させる。得られるレーザ源は、高められたレーザ共振周波数及び拡張された帯域幅、低減された非線形歪、及び低減された周波数チャーピングを示す。
【０００９】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、添付図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、単一モードマスターレーザの光出力の、ＶＣＳＥＬスレーブレーザの多モード光共振器の基本モード及び一次横モードに対する空間的推移の略図である。
【図２】図２は単一モードマスターレーザ及び多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザを備えるレーザ源の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１及び２に示されるように、本開示にしたがうレーザ源１００は単一モードマスターレーザ１０及び多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザ２０を備える。動作において、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２は、光共振器２２を安定に注入同期させて二次光ビーム２５を発生させるに十分な注入比Ｐマスター/Ｐスレーブで多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザ２０の光共振器２２に空間的及びスペクトル的に結合される。本明細書に説明される光注入同期(ＯＩＬ)手法によれば、相対モード整合空間／スペクトル結合から相対不整合空間／スペクトル結合に推移するように、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２と多モード光共振器２２の目標モードの空間／スペクトル結合が制御される。この推移は、レーザ源１００における光注入同期を容易にし、以下でさらに詳細に説明される。
【００１２】
図１は、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２が多モード光共振器２２の目標モードに空間的に合わせられている相対モード整合空間結合から、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２が多モード光共振器２２の目標モードの周辺空間領域に主として結合されている相対不整合空間結合に推移するように、レーザ源１００を動作させることができる態様の一例を示す。
【００１３】
空間結合は、単一モード光出力１２のビームスポット位置を多モード光共振器２２の入力アパーチャに対して調節することによって制御することができる。限定ではなく、例として、ビームスポット位置は、多モード光共振器２２の入力アパーチャにほぼ平行な次元に沿ってマスターレーザ１０の光出力１２を平行移動させることによって調節することができる。あるいは、ビームスポット位置は、出力ビームを操舵する、すなわち、マスターレーザ１０の光出力１２の多モード共振器２２の入力アパーチャに対する入射角を変えることによって調節することができる。上述した平行移動及びビーム操舵は図１に空間位置調整素子１５の方向矢印によって簡略に示される。
【００１４】
空間結合は、多モード光共振器２２の入力アパーチャにおける光出力１２の断面を入力アパーチャの断面の分数の大きさに制限するように構成された光素子を用いてマスターレーザ１０の単一モード光出力１２を提供することによって、さらに容易にすることができる。限定としてではなく、例として、光出力１２の断面を多モード光共振器２２の入力アパーチャの断面の約１/２より小さく制限するために、レンズ付のまたは劈開された光ファイバを用いることができる。多くの実施形態において、マスターレーザの光出力の断面はほぼ２μｍとほぼ１０μｍの間にあり、多モード光共振器の入力アパーチャの断面はほぼ７μｍとほぼ５０μｍの間にあるであろう。
【００１５】
スペクトル結合における上述した推移は表１を参照して示すことができる。表１は相対モード整合スペクトル結合から相対不整合スペクトル結合へ推移を示すデータを提示する。詳しくは、モード整合空間結合の下で、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２は多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの基本横モード中心波長λスレーブよりも長いかまたは比較的近い中心波長λマスターから、例えばλマスター−λスレーブ＝０.４８ｎｍで、スタートする。単一モード光出力１２は続いて、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２が多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの基本横モード中心波長λスレーブよりかなり短い中心波長λマスターを有する、例えばλマスター−λスレーブ＝−０.３６６ｎｍの、相対不整合スペクトル結合に推移する。表には中間のスペクトル結合値も示され、いずれの値も相対不整合空間結合に適する条件として見ることができるであろう。
【表１】
2011520260.tif 000003
【００１６】
本発明を説明し、定める目的のため、注入比Ｐマスター/Ｐスレーブは、自走ＶＣＳＥＬの出力パワーに対する、ＶＣＳＥＬ上に入射すると推定される光パワーの比として測定されることに注意されたい。また、λマスター−λスレーブの値はマスターレーザと自走ＶＣＳＥＬの波長差として測定されることにも注意されたい。
【００１７】
λマスター−λスレーブ＝０.４８ｎｍからλマスター−λスレーブ＝−０.３６６ｎｍへの推移において、マスターレーザの波長は理想的モード整合スペクトル状態のλマスター−λスレーブ＝０ｎｍを必ず通過して、相対不整合スペクトル状態のλマスター−λスレーブ＝−０.３６６ｎｍに至るであろうから、表１に示されるスペクトル推移は相対モード整合状態から相対不整合状態への推移として特徴を表すことができる。本開示のスペクトル推移の実行において、相対モード整合スペクトル状態が理想的モード整合スペクトル状態を含む必要はないことに注意されたい。むしろ、マスターレーザは、相対不整合スペクトル状態への推移に際してモード同期を容易にするに十分にモード整合されているスペクトル状態から推移する必要があるに過ぎない。これらの２つのタイプの状態に対する特定の波長値または関係は、マスターレーザ及びスレーブレーザのそれぞれの構成に依存して変化するであろう。
【００１８】
図１に示される一次横モードが目標モードである場合についての上述した空間／スペクトル推移は、表２に示されるように、モード整合スペクトル／空間状態が一次横モードを整合するようにシフトされることを除き、基本横モードに関して上述した空間／スペクトル推移と類似であろう。
【表２】
2011520260.tif 000004
【００１９】
表１及び２のデータは、図１に示されるような、モード整合空間状態から不整合空間状態へのマスター／スレーブ構成の推移を表す。表１及び２は、マスターレーザが相対不整合スペクトル状態に向けて推移する間の注入同期レーザ源の注入パワー比及び共振周波数も示す。
【００２０】
パワーコントローラ５０，波長可変レーザコントローラ６０及び出力ビームポジショナー７０を用いて注入パワー比及び空間／スペクトル状態の不整合状態に向かう推移を最適化することにより、同期が有効で安定な領域を見いだすことができる。ほぼ−５ｄＢとほぼ３０ｄＢの間の注入パワー比が適するようであるが、様々な注入パワー比が考えられる。例えば、注入パワー比Ｐマスター/Ｐスレーブ及び空間／スペクトル結合を制御してほぼ５０ＧＨｚをこえる共振周波数とほぼ３０ＧＨｚをこる３ｄＢ帯域幅を達成することができる。注入比Ｐマスター/Ｐスレーブを高めるために単一モードから多モードへの転移を用いることができ、例えば、マスターレーザ入力ポートとしての単一モードファイバポート、多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの入出力結合のための多モード／単一モードハイブリッドファイバポート、及び多モードファイバまたは単一モードファイバの出力ポートを有する、３ポート融着ファイバカプラを備えることができる。
【００２１】
ある範囲のスペクトル結合条件にわたる共振周波数の大きな向上は、上述した相対不整合空間結合に適する条件として様々なスペクトル結合条件を見ることができるであろうことを示す。性能低下を回避するため、レーザ共振周波数が使用最高ＲＦ周波数を大きく上まわることが望ましい。波長可変レーザであるマスターレーザを提供し、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２の中心波長λマスターを適する値に、一般にはｎｍの分数の大きさだけ、調整することによって、スペクトル結合を制御することができる。単一モードマスターレーザ１０には、スレーブレーザ２０と構造的に独立であるかまたは構造的に一体化されており、上面、底面または外部キャビティからの注入同期によって多モードＶＣＳＥＬを安定に注入同期させるように構成することができる、例えば、ＤＢＲレーザ、ＤＦＢレーザ、ファブリ−ペロレーザ、ＶＣＳＥＬまたはファイバレーザを含めることができる。
【００２２】
表１及び２に提示されたデータから明らかなように、中心波長λマスターは、上述した不整合スペクトル結合に向けて推移するから、当初は多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの目標モード中心波長λスレーブより長くするかまたは短くすることができる。多くの場合、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２のスペクトル結合は、相対モード整合スペクトル結合と相対不整合スペクトル結合が多モード光共振器の基本モードと一次横モードの間のモード間隔の分数の大きさでしかない波長間隔によって隔てられるように、制御されるべきであると考えられる。例えば、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２のスペクトル結合は、相対モード整合スペクトル結合と相対不整合スペクトル結合がほぼ０.１ｎｍとほぼ１.５ｎｍの間の波長間隔だけ隔てられるように、制御できると考えられる。いくつかの場合、中心波長λマスターがスレーブ共振器２２の基本モードと一次横モードの間に入るように単一モード光出力１２のスペクトル結合が制御されることが保証されれば、それで十分であり得る。
【００２３】
多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザ２０は、マルチモード動作を強制し、変調帯域幅を拡張するように、バイアスすることができる。例えば、一次横モードが基本モードよりほぼ１ｎｍからほぼ２ｎｍ短い波長にあることは珍しくないであろう。いずれの場合にも、基本モード同期範囲は基本モードの中心波長より約１.５ｎｍ短い波長から約３ｎｍ長い波長までの範囲にあり得るであろう。
【００２４】
必要ではないが、バイアスされた多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザは少なくとも２つの相異なる偏光モードを有する基本モード及び一次横モードを発光することが多いであろうから、レーザ源１００は偏光コントローラ３０をさらに備えるべきである。偏光コントローラ３０は単一モード光出力１２及び多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザ２０の目標モードのそれぞれの偏光を整合させるために用いることができる。さらに、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２は、マスターレーザ１０への光フィードバックを防止するために、光サーキュレータ４０を介して多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザ２０の光共振器２２に光結合させることができる。マスターレーザ１０の単一モード光出力１２は、例えば、３ｄＢ光スプリッタ、ビームスプリッタまたは偏光ビームディスプレイサを介して、多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザのアレイの光共振器に光結合させることができるとも考えられる。最後に、マスターレーザ１０の単一モード光出力１２は、多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの基本光モードまたは高次光横モードとモード整合させた結合ファイバを介して、多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザの光共振器に結合させることができると考えられる。
【００２５】
特定の特性を具現化するために、または特定の態様で機能させるために、特定の仕方で「構成されている」本開示のコンポーネントの本明細書における叙述は、目的用途の叙述に対するものとしての、構造の叙述であることに注意されたい。さらに詳しくは、コンポーネントが「構成されている」態様への本明細書における言及はコンポーネントの既存の物理的状態を表し、したがって、コンポーネントの構造的特徴の限定的叙述としてとられるべきである。
【００２６】
本発明を説明し、定める目的のため、語句「実質的に」は、本明細書において、いずれかの量的比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させ得る不確定性の固有の大きさを表すために用いられることに注意されたい。語句「実質的に」は、本明細書において、論じられている主題の基本機能に変化を生じさせずに言明された基準から量的表現が変わり得る大きさを表すためにも用いられる。
【００２７】
「好ましくは」、「普通に」及び「一般に」のような語句は、本明細書に用いられる場合、特許請求される本発明の範囲を限定するため、あるいは特許請求される本発明の構造または機能にある特徴が必須であるか、肝要であるかまたは重要であることさえも意味するためには用いられていないことに注意されたい。むしろ、これらの語句は、本開示の実施形態の特定の態様を識別すること、あるいは本開示の特定の実施形態に用いられても用いられなくとも差し支えない代わりのまたは追加の特徴を強調することが、意図されているに過ぎない。
【００２８】
本発明を説明し、定める目的のため、語句「ほぼ」は、本明細書において、いずれかの量的比較、値、測定値またはその他の表現に帰因させ得る固有の不確定性の大きさを表すために用いられることに注意されたい。語句「ほぼ」は、本明細書において、論じられている主題の基本機能に変化を生じさせずに言明された基準から量的表現が変化し得る大きさを表すためにも用いられる。
【００２９】
本開示の主題を、本開示の特定の実施形態を参照することで、詳細に説明したが、添付される特許請求の範囲に定められる本発明の範囲を逸脱しない改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本開示のいくつかの態様が本明細書において好ましいかまたは特に有利であるとして識別されるが、本開示はそれらの態様に限定される必要はないと考えられる。
【００３０】
添付される特許請求項の１つないしさらに多くでは語句‘wherein’が移行句として用いられていることに注意されたい。本発明を定める目的のため、この語句は非限定的移行句として特許請求項に組み入れられていることに注意されたい。
【符号の説明】
【００３１】
１０    単一モードマスターレーザ
１２    単一モード光出力
１５    空間位置調整素子
２０    多モードＶＣＳＥＬスレーブレーザ
２２    光共振器
２５    二次光ビーム
３０    偏光コントローラ
４０    光サーキュレータ
５０    パワーコントローラ
６０    波長可変レーザコントローラ
７０    出力ビームポジショナー
１００    レーザ源
【図１】
2011520260.tif 000005
【図２】
2011520260.tif 000006
【国際調査報告】
2011520260.tif 000007
2011520260.tif 000008