(57)【要約】受動的なモードロック８の字型レーザが全て正常分散ファイバで形成され、異常分散ファイバを使う必要性を省く。ファイバは偏波保持であるように選択され、レーザの残りの構成要素（結合器、アイソレータ、利得ファイバ）も偏波保存要素として形成される。一実施例において、Ｙｂドープファイバ部分が利得要素として使われる。好ましくは外部の変調構成要素（振幅、あるいは位相）が受動的モードロッキングを開始させるために用いられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザであって、
偏波保持正常分散シングルモード光ファイバの第一のループを含み、前記第一のループは、入射する光ポンプ信号に応答して増幅された信号を生成する偏波保持ドープファイバ部分を含み、そして、前記第一のループが非線形の増幅ループミラーとして規定されており、さらに、
偏波保持正常分散シングルモードファイバの第二のループと、
偏波保持正常分散ファイバの前記第一及び前記第二のループの両方の間に配置され結合された偏波保持方向性結合器とを含み、伝播する光信号の保持された偏波状態がモードロッキングを提供することを特徴とする受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザレーザ。
【請求項２】
前記レーザがさらに、伝播するモードロック信号の方向性制御を提供する、前記第一及び前記第二のループの一つが配置された偏波保持光アイソレータを含むことを特徴とする請求項１に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項３】
前記レーザがさらに、前記入力光ポンプ信号を前記偏波保持ドープファイバ部分に向ける、前記第一のループ内に配置された偏波保持入力結合器を含むことを特徴とする請求項１に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項４】
前記偏波保持入力結合器が偏波保持波長分割多重器を含むことを特徴とする請求項３に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項５】
前記レーザがさらに、生成されるモードロック光パルスの一部を切り離す、前記第二のループ内に配置された偏波保持出力結合器を含むことを特徴とする請求項１に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項６】
前記レーザがさらに、
伝播する前記信号に微小変動を導入して受動的モードロッキングを開始させる、前記第一及び前記第二のループの一つに結合された外部の微小変動源を含むことを特徴とする請求項１に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項７】
前記外部の微小変動源は、伝播する前記信号に変調微小変動を導入する偏波変調要素を含み、そして前記レーザはさらに、入力変調信号を供給する、前記偏波変調要素に結合された外部ドライバを含むことを特徴とする請求項６に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項８】
前記外部のドライバは、受動的モードロッキングが確立されたときに閉となることが可能な切替可能なドライバからなることを特徴とする請求項７に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項９】
前記偏波保持変調要素は位相変調要素を含むことを特徴とする請求項７に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項１０】
前記偏波保持変調要素は振幅変調要素を含むことを特徴とする請求項７に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項１１】
前記外部の微小変動源は、前記第一および前記第二のループのうちの一つの機械的特性を変更する機械的微小変動要素を含むことを特徴とする請求項６に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項１２】
前記機械的微小変動要素は、光ファイバを伸張圧縮するように機能することを特徴とする請求項１１に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項１３】
前記外部の微小変動源は音響的な微小変動要素を含むことを特徴とする請求項６に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項１４】
前記音響的な微小変動要素はｋHzの範囲で動作する音響信号を含むことを特徴とする請求項１３に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項１５】
前記偏波保持方向性結合器は５０：５０結合器を含むことを特徴とする請求項１に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項１６】
前記ドープファイバ部分は光ファイバのＹｂドープ部分を含むことを特徴とする請求項１に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項１７】
前記レーザがさらに、
出力パルスを圧縮する、前記レーザの出力に結合された異常分散要素を含むことを特徴とする請求項１に記載の受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【請求項１８】
受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザであって、
偏波保持シングルモード光ファイバの第一のループを含み、前記第一のループは、入射する光ポンプ信号に応答して増幅された信号を生成する偏波保持ドープファイバ部分を含み、そして、前記第一のループが非線形の増幅ループミラーとして規定されており、さらに、
偏波保持シングルモードファイバの第二のループと、
偏波保持ファイバの前記第一及び前記第二のループの両方の間に配置され結合された偏波保持方向性結合器とを含み、伝播する光信号の保持された偏波状態がモードロッキングを提供し、そして、
伝播する前記信号に微小変動を導入して受動的モードロッキングを開始させる、前記第一および前記第二のループのうちの一つに結合された外部の微小変動源とを含むことを特徴とする受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００６年１１月１６日に出願された米国特許仮出願第６０／８５９，３１９号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は受動的なモードロックファイバレーザ、より具体的には正常分散、偏波保持ファイバの８の字型モードロックファイバレーザに関する。
【背景技術】
【０００３】
超短光パルスは光情報処理、データ通信、時間解像度が高い光探針法、レーザ手術、および物質処理を含む数多くの用途に使われる。特に、データ転送速度が２．５Ｇｂｉｔ／ｓあるいはそれ以上の光データ通信における最近の進歩はメンテナンスが少なく、信頼性が高く、かつ低コストである小型の超高速光源を要求している。
【０００４】
ファイバレーザは新世代の小型で費用がかからず、耐久性の高い光源として発達してきた。基本的には、ファイバレーザは利得媒体としてドープされたファイバ部を有する光学的にポンプアップされた共振器である。利得が共振器の全光損失を越えると、レーザ発振が生起される。多くの異なるドーパントが異なる波長でレーザ発振を達成するために使われる。希土類イオンの原子遷移が可視波長から遠赤外波長（つまり、０．４５μｍ−３．５μｍ）までのレーザを生起するために使われる。一般的に使われるシリカファイバの損失は１．５５μｍで最小であるので、１．５５μｍで光パルスを生成するためにエルビウムをドープしたファイバレーザが光ファイバ通信のために特に有用である。
【０００５】
モードロックファイバレーザはリニア、リング、および８の字形状などいろいろな空胴（キャビティ）構成を使うことが出来る。例えば、１９９１年４月１６日にＫａｆｋａ他に交付された米国特許第５，００８，８８７号、および１９９６年４月３０日にＴａｍｕｒａ他に交付された米国特許第５，５１３、１９４号を参照のこと。しかし組み立てられると、モードロックファイバレーザは同時に発振する多数の縦モードを持つように構成される。いずれかの二つの隣接するモード間の位相差が一定であるように異なるモードの位相を同期させるために、モードロック機構が共振器に組み込まれる。短パルスを生成するために、これらの位相ロックモードが互いに積極的に加わる。
【０００６】
二つの共通するモードロッキング機構は「能動的」モードロッキングおよび「受動的」モードロッキングである。能動的モードロッキングは、モード間隔の一つあるいはその多数倍に等しい周波数で空胴共振器内の光の場の振幅あるいは位相のいずれかを変調する。能動的モードロッキングは空胴内の電気−光、および音響−光変調器を用いることにより組み込まれる。
【０００７】
代替的に、受動的モードロッキングは非線形要素を出る光パルスのパルス幅が低減されるように、光パルスに強度に依存する反応が生じるように共振器の内部に少なくとも一つの非線形光学要素を用いる。能動的モードロッキングに比較して、受動的モードロッキングは超短光源を作り出すために便利に使われる。一般的に使われる受動的モードロッキング技術は飽和吸収体、８の字型レーザ、および強度依存型非線形偏光回転を含む。
【０００８】
一般にモードロックファイバレーザは超短パルスを達成するために「正常」（つまり、負）および「異常」（つまり、正）分散ファイバのバランスを必要とする。Ｙｂファイバレーザのような短波長でのレーザに対して、このバランスの必要性が問題を提起する。短波長での異常分散は、バンドギャップファイバあるいはフォトニック結晶ファイバなど、特別なファイバを必要とする。これらは両方とも製造が困難であり、従来型のファイバとの接合に問題があり、さらに高次モード（例えば、ＬＰ０２）の伝播、および異常分散ファイバのいずれかの端部に適当なモード変換器を必要とする。
【０００９】
さらに、これらの光源の環境に対する安定性は、多くの用途において偏波面保持ファイバが使われることを必要とする。しかし、そのようなレーザ空胴共振器でモードロッキングの開始は困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許５，００８，８８７号
【特許文献２】米国特許５，５１３，１９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、そのようなレーザにモードロッキングを開始させる可能性と同様に、モードロック出力パルスの生成に必要な分散管理を備えるために、異常分散材料の使用を必要としないモードロック８の字型ファイバレーザの必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従来の技術の制約が本発明によって対処され、それは受動的なモードロックファイバレーザ、より具体的には、正常分散、偏波保持ファイバの８の字型モードロックファイバレーザに関する。
【００１３】
本発明の８の字型モードロックファイバレーザは、偏波保持シングルモードファイバの二つのループからなり、それは増幅を開始するためにループの一つに沿って配される希土類をドープされた偏波保持ファイバ部分を有する。二つのループの間の光信号の伝播を制御するために、方向性結合器が第一および第二のループの間に配される。それぞれの構成要素は偏波保持ファイバで形成されるので、伝播する信号の偏波状態は変動せず、モードロッキングは固定されたままである。
【００１４】
偏波保持ファイバが使われるとき、８の字型レーザは容易には「自己起動」しないということが知られている。したがって、本発明により、変調信号源（位相変調あるいは振幅変調のいずれか）がプロセスを開始するために二つのループの一つに結合される。一度刺激を与えられると、その後ファイバレーザは「受動的な」モードロック状態を保持し、起動用変調源は切り離すことが出来る。単一の偏波は、偏波保持アイソレータが含まれ、単一の偏波状態での動作をもたらす強力な偏波依存損失をキャビティに加えるとともに、非増幅ループ（第一のループ）に単一方向の動作をもたらす二つの役割を果たす。
【００１５】
本発明の他の更なる観点および特徴が一連の以下の議論、および付属する図面の参照によって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来技術によるモードロック８の字型レーザの基本的な構成を示す図である。
【図２】本発明により形成される受動的なモードロック８の字型レーザを形成するためにＹｂドープ偏波保持ファイバの部分とともに使われる、すべてが正常分散の偏波保持ファイバからなる本発明の第一の実施例を示す図である。
【図３】８の字型ファイバレーザに最初の微小変動信号を出してレーザの受動的モードロック状態を開始させるために変調要素が加えられた本発明の別の実施例を示す図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の偏波保持８の字型ファイバレーザのモードロックスペクトルのプロットを示す図であり、図４（ｂ）は、本発明のファイバレーザによって生成された対応する出力パルス列のプロットを示す図である。
【図５】図４（ｂ）のパルスの自己相関のプロットを示す図である。
【図６】従来技術を本発明の構成と比較した、モードロックファイバレーザのスペクトルの図解である。
【図７】図７（ａ）は、本発明により形成された典型的な受動的モードロック偏波保持８の字型レーザの１１１ｆｓ（フェムト秒）パルス出力のスペクトルを示す図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のプロットに関連する自己相関機能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明によるモードロック８の字型ファイバレーザの構成および動作を説明する前に、従来技術による基本的な８の字型ファイバレーザを説明する。図１を参照して、従来技術による８の字型ファイバレーザ１は増幅機能を付与するためにドープされたファイバ部分３を含む第一のループ２を含む。一般的な形態のドープされたファイバ部分３は正常（負）分散を示す。通常、ドープされたファイバ部分３の長さは希望するレーザの中心動作波長に基づいて選択される。エルビウムはこの型のファイバレーザのために一般的に選択される希土類材料の一つである。第一のループ２は５０：５０方向性結合器５により、正（異常）分散ファイバからなる第二のループ４に結合される。こうして結合器５によるループ２とループ４の組合せが「８の字型」構造を形成する。構造体に光入力をもたらすために（一つの場合として、波長分割多重要素からなる）結合器７を介してポンプ光源６が第一のループ２に結合される。
【００１８】
その後、第一のループ２の部分３の中で増幅された光はループ２と４の周りを回転し続け、それぞれの周回による利得の増加を示す。ループ４のアイソレータ８は反対方向に伝播する信号が第二のループ内に生じることを妨げる。同じく出力用方向性結合器９が第二のループ４に含まれ、モードロックレーザの出力信号の一部を切り離して出力するために使われる。多くの場合、この部分は１０％くらいのオーダーであり、８の字構造が受動的モードロックを保持し、出力信号を出し続けることを可能にする。一対の機械的偏波コントローラ１０および１１がそれぞれ第一のループ２、および第二のループ４に配され、信号を伝播するために安定した偏波状態を維持する。
【００１９】
上記のように、従来技術による第二のループ４で使われるように、短波長（一般に約１２００ｎｍ以下）での「正」分散光ファイバの必要性には依然として問題が残り、著しく運用上の制約がある特別に設計されたファイバを必要とする。さらに、従来型の８の字型モードロックファイバレーザの機械的な偏波保持構成要素が必要であるため、環境の変化を受けやすい比較的大きく、かさばった構成となる。
【００２０】
図２は本発明により形成される典型的な受動的モードロック８の字型ファイバレーザ２０を図解している。本発明により、８の字型ファイバレーザの両方の「ループ」は正常（つまり、負）分散ファイバで形成される。つまり、本発明の構造に正分散を導入するための特別なファイバを使う必要がないということである。さらに、ループを形成するために偏波保持ファイバを使うことによって機械的な偏波コントローラの必要性が省かれている。さらに、受動的なモードロックファイバが適切に動作するために、変調（振幅あるいは位相のいずれか）の最初の「ブースト（ｂｏｏｓｔ）」が受動的モードロックの状態に入るための構成に要求されるということが確認されている。本発明のこれらすべての観点が図２の配置に具体的に示される。
【００２１】
図解を参照すると、受動的にモードロックされた８の字型ファイバレーザ２０は偏波保持シングルモードファイバ（ＰＭ−ＳＭＦ）の第一のループ２２からなる。本発明により、このファイバはシングルモードファイバの「正常な」負分散特性を示す。第一のループ２２の形を完成するためにイットリビウムドープ（Ｙｂドープ）偏波保持ファイバ２４の部分がＰＭ−ＳＭＦに結合される。この具体的な実施例で、比較的短い波長（例えば、１０１０と１１００ｎｍの間）の出力パルスをもたらすためにＹｂドーパントが使われる。（同じく偏波保持である）第一の入力結合器２６がポンプ源２８からのポンプ光源をＹｂドープファイバ２４に注入するために使われる。この場合は９７５ｎｍとして図示されている、ポンプ源２８の波長はＹｂドーパントを用いる増幅機能を備えるように選択される。第二の、偏波保持、入力結合器３２はＹｂドープファイバ２４に逆方向に伝播するポンプ信号入力をさらにもたらすために使われる。
【００２２】
さらに、レーザ２０は（これもまた「正常」負分散の）同じく偏波保持シングルモードファイバで形成される。偏波保持５０：５０光スプリッタ３８が第一のループ２２を第二のループ３６に結合し、それによって二つのループの間に伝播する信号を導くために使われる。システムを経て信号が逆方向に伝播することを妨げるために、偏波保持のインライン型光アイソレータ４０が第二のループ３６内に含まれる。偏波保持出力結合器４２（ここでは５０：５０スプリッタとして図示されるが、所望の比が使われてよい）がファイバレーザ２０からモードロックパルス信号を切り離すために備えられる。
【００２３】
運用時、レーザ２０は第一のループ２２によってモードロックされ、それは非線形の増幅ループミラー（ＮＡＬＭ）を形成する。上に議論されたように、一般的な８の字型レーザでは機械的な偏波コントローラが偏波の状態をモードロッキングの促進につながる形態に整えるために使われる。本発明の構成は完全に偏波保持要素で形成されるので、さらなる外付けの偏波コントローラの必要性が省かれている。
【００２４】
上に述べられたように、自己起動構成を達成することは、図２に示されるように、困難である。図３は本発明の別の実施例を図解し、そこでは受動的モードロッキングを開始させるためにレーザの安定状態の条件を微小変動させる変調要素が追加して使われている。図示されるように、さらに本発明のレーザ２０は第二のループ３６に沿って配される（偏波保持）変調要素５０を含むように構成される。変調要素５０はレーザ２０の既知の繰り返し周波数で外部の駆動源５２により駆動される。変調がレーザ２０の安定状態の条件を微小変動させ、モードロッキングを開始させるために十分であるかぎり、変調は位相変調あるいは振幅変調のいずれであってもよい。一旦モードロッキングが持続すると、ドライバ５２がシステムから外され、８の字型レーザ２０の受動的なモードロック動作は非線形の増幅ループミラー２２の中でカー（Ｋｅｒｒ）の非線形効果によってのみ持続する。
【００２５】
振幅／位相変調の代わりに他の形態の乱し方が使われてもよい。例えば、ファイバを急速に伸張、圧縮するような機械的な微小変動が使われてもよい。また、安定状態を微小変動させ、受動的モードロッキングを開始させるためにファイバが曲げられてもよい。ファイバに向けられた音響信号（例えば、ｋＨｚ）、ファイバに結合された圧電変換器、および類似のものなどの音響的な微小変動も使われてよい。一般に、本発明による受動的なモードロッキングを開始させるために、８の字型構成の安定状態の条件に微小変動を導入するどのような方法が使われてもよい。
【００２６】
長波長（例えば、１３００ｎｍよりも大きい）では異常および正常分散の両方のファイバが容易に利用できる。しかし、長波長の値で使われる８の字型の偏波保持レーザは受動的なモードロッキングを開始させるためになんらかの形で外部からの微小変動が依然として必要である。
【００２７】
図４（ａ）は本発明の偏波保持８の字型ファイバレーザのモードロックスペクトルのプロットを示す。このデータを生成するために使われる特定の構成においては、全ポンプパワー４００ｍＷに対してレーザの全出力パワーは約５０ｍＷであった。図４（ｂ）は本発明のファイバレーザによって生成された対応する出力パルス列のプロットである。このレーザの繰り返しパルス周波数は約３３．１ＭＨｚであった。図５は図４（ｂ）のパルスの自己相関のプロットである。図示されるように、「きれいな」自己相関結果はパルスの優れた特性を示している。つまり、低ノイズ、および（帯域幅制限と比較して）高度に伸張されている。この後、パルス圧縮が必要であるなら、この役割を果たすために、異常分散ファイバ部分がレーザ２０の出力に接合されてもよい。
【００２８】
図６は従来技術を本発明の構成と比較し、モードロックファイバレーザのスペクトルを図解している。プロットＡは、図１に図解されるような従来技術によるモードロック８の字型レーザに関する。この場合、長尺の異常分散ファイバの存在が全体としてのレーザ分散もまた正である結果となっている。したがって、レーザはＦＷＨＭの値が１４ｎｍであるソリトンとして動作する。異常分散ファイバの量が少なくなるので、全体としてのレーザキャビティの分散がゼロに近づき、スペクトルはプロットＢに示されるように広がる。ここで、帯域幅制限パルスが９０．２ｆｓであり、ＦＷＨＭの値は６３．７ｎｍである。
【００２９】
図７（ａ）は本発明により形成される典型的な受動的モードロック偏波保持８の字型レーザの１１１ｆｓパルス出力のスペクトルを示す。図７（ｂ）は関連する自己相関関数を示す。図７（ａ）に示されるスペクトルのゼロ位相フーリエ変換は１００ｆｓパルスに対応する。この具体的な実施例では、位相／振幅変調（あるいは他の形式の外部の微小変動）がパルス発生を開始するために必要である。いったんモードロッキングが確立すると、外部変調はスイッチが切られ、パルス源から切り離される。
【００３０】
本発明の精神および範囲から逸脱することなく、いろいろなの修正および変更が本発明に対してなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は上に述べられた実施例の修正および変更をカバーするものであり、それらのすべては以下に明示される請求の範囲によって規定される発明の精神および範囲内に入ると考えられるべく意図されている。
【符号の説明】
【００３１】
１            従来技術による８の字型ファイバレーザ
２            第一のループ
３            ドープファイバ部
４            第二のループ
５            方向性結合器
６            ポンプ光源
７            結合器
８            アイソレータ
９            出力方向性結合器
１０、１１    一対の機械的偏波コントローラ
２０          受動的モードロック８の字型ファイバレーザ
２２          偏波保持シングルモードファイバの第一のループ
２４          イットリビウム（Ｙｂ）ドープ偏波保持ファイバ
２６          第一の入力結合器
２８          ポンプ光源
３２          第二の偏波保持入力結合器
３６          第二のループ
３８          偏波保持５０：５０光スプリッタ
４０          偏波保持のインライン型光アイソレータ
４２          偏波保持出力結合器
５０          （偏波保持）変調要素
５２          外部の駆動源
【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】
2010510660.tif 000009
【国際調査報告】
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