(57)【要約】【課題】高出力の光パルスを生成することが可能な、受動型モードロックファイバーレーザーを提供すること。【解決手段】レーザーエネルギーを発生させるエネルギー発生手段と、前記レーザーエネルギーをレーザーキャビティーの中で増幅するファイバー利得媒体と、前記利得媒体を通る一軸に沿って前記レーザーエネルギーを反射し、少なくとも一つのファイバー格子をもつ反射手段と、前記レーザーエネルギーのモードロックを誘発する受動モードロック機構と、前記レーザーキャビティー内に少なくとも０．３ｎｍ幅の滑らかなスペクトルを発生させるために十分に高い非線形性を維持する維持手段と、前記レーザーキャビティー内の前記レーザーエネルギーを出力する出力手段と、を有することを特徴とする受動型モードロックファイバーレーザー。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーエネルギーを発生させるエネルギー発生手段と、
前記レーザーエネルギーをレーザーキャビティーの中で増幅するファイバー利得媒体と、
前記利得媒体を通る一軸に沿って前記レーザーエネルギーを反射し、少なくとも一つのファイバー格子をもつ反射手段と、
前記レーザーエネルギーのモードロックを誘発する受動モードロック機構と、
前記レーザーキャビティー内に少なくとも０．３ｎｍ幅の滑らかなスペクトルを発生させるために十分に高い非線形性を維持する維持手段と、
前記レーザーキャビティー内の前記レーザーエネルギーを出力する出力手段と、
を有することを特徴とする受動型モードロックファイバーレーザー。
【請求項２】
前記滑らかなスペクトルは５％未満のリップルをもつ請求項１に記載の受動型モードロックファイバーレーザー。
【請求項３】
波長チューニング要素を有する請求項１に記載の受動型モードロックファイバーレーザー。
【請求項４】
前記波長チューニング要素は複屈折フィルターを含む請求項３に記載の受動型モードロックファイバーレーザー。
【請求項５】
前記波長チューニング要素はチューナブル・ファブリーペロ・フィルターを含む請求項３に記載の受動型モードロックファイバーレーザー。
【請求項６】
前記波長チューニング要素はファイバー格子を含む請求項３に記載の受動型モードロックファイバーレーザー。
【請求項７】
前記波長は前記ファイバー格子を伸ばすことでチューニングされる請求項６に記載の受動型モードロックファイバーレーザー。
【請求項８】
前記波長は前記ファイバー格子を加熱することでチューニングされる請求項６に記載の受動型モードロックファイバーレーザー。
【請求項９】
二つの反射要素を使ってキャビティーを形成するキャビティー形成ステップと、
該キャビティー内に利得を与えるために該二つの反射要素にリンクする光路中にファイバー利得媒体を配置する利得媒体配置ステップと、
光パルスを生成するためのモードロック用に可飽和吸収体を該キャビティー内に使用する可飽和吸収体使用ステップと、
該光パルスをソリトンパルスのようにするために該キャビティー内の該可飽和吸収体で該モードロックを自己開始させる自己開始ステップと、
を有し、前記ファイバー利得媒体は、偏光保持ファイバーで形成されていることを特徴とするファイバーレーザーの製法及び動作法。
【請求項１０】
二つの反射要素を使ってキャビティーを形成するキャビティー形成ステップと、
該キャビティー内に利得を与えるために該二つの反射要素にリンクする光路中にファイバー利得媒体を配置する利得媒体配置ステップと、
光パルスを生成するためのモードロック用に可飽和吸収体を該キャビティー内に使用する可飽和吸収体使用ステップと、
該ファイバー利得媒体を励起するために、ポンプビームが該ファイバー利得媒体を通して該可飽和吸収体に向かう該キャビティー位置で該ポンプビームを結合するポンプビーム結合ステップと、
を有することを特徴とするファイバーレーザーの製法及び動作法。
【請求項１１】
前記キャビティー形成ステップはファイバー格子を使用する請求項９または１０に記載のファイバーレーザーの製法及び動作法。
【請求項１２】
キャビティーを形成するために互いに関連して配置された第１と第２反射要素と、
ファイバー利得媒体であって、該ファイバー利得媒体の光軸と直交する特定の方向に偏光を保持するべく形成され、特定の波長範囲のポンプ波長の光子を吸収し、該ポンプ波長と異なるレーザー波長の光子を放出する光学遷移をもつ該ファイバー利得媒体と、
前記キャビティー内に配置され、可飽和性強度依存吸収を示し、パルス反復周波数で該レーザー波長の光パルスを生成するためにモードロックを開始させる可飽和吸収体と、
前記ファイバー利得媒体に関連して配設され、該ファイバー利得媒体に前記ポンプ波長のポンプビームを結合するように形成された光結合器と、
前記ファイバー利得媒体で規定された前記特定方向に配向された主軸を持ち、前記第１と第２反射要素の間の光導波路を与えるための前記キャビティーに配置された複数の偏光保持ファイバーセグメントと、
を有することを特徴とするファイバーレーザー。
【請求項１３】
前記キャビティー内に用いられる前記ファイバー利得媒体を含む全てのファイバーは偏光保持型である、請求項１２に記載のファイバーレーザー。
【請求項１４】
キャビティーであって、該キャビティーの第１終端に配置され一定の波長の光を選択的に反射するように形成された反射型格子と、該キャビティーの第２終端に配置されレーザー波長で高反射率をもち光学フィードバックを行う光学反射体と、をもつ該キャビティーと、
ファイバー利得媒体であって、該ファイバー利得媒体の光軸と直交する特定の偏光方向に偏光を保持するべく形成され、特定の波長範囲のポンプ波長の光子を吸収し、前記レーザー波長の光子を放出する光学遷移をもつ該ファイバー利得媒体と、
前記キャビティー内に配置され、可飽和性強度依存吸収を示し、パルス反復周波数で該レーザー波長の光パルスを生成するためにモードロックを開始させる可飽和吸収体と、
前記ファイバー利得媒体に関連して配設され、該ファイバー利得媒体に前記ポンプ波長のポンプビームを結合するように形成された光結合器と、
前記ファイバー利得媒体で規定された前記特定の偏光方向に配向された主軸を持ち、前記反射型格子と前記光学反射体の間の光導波路を与えるための前記キャビティーに配置された複数の偏光保持ファイバーセグメントと、
を有することを特徴とするファイバーレーザー。
【請求項１５】
前記キャビティー内に用いられる前記ファイバー利得媒体を含む全てのファイバーは偏光保持型である、請求項１４に記載のファイバーレーザー。
【請求項１６】
ポンプ波長のポンプビームを生成するための半導体光源を含むポンプ光源と、
キャビティーを形成するために互いに関連して配置された第１と第２反射要素と、
ファイバー利得媒体であって、該ファイバー利得媒体の光軸と直交する特定の方向に偏光を保持するべく形成され、前記ポンプ波長の光子を吸収し、該ポンプ波長と異なるレーザー波長の光子を放出する光学遷移をもつ該ファイバー利得媒体と、
前記キャビティー内に配置され、可飽和性強度依存吸収を示し、パルス反復周波数で該レーザー波長の光パルスを生成するためにモードロックを開始させる可飽和吸収体と、
前記ファイバー利得媒体に前記ポンプ波長のポンプビームを結合するため該ファイバー利得媒体に関連して配設された光結合器と、
光を伝搬させるために前記第１反射要素と前記ファイバー利得媒体の間に配設された第１偏光保持ファイバーセグメントと、
光を伝搬させるために前記ファイバー利得媒体と前記第２反射要素との間に配設された第２偏光保持ファイバーセグメントと、
を有し、該第１及び第２ファイバーセグメントの各々は前記ファイバー利得媒体で規定された前記特定方向に配向された主偏光軸をもつことを特徴とするファイバーレーザー。
【請求項１７】
前記キャビティー内に用いられる前記ファイバー利得媒体を含む全てのファイバーは偏光保持型である、請求項１６に記載のファイバーレーザー。
【請求項１８】
特定の波長範囲のポンプ波長の光キャリアを吸収し、該ポンプ波長と異なるレーザー波長の光キャリアを放出する光学遷移をもつファイバー利得媒体と、
前記ファイバー利得媒体を囲むキャビティーを形成するために互いに関連して配置された第１と第２反射要素と、
前記キャビティー内に配置され、モードロック機構が前記レーザー波長で光パルスを生成できるようにするため強度依存吸収を示すように形成された可飽和吸収体と、
前記ファイバー利得媒体を光学的に励起するポンプ波長のポンプビームを生成することができるポンプ光源と、
前記ファイバー利得媒体に前記ポンプ波長のポンプビームを結合するため該ファイバー利得媒体に関連して配設された光結合器と、
前記キャビティーの光路長或いは前記レーザー波長のいずれかを変化させるように構成され、前記キャビティー内に配設されたチューニング要素と、
を有することを特徴とするファイバーレーザー。
【請求項１９】
前記チューニング要素が移動ミラーである請求項１８に記載のファイバーレーザー。
【請求項２０】
前記チューニング要素が波長チューニング要素である請求項１８に記載のファイバーレーザー。
【請求項２１】
前記波長チューニング要素が複屈折フィルターである請求項２０に記載のファイバーレーザー。
【請求項２２】
前記波長チューニング要素がチューナブル・ファブリーペロ・フィルターである請求項２０に記載のファイバーレーザー。
【請求項２３】
前記チューニング要素が格子である請求項１８に記載のファイバーレーザー。
【請求項２４】
前記チューニング要素がファイバー・ループ制御器である請求項１８に記載のファイバーレーザー。
【請求項２５】
ポンプ波長のポンプビームを生成するための半導体光源を含むポンプ光源と、
前記ポンプ波長の光を吸収し、該ポンプ波長と異なるレーザー波長の光を放出するための導波路利得媒体と、
前記ポンプ光源からの前記ポンプビームを前記導波路利得媒体に結合するための光結合器と、
前記導波路利得媒体を囲むキャビティーを形成するために互いに関連して配置された第１と第２反射要素と、
前記キャビティー内に配置され、モードロック機構が前記レーザー波長で光パルスを生成できるようにするため強度依存吸収を示すように形成された可飽和吸収体と、
前記光パルスの少なくとも一つの特性を変化させるために前記キャビティー内に配設されたチューニング要素と、
を有することを特徴とするファイバーレーザー。
【請求項２６】
前記チューニング要素が移動ミラーである請求項２５に記載のファイバーレーザー。
【請求項２７】
前記チューニング要素が波長チューニング要素である請求項２５に記載のファイバーレーザー。
【請求項２８】
前記波長チューニング要素が複屈折フィルターである請求項２７に記載のファイバーレーザー。
【請求項２９】
前記波長チューニング要素がチューナブル・ファブリーペロ・フィルターである請求項２７記載のファイバーレーザー。
【請求項３０】
前記チューニング要素が格子である請求項２５に記載のファイバーレーザー。
【請求項３１】
前記チューニング要素がファイバー・ループ制御器である請求項２５に記載のファイバーレーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のファイバーレーザーは、振動パルス幅の分散制御により光パルスを生成するモードロックレーザーに関し、モードロックレーザーの技術分野に属する。多くの光技術分野において、ピコ秒オーダーの光パルスを発生する小型のチューナブル（波長可変）レーザー源が必要とされている。理想を言えば、そのパルス幅は各種フォトデテクター（光検出器）の検出限界、すなわち現在の技術では１〜５ｐｓ程度であることが望ましい。希土類ドーピングを施されているファイバーによる単一モードのレーザー装置は、このようなレーザー源の有力な候補である。これは、容積および必要なポンプパワーが小さいという上記レーザー装置固有の性質によるもので、プールらの文献（S.B.Poole, D.N.Payne and M.E.Fermann, Electron.Lett., 21, 737  (1985) ）に開示されている。
【背景技術】
【０００２】
１ｎＪ近いエネルギーの１００ｆｓより短いパルスを生成する能力がある小型のパッシブ・モードロック（受動モード同期）ファイバー・レーザーは、今や周知であり、ファーマンらの文献（非特許文献１参照）に開示されている。しかしながら、パルス幅がピコ秒レベルに増加すると、パルスエネルギーは減少し、通常ほんの２０〜３０ｐＪになってしまう。この減少は、各種レーザー装置の代表的な設計に課せられた安定性の要求に起因する制限によるところが大きい。
【０００３】
例えば、帯域幅の限定されたピコ秒パルスは、アクティブ・モードロック（能動モード同期）ファイバー・レーザー装置により容易に発生することができる。しかし、レーザーの安定性を保つ上で、キャビティーの非線形性が低く保たれる（例えばキャビティーの長さに比べてソリトンの周期が長いまま残る）ことが要求される。この目的で、非線形位相遅れが０．１π〔ｒａｄ〕未満であることが保証されるべきであり、これについてはケリーらの文献（非特許文献２）に開示されている。標準的な積分変調器により導入される大きなキャビティー内部損失と、通常採用される高い反復周波数とに関連して、これ（非線形位相遅れの微小化要求）は発生したパルスパワー（出力）の微弱化を招来している。
【０００４】
一方、在来のパッシブ・モードロック・ファイバーレーザー装置では、大量の負の分散（ソリトン支持分散）を共振器内部に設けることにより、ピコ秒パルスを発生させることができる。これは、長い（１００ｍを越える）光ファイバーをキャビティー内に設けることにより実現でき、タバーナーらの文献（非特許文献３参照）に開示されている。その結果、上記キャビティーには大きな非線形性が生じ、この非線形性により、明らかに生成可能なパルスエネルギーが制限されている。さらに、長いファイバーを採用しているので、このような長いレーザー装置の安定性は低下している。
【０００５】
最近では、可飽和吸収体（サチュラブル・アブゾーバー）を備えたパッシブモードロック・ファイバーレーザー装置により、帯域幅が限定された大出力のピコ秒パルス（２ｎＪ，５ｐｓ）が得られている。これについてはバーネットらの文献（非特許文献４参照）に開示されており、ここでも参照する。しかしながら、Ｑスイッチングに対するエルビウム・ファイバーレーザーの影響され易さと、代表的な可飽和吸収体の材料のもつ低い破損閾値（ダメージ・スレッショルド）とによる上記装置（システム）の長期信頼性については、今日に至るもなお疑問視されている。そのうえ、モードロックのために採用されている非線形性のもつ共振性のゆえ、かような装置では、ごく限られた波長可変能力（チューナビリティー）しか得られないのに、可飽和吸収体とレーザー利得媒体との間に極めて高度の調和が要求される。同様に、かようなレーザー装置には単純な縮尺法則（スケーリング・ロー＝他の寸法に当てはめる為の法則性）が存在しないので、レーザー装置の設計は困難を極め、与えられた仕様にレーザー装置の性能を適合させるのが大変である。
【０００６】
低出力のピコ秒パルスは、ファイバー・レーザーキャビティー内に非チャープのファイバーブラッグ格子を組み込むことによっても得られており、このことはノスケらの文献（非特許文献５参照）に開示されている。しかしながら、かような格子では分散の分布（dispersion profile）が一様ではないので、得られるパルスは、帯域幅が限定されていないものが代表的であり、ごく限定された波長可変レンジを有するに過ぎない。
【非特許文献１】M.E.Fermann, M.Haberl, A.J.Schmidt and L.Turi, Opt.Lett., 16, 244 (1991)
【非特許文献２】S.M.J.Kelly, K.Smith, K.J.Blow and N.J.Doran, in Opt.Lett., 16, 1337 (1991)
【非特許文献３】D.Taberner, D.J.Richardson and D.N.Payne, in Opt.Soc.Am.    Topical Meeting onNonlinear Guided Wave Phenomena, Cambridge, 1993, Opt.Soc.Am.Techn.Dig.Series, 15, 367 (1993)
【非特許文献４】Barnett et al., in Opt Soc.Am.Techn.Dig.Ser., 8, 52(1994)
【非特許文献５】D.U.Noske et al., Optics Communications 108 (1994) 297-301
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術の持つ上記問題点に鑑み、本発明は、高出力の光パルスを生成することが可能な、ファイバー・モードロック・レーザーを提供することを解決すべき課題とする。また、波長可変範囲が広く、安定なレーザー出力が得られるファイバーレーザーを提供することも課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、キャビティー内で大きな負の分散を生じる高分散能の光要素を用いてカー・モードロック・レーザーのパルス幅を制御することにより、バンド幅限界近い高出力のピコ秒パルスを生成する小型の高出力レーザーを発明した。ある実施例では、レーザーはエルビウム・ファイバー・レーザーであるが、他のファイバー・レーザー利得媒体や、他の導波路レーザーまたはバルク固体レーザーないし半導体レーザーと同様の作用を、このシステムは有する。また、ある実施例では、チャープ・ファイバー格子が分散要素として使用されているが、他のいかなる種類の導波路中のチャープ格子でも適用可能である。同様に、一対のバルク格子により大きな負の分散を生成することも可能である。それでも、小型に設計するという観点から、分散要素としてはファイバーや導波路を用いることが望ましい。
【０００９】
本発明は、キャビティーの非線形性が近似的に一定に（典型的には非線形性位相遅れがπ付近に）保たれることを保証するために、ファイバー・レーザーによるカー・モードロック技術を使用している。本発明によれば、在来のモードロック・ファイバー・レーザーと比較して、パルスの出力エネルギーを飛躍的に増大させることができる。本発明のレーザー（システム）は、１ｎＪを越えるエネルギーを含む３ｐｓのパルス（パルス列）を発生させている。チャープ・ファイバー格子の広い帯域特性により、１２ｎｍないしそれ以上の波長可変範囲が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明のモードロックレーザーの一般的な模式図を、図１に示す。ファイバー格子１には、１．５５５μｍの波長を中心に１３ｎｍの帯域幅を持つチャープが施されており、その最大反射率は１００％に近い。チャープ・ファイバー格子については現在の技術水準で本質的に理解されており、スーデンらの文献（K.Sugden and I.Bennion, A.Molony and  N.J.Cooper, in Electron lett., 30, 440(194)）に開示されている。同文献は、ここでも参照している。
【００１１】
ファイバー格子１の格子長はおおよそ５ｍｍであり、その郡速度分散（ＧＶＤ）は波長１．５８０μｍで３．４０±０．０５ｐｓ2 であると、単純なパルス圧縮技術による計測で求められている。アクティブ・ファイバー１０は、０．０２モル％のＥｒ3+ドーピングが施されており、その開口数は０．１６ｎｍ、そのカットオフは１１４０ｎｍ、これに対応する強度のスポット半径は２．６μｍである。アクティブ・ファイバー１０の長さは２ｍであるが、このレーザーキャビティー内で使用するには、通常の電話線ファイバーで同ファイバーのリード部分にさらに１．６ｍが必要である。このファイバー・レーザーは、波長９８０ｎｍで作動する主発振器強度増幅器（ＭＯＰＡ）レーザー・ダイオード３０から供給される４００ｍＷに上る発射出力を得て、波長分割多重結合器ＷＤＭ２０を介してポンピング（励起）される。
【００１２】
ファブリ・ペロー型の装置は、非線形偏光旋回（ＮＰＥ）がモードロック技術として好ましいと示唆している。同技術の詳細については、ここでも参照しているがホーファーらの文献（M.Hofer, M.E.Fermann, F.Haberl, M.H.Ober and A.J.Schbidt, Opt.Lett., 16, 502(1991)）を参照されたい。キャビティー内の偏光子Ｐは、高反射率反射体５およびアクティブ・ファイバー１０に結合されており、同キャビティー内で単一の偏光を選択するのに使われている。そして、ファイバー・レーザー内の偏光状態は、従来のファイバー・ループ制御器１２によって最適化されている。偏光子Ｐもまた調整可能な出力結合器として装備されている。  ＮＰＥモードロックは、通常、自然にロックし始めるわけではないから、移動反射鏡の技術によってモードロックを始めさせる。モードロックのヒステリシスを特に要さず、２４０ｍＷ程度の発射出力で固定反復周波数２７ＭＨｚの単パルス作動が一貫して得られる。始動状態の再現性は高く、その始動状態の下では極めて狭い連続波の放射が帯域幅０．１ｎｍ未満で得られる。この連続波放射の初期のビート音（ビート・ノート）の電波帯域幅は１ｋＨｚ未満であり、このことはキャビティー内での偽反射が低水準にあることを示している。この詳細については、例えばクラウスらの文献（F.Krausz, T.Brabee and C.Spielmann, Opt.Lett., 16, 235(1991)）やハウスらの文献（H.A.Haus and E.P.Ippen, Opt.Lett., 16, 1331(1991) ）等を参照されたい。チャープ格子がレーザーキャビティー内に挿置されているので、固定的なキャビティー長が不足し、空間的なホールバーニング（レーザー発振の周辺での利得低下現象）は低減されている。この低減効果は、パルス始動のために本当に好ましいものと考えられている。ここでも参照しているが、一般にはクラウスらの文献（F.Krausz and T.Brabee, Opt.Lett., 18, 888(1993) ）を参照されたい。
【００１３】
典型的な自己相関性のトレースと、（波長）１．５５１μｍでの（出力）１．１ｎＪのパルスに対応するスペクトルとを図２（ａ）および図２（ｂ）に示す。（パルス波形を）ｓｅｃｈ2 型と仮定して、最大値の半分のパルス幅は２．７ｐｓであった。また、対応する時間と帯域幅との積は、０．４０と算定されており、ソリトンパルスのための周波数帯の制限値である０．３１に近い。ポンプパワーを増加させることによって、２ｎＪまでのパルスエネルギーが得られるものの、その結果、キャビティーの非線形性が大きくなるので、エネルギーの大半は低レベルの基礎部分に吸収されて失われている。格子の反射率カットオフのせいで、図２（ｂ）に示すように、スペクトルのサイドバンドは、この特定のパルススペクトルの赤色側でのみ発生した。第１サイドバンドのピークは同図からはみ出しているが、密度にして５．０である。
【００１４】
レーザーの偏光状態とキャビティー内の偏光子での損失を調整すれば、モードロック（モード同期された）波長をチューニングすることができる。ここで、キャビティー内の損失の変化は、エルビウム遷移の擬４準位特性が１．５μｍでのレーザー発振の原因であることにより、エルビウムレーザーの有効利得スペクトルを変化させる。高いキャビティー内の損失および短い能動ファイバー長は、最も高い利得断面積（クロスセクション）をもつ波長（１．５３５μｍおよび１．５５０μｍ）でレーザー発振することを支持し、低いキャビティー内損失および長い能動ファイバー長は、より長い波長でのレーザー発振を支持する。典型的な例を挙げれば、ファイバー内での偏光状態の波長依存性のせいで、最適モードロック（モード同期）特性を得るためには、放射波長のそれぞれについて（＝各放射波長毎に）偏光制御器の再調整が必要である。波長チューニングにおける偏光制御の要求は、キャビティー内の低有効複屈折および低複屈折チャープファイバー格子を使用することにより、最小に抑えることができる。
【００１５】
現在のレーザーシステムの最大チューニングレンジは、１．５５０μｍから１．５６２μｍまでであり、図３中に黒四角で示すように、主として格子の反射率の帯域幅によって制限されている。２．７〜３．７ｐｓの幅をもつバンド幅限界に近いｓｅｃｈ2 形状のパルスが得られている。測定されたパルス幅（黒丸）と、時間と帯域幅との積（黒四角）とを図３に示す。ここで、連続的なチューニングが不可能であったことに注意されたい。この現象は、むしろ、お互いに２ｎｍ程度ずつ離れている離散波長の特定の組み合わせでレーザー放射が起きているものとして捉えられていた。これは、再び図３に示すように、同一周期に対する格子の反射率の小さな不揃いに起因するものと考えられる。したがって、反射率を平滑化する機能をもつチャープファイバー格子を採用すれば、より平滑な波長チューニングが得られる。３００ｍＷのポンプパワーで生起した出力のパルスエネルギーは、出力カップリング効率の９３％から３５％までの変化による波長の増加にともなって、１．１ｎＪから０．４ｎＪの範囲で変化する。
【００１６】
出力１．１ｎＪのパルスでは、キャビティー内の平均非線形位相遅れはおおよそπであり、この値は複数の典型的なエルビウムソリトンレーザーで一定である旨、ファーマンらの文献（ M.E.Fermann, M.J.Andrejco, M.L.Stock, Y.Silberberg and A.M.Weiner, Appl.Phys.Lett., 62, 910(1993)）に開示されている。この非線形性ゆえに、このキャビティーのソリトンパルス幅は２．０ｐｓであり、クラウスら（ F.Krausz, M.E.Fermann,     T.Brabec, P.F.Curley, M.Hofer, C.Spielmann, E.Wintner and A.J.Schmidt, IEEE J.  Quantum Electronics, 28, 2097(1992)）が発見した観測値によく一致している。スペクトルの（複数の）サイドバンドの位置から、１．５５１μｍから１．５６１μｍの波長に対して７．８〜４．０ｐｓ2 の範囲でＧＶＤ（群速度の分散）のファイバー格子内の変動範囲を算出することができる。こうして算出されたところによれば、１．５５９５μｍおよび１．５５７０ｌμｍの波長においてＧＤＶは４．１ｐｓ2 であり、これは（前述のように）波長１．５５８において別個に測定されたＧＶＤの３．４０ｐｓ2 の値とよく一致している。両者の値の相違は、出力パルス中の残留チャープに由来するものと考えられる。ファイバー内での分散の伝搬（プロパゲーション）によるパルスの小さなチャープは、生起しない。これは、ファイバーの分散の大きさが、格子の分散に比べて二桁ほど小さいからである。むしろ、出力カップリングの偏光器によって拒絶された光線のほうが、パルスに小さなチャープを誘導している。
【００１７】
波長によるパルス幅の分散と不連続なチューニング特性とは、前述のように、チャープ格子の幾つかの小さな不規則性の存在を示唆している。同様に、いくつかの波長では、パルスのスペクトルは非一様で、スペクトルのサイドバンドの位置は、理論（例えばケリーらの文献（ S.M.J.Kelly, Electron Lett., 28, 806(1992) ）を参照のこと）の予測するところとは異なってサイドバンドの次数の平方根に比例してはいない。これらの非規則性が取り除かれれば、パルススペクトルの一様性と滑らかに連続するチューニング能力とが得られるであろう。
【００１８】
本システムではファイバーの分散は全く無関係であるから、本発明の装置は、単に適正なチャープしたファイバー格子を選ぶだけで、いかなるファイバー利得の材料を用いても等しく適当に動作する。そのうえ、現在のシステムは、格子の分散とキャビティーの非線形性で簡単に変動する。たとえば、得られるパルス幅は、そのシステムのソリトンのパルス幅と同等であるのに、そこで発生したパルスエネルギーは、与えられたソリトンパルス幅に対してキャビティー内で起こりうる最大限の非線形位相遅れから算出することができる。このゆえに、１０ｎＪを越えるエネルギーのパルスを発生する能力がある受動モードロックピコ秒ファイバー発振器を構成することが可能なのである。
【００１９】
本発明のレーザー装置の設計は、実施例の形で説明されており、同様の性能は、いかなる形式のモードロックレーザー装置でも、チャープ格子を含む分散性の高い遅延線を採用することによって得られる可能性がある。
【００２０】
第１反射鏡２０、モードロック機構２３、高分散遅延線２１および波長チューニングためのセクション２４を含むモードロックレーザー装置の一般的な設計を、図４に示す。同図では分散遅延線と第２反射鏡２２とは別個に描かれているが、チャープ格子１を採用した場合には、これらの二つの機能はまとめられる。そこで、二つのチャープ格子をそれぞれキャビティーの一端に用いる構成も可能である。互いに異なる分散の二つのチャープ格子を選択することにより、キャビティー内の分散の総量もまた変更可能で、特に、所定の要求出力に対してシステムの性能を最適化するために、正値から負値の全ての範囲にわたって変更できる。
【００２１】
分けても、本発明による環境変化に安定なファイバーレーザーを、偏光保持ファイバー環境で可飽和吸収体モードロックを利用して構成することができる。ここでは、図５に示すように、ファイバーレーザーキャビティーの一端はチャープファイバー格子Ｃ１から構成され、同キャビティーの他端は可飽和吸収体５２を含んでいる。もし、チャープ格子Ｃ１が偏光保持ファイバーに直接書き込まれており、かつ、能動ファイバー１０’を含む使用されている全ファイバーが偏光を保持する性質のものであれば、図示のファイバー偏光制御器１２は不要である。さもないと、環境に対する安定性を確保するために、偏光が保持されないファイバーの長さを短く（１ｍ未満に）しなくてはならない。バーネットらの文献（ Barnett et al., Opt.Soc.Am.Techn.Deg.Ser., 8, 52(1994) ）に例証されているような従来技術とは対照的に、パルス幅は、もはや可飽和吸収体５２の非線形な応答時間によって定められる必要はない。むしろ、発生したパルス幅は、今や主にキャビティーの非線形性および分散から定められている。ここで実は、パルスは雑音から起動し安定に維持されることが、可飽和吸収体５２により保証されている。こうして、この形式のキャビティー設計は、性能指標にかなりの向上をもたらす。この向上は、大きな分散をもつ遅延線に頼ることなしには、容易に達成することはできないほどのものである。
【００２２】
別の本発明による環境に安定なキャビティー設計は、モードロック機構として非線形偏光旋回を使用している。ここでは、図６に示すように、ファラデー回転鏡６１の採用によりキャビティー内の線形偏光位相ドリフトは取り除かれており、また、一つないし二つの波長板ＷＰをレーザーキャビティー内に挿置して、ファイバーレーザーの偏光固有モード間に生じる位相バイアスを導入している。同図で、符号ＦＣはファイバーコリメーター６５を指し、キャビティー内のコリメーションおよび焦点合わせのための複数のレンズの代わりに採用されていると考えてもよい。符号Ｐは偏光子であって、レーザー装置において出力結合と単一偏光状態の選択とのために使用されている。格子の前でのさらなる偏光の制御は、チャープ格子が非偏光保持ファイバーに描かれている場合にのみ必要である。符号ＦＲＭはファラデー回転鏡６１であり、符号ＦＲは４５°ファラデー回転器６２である。符号ＷＰは一つないし二つの波長板６３であって、キャビティー内の偏光の制御に使用されている。エルビウムファイバー１０は、レーザー装置に対する安定要求によって、偏光保持性のものでも、低い複屈折性のものでもよい。結合器６６はオプションであって、パルスの起動にあたり可飽和吸収体６７にレーザーキャビティーを結合する手段を与える。
【００２３】
レーザーファイバーの力学的な摂動に対し完全に不感であることが要求されるかどうかによって、レーザーファイバーは偏光保持持性であっても、低い複屈折性のものでできていてもよい。キャビティーの力学的な摂動（例えば、ミラーを動かすとか、ファイバーに摂動を与えるとか）によっても、直接または外部キャビティーに通じる結合器６６を通じてキャビティー内に可飽和吸収体６７を含ませることによっても、モードロックの起動はできる。
【００２４】
図５および図６に示すキャビティー設計はいずれも、図５の可飽和吸収体５２と強いカップリングがあるのでこの手の設計のチューニング範囲は限定されるにも係わらず、波長チューニング要素による波長チューニングをすることができる。図６のような環境に対して安定なキャビティーの設計に、分離している波長チューニング要素７０（複屈折フィルターや、チューナブルなファブリ・ペローフィルターなど）を波長チューニング用に提供したものを、図７に示す。同図のレーザー装置では、分離している波長チューニング要素を提供したのに加え、ファイバー格子を熱したり引き伸ばしたりして、格子の反射機能それ自身でチューニングすることができる。それだけではなく、ラジオ周波数で作動する音響光学デバイスや電気光学デバイスなどを能動モードロック要素として取り込むことによって、モードロックレーザーを起動することも、外部の電気信号とレーザーのタイミングを合わせることもできる。このようなモードロックレーザー装置については、後ほど図１０を参照してさらに詳しく論じることにする。
【００２５】
本レーザー装置では、二つないしそれ以上の数の波長で同時に動作するように調整することも可能であろう。それには、二つ以上の波長チューニング要素を採用したり、十分に分離した反射特性をもつ複数の格子を使用したりすればよい。本応用例に使用する複数のチャープ格子は、ある波長のパルスが他の波長のパルスに漏れ出ないように、十分に分離した反射特性を有していなければならない。もし他の波長へのパルスの漏出があると、レーザーの作動に不安定性を生じることにつながるからである。互いに異なる反射特性をもつ複数の格子を使用していると、キャビティー内の所定の位置にこれらの格子を配置することにより、異なる波長のパルス列の反復率を独立に設定することもまた可能になる。レーザーの二波長動作に十分と思われるだけの分離した反射特性をもつ二つの格子Ｃ１，Ｃ２を備えたキャビティー設計の一例を図８に示す。
【００２６】
モードロックレーザー装置の性能を最適化する目的でチャープブラッグ格子を使用することは、非線形偏光旋回がモードロック機構として使われているファイバーレーザーに限られるものではない。本質的に、チャープブラッグ格子を加えることは、いかなるレーザーシステムをも利することができる。特に魅力的であるのはリング・ファイバーレーザーであり、分けてもフィギュア・エイトレーザーと通常呼ばれているダブルリング・ファイバーレーザーである。（フィギュア・エイト（８の字型）レーザー装置についてはノスケ(Noske) らが論じている。）チャープ・ファイバーブラッグ格子Ｃ１を装備したフィギュア・エイトレーザー装置９０の一例を図９に示す。キャビティー内の損失を最小にする目的で、ファイバーブラッグ格子が偏光分離カップラー９２’を介して付加されている。ここで、第１偏光制御器ＰＣ１は、偏光分離カップラーの前で線形偏光を発生するように調整される。また、ブラッグ格子Ｃ１からの反射光の偏光は、第２偏光制御器ＰＣ２を通して９０°旋回している。これにより、可能な範囲で最小限の損失を伴うだけで、光線はファイバーリングに沿って確実に回り続けるようになる。ここで、キャビティーの左側での光線の伝搬方向は、アイソレーター１４により確実に時計回りになる。キャビティーの右側にある第３偏光制御器ＰＣ３も、モードロック機能を最適化することを目的に備えられている。なお、キャビティー内のどこにでもファイバー結合器（図略）を付加装備して、出力結合を得ることができる。
【００２７】
このようなキャビティー設計でも、チャープ格子を複数個備えることにより、複数の波長での作動ができるようにしてもよい。このようなシステムを環境に対して安定にするには、ファイバーおよび結合器のほとんど若しくは全てを偏光保持持性（偏光面保存性）にしておくとよい。この場合にモードロックを最適化するには、図９に矢印で示すように、第３偏光制御器ＰＣ３の代えて不可逆線形位相シフター（ＮＬＰＳ:a non-reciprocal   linear phase shifter）を使用すると有利である。ＮＬＰＳは、図９の下部に示すように、一つないし二つの波長板９１が二つの４５°ファラデー回転子９２，９３に挟まれているものであり、この分野では周知のものである。ここで、ＮＬＰＳは、レーザーキャビティーの右側の逆方向に伝搬するパルスの間に線形位相遅れを生じさせる。
【００２８】
キャビティー設計の他の変形態様の一つとして、能動モードロック要素１０１（例えば音響光学変調器や、電気信号源に接続された電気音響光学変調器など）、典型的には電波周波数源１０３をキャビティー内に装備してもよい。能動モードロック要素は、受動モードロックを立ち上げるために使用することもできる。能動モードロック要素は、光通信で広く使われているように、外部の電気時刻信号に発生したパルスのタイミングを合わせることにも使用することもできる。チャープブラッグ格子１および能動モードロック要素１０１を装備したキャビティー設計の一例を図１０に示す。
【００２９】
前述の開示と教示とにより、当業者には、本発明に対するその他の変形態様や種々の変更ができることは明らかである。したがって、本書ではごく限られた本発明の実施例しか明確に記述されていないが、本発明の精神や視野を逸脱せずに無数の変形態様が作りだされ得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】パルス幅の制御にチャープ格子を用いたパッシブ・モードロック・ファイバーレーザー装置を示す模式図。
【図２】２．７ピコ秒のパルスの性質を示す組図（一次の側波帯のピークは示されておらず、その強度は５．０である）。                                                （ａ）自己相関を示すグラフ。                                                （ｂ）パルス・スペクトル。
【図３】チャープ格子の反射率（実線）、実験により得られたパルス幅（黒丸）および時間と帯域幅との積（黒四角）を波長の関数で示したグラフ。
【図４】フィードバック用の鏡、利得媒体、波長チューニング用の波長選択デバイス、モードロック機構およびパルス幅制御用の分散遅延線（チャープ格子を含む）を含むモードロックレーザー装置の包括的な設計を示す模式図。
【図５】モードロック用の可飽和吸収体を備えた偏光保持ファイバー・レーザー共振器の設計を示す模式図。
【図６】パルス幅制御用のチャープ格子を備え、非線形偏光旋回(evolution) によりモードロックしている環境に安定なファイバー・レーザー装置を示す模式図。
【図７】光フィルターの付加により波長制御用の機能が付与されている図６同様の実施例を示す模式図。
【図８】二つの異なる反復率をもつ二つの異なる波長でモードロックを得るためにきれいに分離した反射特性を有する二つのチャープファイバー格子が組み込まれた二波長ファイバー・レーザー装置を示す模式図。同装置の波長チューニング要素（チューナー）は光学機器であり、二波長のキャビティー損失が等価になるよう調整することができる。
【図９】レーザーの安定性を増すために一つのチャープファイバー格子が組み込まれた８の字型レーザー装置を示す模式図。偏光を保持するキャビティー設計の場合には、モードロックを最適化するために、偏光制御器ＰＣ３の代わりに不可逆線形位相シフターを使用することができる。
【図１０】パッシブ・モードロックを起動するためや、外部電気時計に発生したパルス列を同期させるために、チャープ・ファイバー格子と音響光学変調器または電気光学変調器とが組み込まれているファイバー・レーザー装置を示す模式図。
【符号の説明】
【００３１】
Ｃ１，Ｃ２：チャープファイバーブラッグ格子（２１，２２を含む）
１，２，３，４：チャープファイバー格子    ５：高反射率反射体
１０：エルビウム・ファイバー（利得媒体、アクティブ・ファイバー）
１０’：偏光保持エルビウム・ファイバー、アクティブ・ファイバー
１２：偏光制御器（ファイバー・ループ制御器）
２０：第１反射鏡    ２１：高分散遅延線    ２２：第２反射鏡
２３：モードロック機構    ２４：波長選択手段
２５：出力ファイバー結合器    ２６：開放端    ２７：出力端
３０：ポンプ、主発振器強度増幅器（ＭＯＰＡ）レーザー・ダイオード
５：高反射率反射体    ５２：可飽和吸収体
６１：ＦＲＭ（ファラデー回転鏡）    ６２：ＦＲ（ファラデー回転子）
６３：ＷＰ（波長板）    ６５：ＦＣ（ファイバー・コリメーター）
６６：結合器    ６７：可飽和吸収鏡    ６８：スプライス（接続器）
７０：チューナー（波長制御器、同調器）
９：不可逆線形位相シフター    ９０：フィギュア・エイトレーザー装置
９１：ＷＰ（波長板）    ９２，９３：ＦＲ（４５°ファラデー回転子）
９２’：偏光分離結合器    ９４：結合器
１０１：変調器（能動モードロック要素）    １０３：ＲＦ源（電波周波数源）
Ｌ１，Ｌ２：レンズ    Ｐ：偏光子
ＰＣ１，ＰＣ２，ＰＣ３：第１、第２、第３偏光制御器
ＷＤＭ２０：波長分割多重結合器
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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