(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択した動作波長または波長領域でかつ選択した基本繰り返し周波数で光パルスを生成するレーザであって、
（ａ）  光パルスを複数回往復させて光パルスを蓄積することができる光共振器または閉光学通路であって、１つ以上の利得媒体を備え、往復光路長が選択した基本繰り返し周波数となるように選択されてなる、１つ以上の光共振器、または、１つの閉光学通路と；
（ｂ）  １つ以上の励起光源と；
（ｃ）  前記選択した動作波長または波長領域で光学利得が得られるように、前記励起光源からの励起光を前記１つ以上の利得媒体に結合させるための１つ以上の光カプラと；
（ｄ）  前記光共振器または前記閉光学通路と光学的に結合し、前記光共振器または前記閉光学通路からの出力光を吸収する、１つ以上の可飽和吸収体素子と；
（ｅ）  生成した光パルスを当該レーザから外へ取り出す、１つ以上の光カプラと；
を備え、
前記可飽和吸収体素子の少なくとも１つが、カーボンナノチューブを有し、
カーボンナノチューブを有する前記可飽和吸収体素子が、モードロッカーであり、かつ、自己始動または自己起動素子であり、
当該レーザから外へ取り出す前記光パルスがフェムト秒光パルスである、レーザ。
【請求項２】
前記光共振器または前記閉光学通路と光学的に結合した波長調整素子をさらに備える、請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】
前記波長調整素子は、前記光共振器のうちの１つ、または、前記閉光学通路内に配置される、請求項２に記載のレーザ。
【請求項４】
カーボンナノチューブを有する前記可飽和吸収体素子は、前記光共振器のうちの１つ、または、前記閉光学通路内に配置される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のレーザ。
【請求項５】
光パルスを生成するために前記可飽和吸収体素子と協働する能動モード同期デバイスをさらに備え、混成モード同期構成をとる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のレーザ。
【請求項６】
前記カーボンナノチューブは単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）である、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のレーザ。
【請求項７】
前記カーボンナノチューブを含む前記可飽和吸収体素子がＱスポイラとして用いられることを特徴とする受動Ｑスイッチングレーザである、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のレーザ。
【請求項８】
カーボンナノチューブを含む前記可飽和吸収体素子は、カーボンナノチューブ層が形成された基板を備え、当該基板表面において、前記カーボンナノチューブ層の厚みが不均一に形成されている、請求項７に記載のレーザ。
【請求項９】
前記基板表面に設けられた前記カーボンナノチューブ層のうち、前記カーボンナノチューブ層の端部の厚みがより不均一に形成されており、前記カーボンナノチューブ層の前記端部がＱスイッチング機能を有する、請求項８に記載のレーザ。
【請求項１０】
前記カーボンナノチューブ層がコバルトまたはニッケルを含む、請求項７に記載のレーザ。
【請求項１１】
カーボンナノチューブの直径は、レーザの動作波長領域内でエキシトン吸収特性が示されるよう選択される、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のレーザ。
【請求項１２】
カーボンナノチューブを有する１つ以上の層を備え、前記カーボンナノチューブが可飽和吸収特性を有し、フェムト秒モード同期レーザに用いられる、レーザモード同期素子。
【請求項１３】
カーボンナノチューブはＳＷＮＴである、請求項１２に記載の素子。
【請求項１４】
カーボンナノチューブの直径は所望の動作波長領域内で吸収を行うように選択される、請求項１２または１３に記載の素子。
【請求項１５】
前記カーボンナノチューブを有する複数の層を備え、各層に含まれる前記カーボンナノチューブの直径が互いに異なる、請求項１４に記載の素子。
【請求項１６】
前記カーボンナノチューブを有する層が反射型可飽和吸収体または透過型可飽和吸収体として機能する、請求項１２乃至１５のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１７】
カーボンナノチューブ層が基板表面に設けられている、請求項１２乃至１６のいずれか一項に記載の素子。
【請求項１８】
前記基板表面に設けられた前記カーボンナノチューブ層の端部の厚みがより不均一に形成されており、
前記カーボンナノチューブ層の前記端部がＱスイッチング機能を有する、請求項１７に記載の素子。
【請求項１９】
基板の他方の面にはＡＲ（反射防止）コーティング、バンドパスフィルタ、またはハーフミラーが設けられる、請求項１７または１８に記載の素子。
【請求項２０】
請求項１２乃至１９のいずれか一項に記載の素子を備える、パルスレーザ。
【請求項２１】
レーザで光パルスを生成するための方法であって、モードロッカーをレーザの共振器に光結合させる工程と、生成した光パルスを当該レーザから出力させる工程と、を含み、前記モードロッカーが可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブであり、生成した光パルスを当該レーザから出力させる前記工程において、フェムト秒光パルスを出力させる、方法。
【請求項２２】
レーザで光パルスを生成するための方法であって、請求項７乃至１０のいずれか一項に記載のレーザをＱスイッチングする工程と、生成した光パルスを当該レーザから出力させる工程と、を含み、生成した光パルスを当該レーザから出力させる前記工程において、フェムト秒光パルスを出力させる、方法。
【請求項２３】
利得媒体を含む共振器と、
前記利得媒体内で光学利得を生成するような励起源と、
前記共振器と光学的に結合し、カーボンナノチューブを含んだ可飽和吸収体素子と、を備え、
前記可飽和吸収体素子がモードロッカーであり、前記カーボンナノチューブの直径が０．６ｎｍから２ｎｍである、フェムト秒光パルスレーザ。
【請求項２４】
利得媒体を含む共振器と、
前記利得媒体内で光学利得を生成するような励起源と、
前記共振器と、光学的に結合し、カーボンナノチューブを含んだ可飽和吸収体素子と、を備え、
前記可飽和吸収体素子がモードロッカーであり、
前記可飽和吸収体素子は、単層カーボンナノチューブまたは単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの混合を含有する、フェムト秒光パルスレーザ。
【請求項２５】
利得媒体を含む共振器と、
前記利得媒体内で光学利得を生成するような励起源と、
前記共振器と、光学的に結合し、カーボンナノチューブを含んだ可飽和吸収体素子と、を備え、
前記可飽和吸収体素子がモードロッカーであり、
前記可飽和吸収体素子は、１．２μｍから２．０μｍまでの波長領域の光を吸収する、フェムト秒光パルスレーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザに関する。より詳しくは、本発明は、カーボンナノチューブ内蔵の、非線形光学素子とデバイスおよび可飽和吸収体素子とデバイスの両方またはいずれか一方を用いて、モード同期とＱスイッチングを達成する光パルスレーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光パルスレーザは、光通信、光信号処理、レーザ手術、生体医学、光学診断、２光子顕微鏡検査、光プロービング、光反射率測定法、材料加工など様々な分野で応用される将来性がある。光パルスレーザは大きく２つのタイプに分類される。すなわち、モード同期レーザとＱスイッチレーザである。モード同期レーザは高繰返しで超短パルス光を発生させることができ、一方Ｑスイッチレーザは通常比較的低い繰返し周波数で高エネルギパルスを発生させるのに用いられる。
【０００３】
当該技術では公知のように、モード同期レーザは、均一に離間したパルスを発生するという一定の関係で、互いに同期した相対的位相で同時に発振する複数の縦モードを有する。縦モードは、レーザ共振器の有効光路長によって定義されるものである。モード同期を確立するためには、すべてのレーザ発振モード間の位相差が一定に保たれるようレーザ発振モードの位相を同期化するモード同期機構が必要となる。これらの光学的に位相同期したモードは、その後互いに干渉して光パルスを生成する。モード同期法の２つの大まかな分類である能動モード同期と受動モード同期が典型的には用いられ、このようなモード同期法を実行する多種多様な方法とデバイスが当該技術では公知である。米国特許第３，９７８，４２９号；４，０１９，１５６号；４，４３５，８０９号；４，６６５，５２４号；５，７６４，６７９号；５，８０２，０８４号；および５，８１２，３０８号では、モード同期レーザの例が開示されている。
【０００４】
能動モード同期法では、基本キャビティ周波数と同一の周波数、あるいは基本キャビティ周波数の整数倍または有理数倍の周波数で動作するレーザキャビティ共振器内で強度変調器あるいは位相変調器が用いられる。能動モード同期の一例が米国特許４，０１９，１５６に示されている。
【０００５】
一方、受動モード同期法では、連続発振光（ｃｗ発振光）よりも光パルス形成に有利な強度依存応答性を示した、発振キャビティ共振器あるいは、発振キャビティ共振器の外部の共振器であるがそれに光学的に結合した空洞共振器内において、少なくとも１つの非線形光学素子またはデバイスが用いられる。受動モード同期レーザでは、少なくとも１つの非線形光学素子がモードロッカーとして必要となる。非線形光学素子は、振幅非線形特性（入力光強度の非線形関数としての吸収率）、カー型（入力光強度の非線形関数としての位相率または屈折率）非線形特性、あるいは両者を組み合わせた特性を有してモード同期を容易にすることが可能である。振幅非線形特性は、たとえば（あらゆるすべての利用可能な可飽和吸収体のうちピコ秒領域での高速応答性を示すものはほとんどないが）ＭＱＷ半導体といったピコ秒単位の高速回復寿命を持つ可飽和吸収体などのデバイスによって与えられる。あるいは、干渉計を用いたパルス追加方法［たとえばＭａｒｋ，１９８９またはＩｐｐｅｎ，１９８９を参照］やカーレンズ方法（カー集光、自己集光）［たとえばＳｐｅｎｃｅ，１９９１またはＢｒａｂｅｃ，１９９２を参照］で実施されるようなカー型非線形特性は、超高速レーザモード同期機構を与えるために用いることができる。可飽和吸収体ではないが、カー効果などの非線形光学特性によって、人工的な「可飽和吸収体」効果が得られる。この人工的な「可飽和吸収体」の反応時間は他のいかなる本質的な可飽和吸収体より速い。
【０００６】
可飽和吸収体は特定の動作波長領域で入射光強度に依存して光透明度が変化する材料である。入射光強度が弱い線形領域では、可飽和吸収体は入射光を吸収し、その結果入射光の光強度が減衰する。入射光強度がより高レベルにまで上昇すると、吸収の飽和が生じて可飽和吸収体による吸収が減少し、入射光の光強度の減衰が低下する。この強度依存減衰により、パルスの高強度成分は通過できるが、パルスの裾、ペデスタル、背景ｃｗ（連続光）放射などの低強度成分は通過できない。可飽和吸収体がレーザ発振キャビティに配置される場合、ｃｗモードよりパルスモードが有利である。
【０００７】
しかし、すべての可飽和吸収体が超短パルスモード同期の用途に適しているわけではない。レーザモードロッカーの重要な特性は、飽和フルエンス、回復時間、非線形／線形吸収比率である。飽和フルエンスは、デバイス損傷閾値によって制限されるレーザ動作パワーレベルに影響を及ぼす。回復時間は、最短で達成可能なパルス幅とレーザ動作領域に影響を及ぼす。ある可飽和フルエンスとある回復時間で、レーザは４つの異なる動作領域、すなわち、（非パルス）ｃｗ発振、Ｑスイッチング、Ｑスイッチモード同期、ｃｗモード同期の内、１つの領域で動作可能である。ピコ秒とサブピコ秒領域の短いデバイス回復時間は超短パルス生成で必要であり、ナノ秒領域の緩やかな回復時間はＱスイッチングモードを引き起こすことができる。しかし、緩やかな回復時間は、モード同期レーザが自己起動する場合にも必須である。
【０００８】
したがって、モードロッカーはレーザをモード同期させるよう機能するという付加的な特性をさらに示す一種の可飽和吸収体である。モードロッカー材料はここではレーザ構成で有効なモードロッカー素子またはデバイスにおける基本材料であるが、ピコ秒およびサブピコ秒領域で動作するパルスレーザで効果的に使用するためにも、短回復時間および緩回復時間を示すことが好ましい。モードロッカーの特性を示さない（可飽和吸収などの）非線形特性を示す材料は多数ある。ＳＷＮＴまたはＳＷＮＴとＭＷＮＴの組み合わせを含有する層を含むＣＮＴ材料はモードロッカー特性を示す。
【０００９】
受動モード同期レーザは、米国特許第３，９７８，４２９号と第４，４３５，８０９号に例示されている。能動モード同期機構と受動モード同期機構とを組み合わせた混成モード同期レーザも公知である。混成モード同期レーザの一例は米国特許第４，０１９，１５６号に開示されている。
レーザのＱスイッチングと自己起動（起動パルス）でも、非線形光学材料と可飽和吸収体の両方またはいずれか一方を用いる。受動Ｑスイッチレーザについては、米国特許第４，１９１，９３１号；５，１１９，３８２号；５，４０８，４８０号に例示されている。
【００１０】
レーザのモード同期とＱスイッチングに関して最も一般的に知られた可飽和吸収体は、有機色素媒体［たとえばＩｐｐｅｎ，１９７６を参照］や多重量子井戸（ＭＱＷ）半導体デバイス［たとえばＣｈｅｍｌａ，１９８６またはＫｅｌｌｅｒ，１９９２を参照］などの材料である。
染料などの有機材料は、数百ナノメートル（ｎｍ）にわたって広帯域吸収応答性を示す。しかし、レーザ構成において染料を用いるには、ノズルなどの機械的素子を用いなければならず、機械的素子は大きく機械的機能不良になりやすく、固体レーザと容易に一体化することができない。赤外線領域のより長い波長、特に１５５０ｎｍの通信波長では、利用可能な色素媒体は可視光により損傷しやすいので、このような材料を取り扱うのがさらに困難になる。
【００１１】
ＭＱＷ（多重量子井戸）半導体デバイスは、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相蒸着法）やＭＯＶＰＥ（有機金属化学エピタキシー法）などの複雑でコストのかかる製造システムを必要とし、さらに基板除去処理を要することもある。さらに、レーザモード同期のためにデバイスの（典型的には数ナノ秒の）回復時間を数ピコ秒に短縮するために高エネルギー（４ＭｅＶから１２ＭｅＶ）の重イオン注入が必要となる。ＭＱＷ可飽和吸収体は反射モードでのみ利用可能であるので、光サーキュレータを備える必要があり、これにより総デバイス挿入損失が増加する。さらに、ＭＱＷに基づくデバイスは、長期間にわたる環境安定のためにコストのかかる気密封止を必要とし、高光入力パワーに耐えることができないことがある。これまで、ＭＱＷに基づく可飽和吸収体に匹敵するような１５５０ｎｍの可飽和吸収体として有効な代替物としての材料は発見されていなかった。
【００１２】
したがって、レーザやその他光学デバイスの用途で使用するための非線形光学特性を示す材料および可飽和吸収体などの機能を有する材料が当該技術では必要とされている。本発明は、レーザ用途で新規な可飽和吸収体材料、カーボンナノチューブ、特に単層カーボンナノチューブの使用に関するものである。
【００１３】
近年、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）は可飽和吸収を示すことが報告されており［Ｙ．−Ｃ．Ｃｈｅｎら，  ２００２ａ；  Ｙ．Ｓａｋａｋｉｂａｒａら，  ２００３］、光スイッチなどの材料として応用される可能性についても提案されている［Ｙ．−Ｃ．Ｃｈｅｎら，  ２００２ａ；  Ｙ．Ｓａｋａｋｉｂａｒａら，  ２００３］。国際出願番号ＷＯ０３／０３４１４２では、ＳＷＮＴとＳＷＮＴを有するある光学デバイスの可飽和吸収特性が報告されている。提示された研究で用いられたＺ走査測定技術では、デバイスの応答時間を測定していない。別の研究では、ＳＷＮＴを含有する薄層の回復時間が、ポンププローブ実験で１ピコ秒（ｐｓ）未満であると測定された［Ｙ．−Ｃ．  Ｃｈｅｎら，  ２００２ａ；Ｙ．−Ｃ．  Ｃｈｅｎら，  ２００ｂ；Ｓ．  Ｔａｔｓｕｕａら，  ２００３］。近年、ピコ秒領域での超高速光パルスの光学ノイズを抑制するために用いられる「ナノチューブ内蔵可飽和吸収体」（ＳＡＩＮＴ）と呼ばれるＳＷＮＴを含有する可飽和吸収体が報告されている［Ｓ．Ｙ．Ｓｅｔら．，  ２００３ａ］。
【００１４】
本発明の一部も報告されている。モードロッカーとしての、ＳＡＩＮＴを用いた受動モード同期ファイバレーザ［Ｓ．Ｙ．Ｓｅｔ．，  ｅｔ  ａｌ．，  ２００３ｂ］。Ｑスイッチとしての、ＳＡＩＮＴを用いたＱスイッチレーザが報告されている［Ｓ．Ｙ．  Ｓｅｔら，  ２００３ｃ］。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、パルス生成を容易にするために、カーボンナノチューブを非線形光学材料または可飽和吸収体材料として用いるパルスレーザを提供することを目的とする。特に、パルスレーザ構成において非線形光学または可飽和吸収体としてカーボンナノチューブを用いることに関する。
【００１６】
本発明は、カーボンナノチューブ内蔵の可飽和吸収体を用いたモード同期レーザとＱスイッチレーザの両方またはいずれか一方からの光パルスを得ることを目的とする。本発明の光パルスレーザは、受動モード同期とＱスイッチングの両方またはいずれか一方を行うために、非線形光学材料と可飽和吸収体の両方またはいずれか一方としてカーボンナノチューブを用いており、ＭＱＷ半導体デバイスなどの可飽和吸収体として従来用いられてきた材料に勝る利点がいくつかある。この利点としては、非常に短い回復時間（１ピコ秒以下の単位）、真空または不活性ガス環境での高い光学ダメージ閾値、機械的および環境的信頼性、化学的安定性、好ましくはより低コストでの製造の容易性、ならびに透過（一方向）モードと反射双方向モードのいずれでも動作可能なことが挙げられる。特に本発明の非線形光学カーボンナノチューブ材料は、非線形光学半導体材料を用いた場合に達成可能なパルス長と同様な非常に短いパルス長（１から１０フェムト秒単位）であるが、透過モードと反射双方向モードのいずれでも動作可能なレーザを製造することが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、選択した動作波長または波長領域でかつ選択した基本繰り返し周波数で光パルスを生成するレーザであって、
（ａ）  光パルスを複数回往復させて光パルスを蓄積することができる光共振器または閉光学通路であって、１つ以上の利得媒体を備え、往復光路長が選択した基本繰り返し周波数となるように選択されてなる、１つ以上の光共振器、または、１つの閉光学通路と；
（ｂ）  １つ以上の励起光源と；
（ｃ）  前記選択した動作波長または波長領域で光学利得が得られるように、前記励起光源からの励起光を前記１つ以上の利得媒体に結合させるための１つ以上の光カプラと；
（ｄ）  前記光共振器または前記閉光学通路と光学的に結合し、前記励起光を入射して光パルスを生成する、１つ以上の可飽和吸収体素子と；
（ｅ）  生成した光パルスを当該レーザから外へ取り出す、１つ以上の光カプラと；
を備え、
前記可飽和吸収体素子の少なくとも１つが、カーボンナノチューブを有し、
カーボンナノチューブを有する前記可飽和吸収体素子が、モードロッカーであり、かつ、自己始動または自己起動素子であり、
当該レーザから外へ取り出す光パルスがフェムト秒光パルスである、レーザが提供される。
本発明のレーザ構成は、利得媒体（または利得キャビティ）を含む共振器と、利得媒体内で光学利得を生成するような励起源と、非線形光学デバイス、特に共振器からの光が光結合できるカーボンナノチューブを備える可飽和吸収体とを備える。非線形光学デバイスは、レーザ発振波長で強度依存吸収を行う。モード同期とＱスイッチングの両方またはいずれか一方により、このようなレーザ構成内で、励起ビームの光パワーとカーボンナノチューブ層の焦光点領域の場所に応じて、光パルスを生成することができる。
【００１８】
より具体的な実施形態によれば、レーザ構成は光リング共振器と、選択した波長または特定のスペクトル範囲内で励起ビームを生成する光学励起光源と、レーザの動作スペクトル領域全体にわたって光学利得を生じさせるために励起ビームの励起に応答する共振器内に配置される利得媒体と、カーボンナノチューブを備える可飽和吸収体と、共振器からの光を可飽和吸収体内に結合させるための手段とを備えて与えられる。レーザ構成は、一方向レーザ発振動作を確実に行うように光アイソレータと、レーザ動作波長を定義するように波長可変光バンドパスフィルタとを有していてもよい。可飽和吸収体は、レーザ発振波長で強度依存吸収を行うために、カーボンナノチューブの薄層、好ましくはある用途のために１０ミクロン以下の薄層を備えているのが好ましい。
【００１９】
本発明の別の具体的なレーザ構成は、２つの反射素子に定義されるリニア共振器（利得キャビティ）と、選択した波長または特定のスペクトル範囲内で励起ビームを生成する光学励起光源と、レーザの動作スペクトル領域全体にわたって光学利得を生じさせるために励起ビームの励起に応答する共振器内に配置されるファイバ利得媒体と、共振器からの光を結合することができるカーボンナノチューブ可飽和吸収体とを有する。具体的な実施例において、カーボンナノチューブ可飽和吸収体を、モード同期を達成するためにキャビティの反射素子の１つにコーティング、吹き付ける、または蒸着した層として設けることができる。
【００２０】
別の実施形態によれば、本発明のカーボンナノチューブ可飽和吸収体を、モード同期とＱスイッチングの両方またはいずれか一方を行うために当該技術では公知の任意のレーザ構成で用いることができる。たとえば、本発明のカーボンナノチューブ可飽和吸収体を、キャビティ設計の中でも特に、混成モード同期ファイバレーザ、シグマレーザ、衝突パルスモード同期レーザ、固体レーザ、８の字レーザ、非線形偏光回転レーザで使用することができる。具体的な実施形態によれば、本発明のカーボンナノチューブを含む非線形光学素子またはデバイスあるいは可飽和吸収体素子またはデバイスを、たとえば基板上か基板間の１つ以上の層として、モードロッカーやＱスイッチャーとして用い、Ｑスポイラデバイス内で用いることができる。
【００２１】
これらのレーザ構成の例では、波長カプラを、励起ビームを利得媒体に結合させるのに用いることができる。当該技術で公知の様々な波長カプラを用いることができる。たとえば、共振器内の１つ以上の光学レンズを用いて、光を可飽和吸収体に結合させることができる。光パルスを、これらのレーザ構成を用いて、モード同期とＱスイッチングの両方またはいずれか一方によって生成することができる。本発明のカーボンナノチューブ可飽和吸収体は、ピコ秒からフェムト秒のパルスまでを含めたパルスを生成するように、様々なレーザ構成のレーザを起動（自己起動）させて、モード同期をとることができる。カーボンナノチューブの強度依存吸収は、漂白可能な吸収を生じさせるエキシトン−吸収中心の数が限られていることが原因であると考えられている。さらに、可飽和吸収体としてこれらの材料の機能を容易にするのは、カー型非線形レンズ効果を生むカーボンナノチューブ材料内にある強度依存性の非線形位相シフト特性である。これら効果を利用して、レーザをモード同期し超短光パルスを生成する。
【００２２】
本発明によれば、カーボンナノチューブを有する１つ以上の層を備え、前記カーボンナノチューブが可飽和吸収特性を有し、フェムト秒モード同期レーザに用いられる、レーザモード同期素子が提供される。この素子において、カーボンナノチューブの直径は、選択した動作波長領域内での吸収が行われるように選択することができる。あるいは、この素子において、カーボンナノチューブを、異なる直径の範囲を有して、広い動作帯域幅となるように選択することができる。たとえば直径が異なるカーボンナノチューブを混合した物も使用することができる。本発明は、双方向と一方向のいずれでも動作可能で、反射モードと透過モードのいずれでも動作可能なモード同期素子を含む。
【００２３】
本発明によれば、カーボンナノチューブを含有する１つ以上の層（たとえばＳＷＮＴやＳＷＮＴとＭＷＮＴの混合）を有するモード同期素子が提供される。別の好ましい実施例では、本発明の可飽和吸収体素子は、カーボンナノチューブ、特にＳＷＮＴを主成分とする可飽和吸収体を含有し、カーボンナノチューブ、特にＳＷＮＴを主成分とする層からなる１つ以上の層内に設ければよい。カーボンナノチューブ層は基板上に設けられ、基板は素子内に配置され、素子は、動作中、カーボンナノチューブ層を通過する光源からの光（たとえばレーザ光）を受け取るように配置される。この素子は、波長固定でも波長可変でもよい光学フィルタ（たとえばバンドパスフィルタ）、反射面（たとえばミラー）、パルス整形素子（たとえば短い長さのシングルモードファイバ）を含むその他の光学素子をさらに備えるかそれと組み合わせてもよい。この素子において、層の厚さは均一で良い。あるいは、カーボンナノチューブ層の厚さを均一に変動させても良い。特に、カーボンナノチューブ層の厚さを、モード同期とＱスイッチング閾値光エネルギの両方またはいずれか一方を調整するように変動させることができる。具体的な実施形態において、モード同期素子は、１つ以上の基板にある１つ以上の表面にカーボンナノチューブを含む１つ以上の層を有する。より具体的には、この素子は、一方の表面に１層のカーボンナノチューブ層を有する基板を備えることができ、この基板の他方の表面（または面）には反射防止（ＡＲ）コーティング、バンドパスフィルタ、あるいは非全反射の反射ミラー（すなわち反射率が９９％未満、たとえば約１％と約９９％未満の間の反射率のミラー）が選択可能に設けられる。非全反射の反射ミラーの例として、反射率が約１０％から約９０％の範囲のミラーやハーフミラー（反射率約５０％）などが挙げられる。
【００２４】
また、本発明によれば、上記のレーザモード同期素子を備えるパルスレーザが提供される。別の具体的な実施形態では、本発明によれば、カーボンナノチューブを含むモード同期と、カーボンナノチューブを含まない公知的な能動、受動モード同期もしくはＱスイッチング素子またはデバイスを含有するモード同期レーザである。本発明のモード同期およびＱスイッチングを行うために素子と組み合わせられる能動モード同期デバイスは、強度変調器、位相変調器、または音響光学変調器を有する。
【００２５】
さらに、本発明によれば、リッジ型導波路や光ファイバ等の導波路内に、カーボンナノチューブを導入している。カーボンナノチューブを導波路の必要な部分にコーティングすることができ、さらにその表面上、もしくは内部（たとえば溝）に化学蒸着かその他の公知の方法を用いて生成させることができる。本発明はさらに、１つ以上の導波路を備える光学デバイスに関するもので、１つ以上の導波路は導波路を介した光路内にカーボンナノチューブを備える。導波路光路内に存在するカーボンナノチューブは、非線形光学材料と可飽和吸収体の両方またはいずれか一方として機能するのに十分な量だけ存在している。
可飽和吸収体は、単層（ＳＷＮＴ）、多層（ＭＷＮＴ）、または両方のタイプのカーボンナノチューブを有したその混合であるカーボンナノチューブを備える。好ましい実施形態において、可飽和吸収体は、ＳＷＮＴかＳＷＮＴとＭＷＮＴの混合であるカーボンナノチューブを備える。ひとつの好ましい可飽和吸収体デバイスでは、カーボンナノチューブの層、膜、またはコーティングが基板の一方の面に設けられる。基板の他方の面に、反射防止（ＡＲ）コーティング、バンドパスフィルタ、または非全反射のミラーを選択的に設けることができる。可飽和吸収体デバイスのその他の構成において、カーボンナノチューブを２つの基板の対向する内面間の層として設けることができる。基板の外面には、ＡＲコーティング、バンドパスフィルタ、または非全反射のミラーを設けてもよい。
【００２６】
可飽和吸収体としてカーボンナノチューブを備える本発明のモード同期素子は、たとえばパルスレーザ構成において、光学素子構成で、能動または受動モード同期およびＱスイッチングを達成するために公知の（カーボンナノチューブを含まない）可飽和吸収体素子とデバイスと組み合わせることができる。本発明のモード同期素子と組み合わせ可能な当該技術で公知の素子とデバイスとしては、特に、半導体可飽和吸収体ミラー、色素可飽和吸収体、非線形ループミラー、非線形偏光回転スイッチ、カー型レンズデバイス、自己焦点、ソリトン効果、結合キャビティモード同期デバイス、追加パルスモード同期デバイス、および衝突パルスモード同期デバイスが挙げられる。
【００２７】
さらに、本発明によれば、レーザで光パルスを生成するための方法であって、モードロッカーをレーザの共振器に光結合させる工程と、生成した光パルスを当該レーザから出力させる工程と、を含み、前記モードロッカーが可飽和吸収特性を有するカーボンナノチューブであり、生成した光パルスを当該レーザから出力させる前記工程において、フェムト秒光パルスを出力させる、方法が提供される。また、本発明によれば、レーザで光パルスを生成するための方法であって、前記カーボンナノチューブを含む前記可飽和吸収体素子がＱスポイラとして用いられることを特徴とする受動Ｑスイッチングレーザである上記のレーザをＱスイッチングする工程と、生成した光パルスを当該レーザから出力させる工程と、を含み、生成した光パルスを当該レーザから出力させる前記工程において、フェムト秒光パルスを出力させる、方法が提供される。
さらに、本発明によれば、モード同期、Ｑスイッチレーザまたは本発明のモード同期とＱスイッチングを組み合わせた混成レーザを用いて、レーザ光パルス（光パルス）を生成するための方法が提供される。この方法は、カーボンナノチューブを備えるモードロッカーまたはＱスイッチャーを設ける工程を有する。モードロッカーまたはＱスイッチャーは、レーザ構成内で共振器と光結合する。当該技術で公知の任意のレーザ構成を用いることができ、特にレーザはリングレーザ、ファブリペロー（ＦＰ）リニア共振器構成レーザ、シグマ構成レーザ、または衝突パルスモード同期（ＣＰＭ）構成レーザのいずれかであればよい。この方法はさらに、レーザ構成内でレーザの共振器に光結合する、カーボンナノチューブを有さない１つ以上の非線形光学材料または可飽和吸収体を設ける工程を有する。本発明の素子、デバイス、およびレーザを、短光パルスを生成するためにレーザを受動モード同期するための方法にも用いることができる。本発明によれば、（様々な所望の波長で、ただし好ましくは光通信に効果的な波長領域で）長さが<５ピコ秒、<２ピコ秒、<１ピコ秒、<５００フェムト秒、<１００フェムト秒、<５０フェムト秒、または<１０フェムト秒の短光パルスを生成するデバイスと方法が提供される。
また、本発明によれば、以下のレーザが提供される。
（ｉ）  利得媒体を含む共振器と、
前記利得媒体内で光学利得を生成するような励起源と、
前記共振器と光学的に結合し、カーボンナノチューブを含んだ可飽和吸収体素子と、を備え、
前記可飽和吸収体素子がモードロッカーであり、前記カーボンナノチューブの直径が０．６ｎｍから２ｎｍである、フェムト秒光パルスレーザ。
（ｉｉ）  利得媒体を含む共振器と、
前記利得媒体内で光学利得を生成するような励起源と、
前記共振器と、光学的に結合し、カーボンナノチューブを含んだ可飽和吸収体素子と、を備え、
前記可飽和吸収体素子がモードロッカーであり、
前記可飽和吸収体素子は、単層カーボンナノチューブまたは単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの混合を含有する、フェムト秒光パルスレーザ。
（ｉｉｉ）  利得媒体を含む共振器と、
前記利得媒体内で光学利得を生成するような励起源と、
前記共振器と、光学的に結合し、カーボンナノチューブを含んだ可飽和吸収体素子と、を備え、
前記可飽和吸収体素子がモードロッカーであり、
前記可飽和吸収体素子は、１．２μｍから２．０μｍまでの波長領域の光を吸収する、フェムト秒光パルスレーザ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施例にかかる、リングキャビティでカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いた受動モード同期光パルスレーザの構成を示し、受動モード同期素子（ＣＮＴ可飽和吸収体）と結合するための一例としての能動ファイバ、励起レーザ、および特にコリメータとレンズの組み合わせを利用することを示し、ＦＣ／ＰＣコネクタと溶着接続点の位置づけが具体的な構成について示されている。
【００２９】
図２は、図１に示す構成のレーザから生成されたＦＷＨＭ幅が１．１ピコ秒である光パルスの自己相関波形を示すものである。
図３は、図１に示す構成のレーザから生成される３ｄＢスペクトルの幅が３．７ｎｍである光パルスの光スペクトル測定値を示すものである。
図４は、図１に示す構成のレーザから生成される基本パルス繰返しが６．１ＭＨｚであるモード同期光パルスのサンプリングオシロスコープのトレースを示すものである。
、図１に示す構成のレーザから生成される繰返しが１２．２ＭＨｚで動作する第二高調波のモードロック光パルスのサンプリングオシロスコープのトレースを図５に示す。
【００３０】
図６は、図１にかかるレーザから生成される、Ｑスイッチング領域で動作するＱスイッチパルスのサンプリングオシロスコープのトレースを示すものである。ＦＷＨＭ幅の測定値は４ミクロン秒で、繰返しは３７．５ｋＨｚである。
図７は、図１にかかるレーザから生成される、Ｑスイッチング領域で動作するＱスイッチパルスのサンプリングオシロスコープスペクトルの測定値を示すものである。
図８は、本発明の第２の実施例にかかる、リニア共振器キャビティ内の、カーボンナノチューブ可飽和吸収体を用いた受動モード同期光パルスレーザの構成を示すものであり、第１の実施例同様、能動ファイバ（増幅器）と励起レーザの一例が示されており、一つの構成例におけるＦＣとＰＣコネクタおよび溶着接続点が示されている。
【００３１】
図９は、図８にかかるレーザから生成される基本パルス反復度が９．８ＭＨｚであるモード同期光パルスのサンプリングオシロスコープのトレースを示すものである。
図１０は、３ｄＢスペクトルの幅が１３．６６ｎｍである場合の、図８にかかるレーザから生成されるモード同期光パルスの光スペクトルの測定値を示すものである。
【００３２】
図１１は、図８にかかるレーザから生成される推定ＦＷＨＭ幅が３１８フェムト秒である光パルスの自己相関波形を示すものである。
図１２-Ａ乃至１２-Ｃは、リングレーザ構成を示すもので、図１２-Ａは一方向リング構成を示す。図１２-Ｂは、双方向リング構成と衝突パルスモード同期（ＣＰＭ）の応用を示す。図１２-Ｃは、混成モード同期を有した一方向リング構成を示す。
図１３-Ａ乃至１３-Ｅはリニアレーザ構成の一例を示すもので、図１３-Ａは、フィルタがミラーから分離しているリニア構成を示し、図１３-Ｂは、図１３-Ａの構成に対応した混成モード同期線形構成を示し、図１３-Ｃは、フィルタとミラーとしての反射ミラーを有したリニア構成を示し、図１３-Ｄは、単一素子としてのＣＮＴ可飽和吸収体と反射ミラーを有したリニアレーザ構成を示し、図１３-Ｅは、単一光素子内に反射ミラー、フィルター、およびＣＮＴ可飽和吸収体層を組み合わせたリニアレーザ構成を示し、図１３-Ｃ乃至１３-Ｅの構成は、図１３-Ｂに示すように、変調器を図示の構成に光結合させることにより、混成モード同期構成で実施可能である。ゲインと書かれた素子は、適切な波長放射で励起する共振器または増幅器などの増幅したレーザ光源を表し、図１３-Ａ乃至１３-Ｅに示すハーフミラーは、たとえば反射率が９９％未満のミラーなど、全反射でないミラーであればよい。
【００３３】
図１４-Ａ乃至１４-Ｄは、本発明の別のレーザ構成を示すものであり、図１４-Ａは好ましくは低ピークパワーで用いられるＣＮＴ層にレンズが結合したリニア自由空間構成を示し、図１４-Ｂは図１４-Ａに類似した構成であって、好ましくは高ピークパワー時に用いられるレンズ結合の構成を示し、図１４-Ｃは、干渉距離が変化するとレーザの周波数（および波長）が変化することを示す、自由空間レーザ構成の総括的図示であり、図１４-Ｄは、図１４-Ｃに示した自由空間レーザ構成のうちＥｒドープガラスがＳＯＡに置き換えられている構成を示す。
図１５-Ａ乃至１５-Ｃは、本発明の別のレーザ構成を示すものであり、図１５-Ａ乃至１５-Ｃは可飽和吸収体素子の配置が異なる、３つの異なるシグマ自由空間レーザ構成を示している。
【００３４】
図１６-Ａは、高繰返しのリニア型レーザについての簡潔な構成を示すものである。この構成は強度が高いがピークパワーが低い場合についてのものである。レーザレンズが取り除かれると、レーザは強度が低いがピークパワーは高くなる。図１６-Ｂは、図１６-Ａの構成のレーザの拡大図であって、レンズが光をＣＮＴ層内に合焦させ、ＣＮＴ層から光を集光させることが示されており。図１６-Ｃ乃至１６-Ｅは、図１６-Ａと１６-Ｂのレーザ構成においてレーザ波長とレーザ反復率を調整するための手段を示している。（ｘ方向として示されている）レーザ素子の長さに沿って異なる点で光ビームを集光させると、レーザ波長が変化する。図１６-Ｄにおいて、レーザ波長はより短い波長にシフトしており、図１６-Ｅにおいて、レーザ波長はより長い波長にシフトしている。
【００３５】
図１７-Ａ乃至１７-Ｃ、図１７-Ｊ乃至１７-Ｍ、および図１７-Ｒ乃至１７-Ｔは、基板面（１７５）上のＣＮＴ層（１７０）である（図１７-Ｒに示す）ベースカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）ユニットを有するカーボンナノチューブを備える様々なモード同期可飽和吸収体デバイス構成を示すものである。ＣＮＴ層は、過飽和吸収体デバイスを１つ以上のレンズの焦点に配置して、カーボンナノチューブの層を吹き付けたり、ＣＮＴを樹脂または接着剤と組み合わせたり、その他の蒸着方法で層を形成することにより作製される。図１７-Ａは、２つの基板層（１７５）に挟まれたＣＮＴ層（１７０）のデバイス構成を示す。基板層には、反射防止コーティング（１８０）がもうけられている。又、ＡＲコーティングの一方はバンドバスフィルタ（１８１）で置き換えてもよい。図１７-Ｂは、一方の基板表面がＣＮＴ層を有し、他方の表面がＡＲコーティングを有する単純な構成を示す。図１７-Ｃは、ＣＮＴ層が基板（１７５）の間に挟まれ内部ミラーまたは帯域反射ミラー（１９０）を備えたより複雑な反射モードデバイス構成を示す。外側のＡＲコーティング（１８０ａ）は任意である。図１７-Ｄと１７-Ｅは、可飽和吸収体がレンズの焦点に配置された、可飽和吸収体モード同期デバイス内へ結合させるための透過構成（低ピークパワー時の構成）を示す。光ビームはファイバ内に向かって生じ制御することができる。図１７-Ｆは、反射構成である。図１７-Ｇ乃至１７-Ｉは、図１７-Ｄ乃至１７-Ｆの構成に類似するが、（高ピークパワーで）光が平行にＣＮＴ層に入射する構成を示す。図１７Ｊ乃至１７Ｍは、可飽和吸収体がファブリペロー構造内で挟まれている、より複雑な可飽和吸収体デバイス構造を示す。図１７-Ｊでは、ＣＮＴ層を２つのハーフミラー（１９５）の間に配置する。挟まれたＣＮＴ層はさらに２つの基板層（１７５）に挟まれる。基板層には図示のようにＡＲコーティングかバンドパスフィルタを設けてもよい。図１７-Ｋは、ＣＮＴ層が２つの基板層に挟まれ、外側の基板層に図示のようにハーフミラー（１９５）かバンドパスフィルタ（１８１）が設けられているデバイス構成を示す。図１７-Ｌは、ＣＮＴ層とミラーまたは帯域反射ミラー（２００）が２つの基板層に挟まれている、反射モードで用いられる構成を示す。図１７-Ｍもまた、ＣＮＴ層がハーフミラーとミラーまたは帯域反射ミラー（２００）に挟まれている、反射モードで用いられる装置構成を示す。ＣＮＴ／ミラー層はさらに２つの基板層に挟まれ、基板の外面に図示のようにＡＲコーティングを設けることができる。これらの構成において、ハーフミラーを非全反射のミラー（すなわち反射率が９９％未満のミラー）に置き換えることができる。図１７-Ｎ乃至１７-Ｑは、光がＣＮＴ層に合焦した図１７-Ｊ乃至１７-Ｍのデバイス構成を用いた透過および反射モード時の構成（低ピークパワー時の構成）を示している。これらの構成を図１７-Ｇ乃至１７-Ｉに示すように、高ピークパワー時について実施することも可能である。
図１７-Ｒ乃至１７-Ｔは、別の可飽和吸収体モードロッカー構成を示すものである。図１７-Ｒは、ＣＮＴ層が基板上に設けられた基本構成である。図１７-Ｓ乃至１７-Ｔは、複雑な可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）構成である。図１７-Ｓおよび１７-Ｔのデバイス構成は、図１７-Ｕ乃至１７-Ｚのすべてのレーザ構成で利用可能である。
【００３６】
図１７-ＡＡ乃至１７-ＡＤは、低ピークパワー時の複雑なグレーティング型構成を示すものである。これらの構成では、図１７-Ａの可飽和吸収体構成を用いている。高ピークパワー時の構造で用いる場合入射光が平行な、類似したグレーティング型構成を用いることも可能である。
【００３７】
図１８-Ａと１８-Ｂは、ＣＮＴを層または素子として設けることができる導波路構造を示すものである。図１８-Ａは、複数の導波路を有した導波路素子を示す。図１８-Ｂは、図１８-Ａの素子内にあるいくつかの導波路の拡大図である。図１８-Ｃ乃至１８-Ｆは、ＣＮＴ層を有するかまたはドーピングが成された導波路のデバイス応用構成を示す。図１８-Ｃは可飽和吸収体導波路である。図１８-Ｄは、可飽和吸収体とＥｒドープされたゲイン導波路を示す。図１８-Ｅは、可飽和吸収体と、ゲイン及び、モード同期導波路を示す。導波路素子には、図示の通りミラーが設けられる。図１８-Ｅは、可飽和吸収体と、導波路の一部がＣＮＴでドーピングされ（あるいはＣＮＴ層を有して）、導波路の第二の部分が能動導波路（すなわちＥｒ添加されている）である利得導波路である。図１８-Ｇは、可飽和吸収体と、利得と、図示のようにデバイスにミラーが設けられているモード同期導波路である。図１８-Ｃ乃至１８-Ｇの導波路はレンズと光結合する。図１８-Ｈ乃至１８-Ｌは、図１８-Ｃ乃至１８-Ｇに類似した導波路構成であるが、導波路がファイバと光結合した導波路構成である。
【００３８】
図１９-Ａと１９-Ｂは、ＣＮＴ層を有するファイバフェルールデバイスを示すものである。
図１９-Ｃと１９-Ｄは、ＣＮＴを備えるファイバフェルールエタロンデバイスを示すものである。
図１９-Ｅと１９-Ｆは、空洞長が調整可能であり、ミラー間の距離はファイバフェルールの少なくともひとつを移動させることにより調整可能である（すなわちピエゾモータを有したファイバフェルールエタロンデバイスを示すものである。
図１９-ｇと１９-Ｈは、ファイバフェルール端部が一定の距離である、別のファイバフェルールを示すものである。このデバイスは、レンズ構成を介して自由空間結合を利用する。
【００３９】
図２０-Ａと２０-Ｂは、（図２０-Ｂに示す）バンドパスフィルタと可飽和吸収体としてサーキュレータと組み合わせて用いられるＣＮＴでドーピングされたＦＢＧ（図２０-Ａ）を示すものである。
図２１は、ＭＩＮＴ損失（ｄB）と閾値電流（ｍＡ）を関連づけたグラフであり、モード同期とＱスイッチングを行うためのレーザパルス閾値と動作領域を示している。
【００４０】
「カーボンナノチューブ」という用語は、ここでは、当該技術においてこの名称で呼ばれてきたすべての材料を包含するものとして広い意味で使用する。理想的なナノチューブは、カーボン原子の六角形ネットワークで構成されたシームレスの柱状に形成しており、直径がナノメートル単位で長さが最大数十ミクロンである。。カーボンナノチューブの端部は、典型的にはフラーレン分子の半分で覆われる。カーボンナノチューブは単層でも多層でもよい。ナノチューブはジグザグ、アームチェア、またはらせん構成をとればよい。ナノチューブは、Ｊ．Ｗ．Ｇ．  ＷｉｌｄOｅｒら，  １９９８で定義されているように、半導体カーボンナノチューブか金属カーボンナノチューブとなる。
【００４１】
カーボンナノチューブの合成方法だけでなくカーボンナノチューブの種類、構造、および特性についての一般的な情報は、Ｐ．Ｊ．Ｆ．  Ｈａｒｒｉｓ  （２００１）とＤ．  Ｔｏｍａｎｅｋ  ａｎｄ  Ｒ．  Ｅｎｂｏｄｙ  （ｅｄｓ）  ２０００に記載されている。ＳＷＮＴ、ＭＷＮＴ、またはこれらの混合を含有し、純度レベルが変化し、様々な方法で製造されるカーボンナノチューブ材料は、種々の商業ソース、特にシグマ・オールドリッチ（Ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）  （ミズーリ州セントルイス）、ＭＥＲ（アーカンソー州トゥーソン）、バッキーＵＳＡ（ＢｕｃｋｙＵＳＡ）（テキサス州ヒューストン）、ハイピリオン・カタリシス・インターナショナル（Ｈｙｐｅｒｉｏｎ  Ｃａｔａｌｙｓｉｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，  Ｉｎｃ．）（マサチューセッツ州ケンブリッジ）、カーボンナノチューブ・ナノテクノロジーズ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）（テキサス州ヒューストン）、Ｎａｎｏｃｓ（ニューヨーク州ニューヨーク）、およびナノ・ラブズ（Ｎａｎｏ  Ｌａｂｓ）（マサチューセッツ州ブライトン）から市販されている。アプライド・ナノテクノロジーズ（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，  Ｉｎｃ．）（ノースカロライナ州チャペルヒル、ＡＮＩ）は、膜厚がサブミクロンから１０ミクロンの範囲内のガラス、シリコン、および金属を含む様々な基板上のＳＷＮＴ膜の商業的供給源である。
カーボンナノチューブは「グラファイトウィスカーズ」、「フィラメントカーボン」、「グラファイトファイバ」、「極細カーボンチューブ」、「カーボンチューブ」、「カーボンファイバ」、「カーボンマイクロチューブ」、または「カーボンナノファイバ」とも呼ばれることがある。ここに挙げた名称や当該技術で用いられるその他の名称のいずれかで示され、カーボンナノチューブと現在呼ばれる材料の構造と特性を有する材料はすべて、ここで用いる「カーボンナノチューブ」という用語に包含されるものである。
【００４２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の合成方法としては当該技術で様々な方法が知られている。本発明において非線形光学材料として有効なＣＮＴは当該技術で知られた任意の方法で準備できる。たとえば、非線形光学材料と可飽和吸収体の両方またはいずれか一方として本発明で用いられるカーボンナノチューブ材料を製造するために以下の引例に記載の合成純化方法を用いることができる：米国特許第６，４５５，０２１号；６，３３１，２６２号；６，４１３，４８７号；６，３６１，８６１号；６，３３３，０１６号；６，３３１，２０９号；６，３５０，４８８号；６，３３１，６９０号；６，３０３，９０４号；６，１８３，７１４号；５，７５３，０８８号；５，４８２，６０１号。
【００４３】
カーボンナノチューブを、（下に記載のように）随意に精製が引き続き行われるレーザアブレーション技術を利用して準備するのが好ましい。合成方法により、カーボンナノチューブの直径を制御できるのが好ましい。直径が制御されたＳＷＮＴの製造については、たとえばＫａｔａｕｒａら、２０００と米国特許第６，３３１，６９０号に記載されている。カーボンナノチューブは、表面に層、膜、あるいはコーティングを残すように、後に蒸発可能な溶媒または液体内のカーボンナノチューブの溶液かまたは浮遊液を、吹き付けるかそうでなければ散布することにより基板と導波路表面の両方またはいずれか一方にコーティングする。また、当該技術で公知の化学蒸着技術を利用して、基板か導波路に膜、層、およびコーティングのすべてまたはいずれかひとつを準備することができる。たとえば、米国特許第６，３５０，４８８号；６，３３１，２０９号；６，３６１，８６１号を参照。アルコールを用いた最近の合成方法（Ｍａｒｕｙａｍａら，２００２、「低温アルコール触媒ＣＶＤ方法」）を利用して、ＳＷＮＴを直接基板上、あるいは溝か導波路内に増やすことも可能である。
【００４４】
半導体カーボンナノチューブであるカーボンナノチューブと金属カーボンナノチューブであるカーボンナノチューブを用いることができる。Ｗｉｌｄｅｒら，  １９９８を参照。ＣＮＴ試料は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、またはその混合を含有することができる。カーボンナノチューブの好ましい混合物は、単層ナノチューブを多量（存在するカーボンナノチューブの５０重量パーセントより多い）に含有し、多層カーボンナノチューブと、非晶質カーボン、カーボンＮａｎ粒子、金属または金属イオン、あるいは金属含有Ｎａｎ粒子などのその他の不純物を単層ナノチューブより低いレベルで含有するのが好ましい。金属をカーボンナノチューブの合成において触媒として用いてもよい。以下に記載のレーザアブレーション方法で準備した実質的に半導体単層ナノチューブを含有すると考えられるカーボンナノチューブ試料を用いて実験を行った。カーボンナノチューブの直径または直径分布が約０．６ｎｍから約２ｎｍの間であるように選択できる試料が好ましい。この直径範囲は、通常Ｓ１または半導体第一位帯域について１．０３マイクロメートルから２．６４マイクロメートル（μｍ）の範囲の波長に対応する。Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４などのような、より高位の帯域になるほど波長が短くなる。たとえば、対応するＳ２帯域は５１７ｎｍと１３８０ｎｍの間であればよい。
【００４５】
混乱を避けるために、超高速レーザモード同期に適した特性を備える、上記の説明で「ＳＡＩＮＴ」と呼んでいたデバイスを、超高速モード同期に適したこのような特性を持つ可飽和吸収体の特殊なタイプとして分類するために、ここでは「ＭＩＮＴ」（カーボンナノチューブ内蔵モードロッカー）と呼ぶことにする。これらの適切な特性は、（モード同期がＱスイッチングモードより優位になるよう緩回復時間成分より短回復時間成分が優勢である）レーザのモード同期と自己起動それぞれについて短回復時間と緩回復時間を持ち、安定モード同期を容易に行うためにレーザのパルスピークパワーに応じて変化する適切なレベルの飽和フルエンス（飽和フルエンスが高すぎるとレーザはモード同期せず、飽和フルエンスが低すぎると不安定になる）と、適切な非線形吸収レベル（飽和吸収レベルが高いとＱスイッチが不安定になり、飽和吸収レベルが低すぎるとモード同期が発生しない）とを示し、約０．２から約１．２デシベルの範囲の吸収レベルが好ましいモード同期動作範囲であることが見出されている（図２１を参照）。
【００４６】
本発明を、図面を参照しながらさらに説明する。図１は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）をリングキャビティで非線形光学材料（ＮＬＯ）または可飽和吸収体（ＳＡ）として用いた受動モード同期光パルスレーザの構成を示すものである。このシステムにおいて、キャビティは利得媒体として希土類添加ファイバ増幅器の長さを有するファイバリングキャビティである。この媒体は、１５５０ｎｍ波長領域で動作するために、少なくとも１種類の希土類イオン、好ましくはエルビウム（Ｅｒ）で添加されているのがよい。他の添加物は、他の動作波長で利得を提供する為に、たとえば、１０３０ｎｍの範囲で、Ｙｂ＋３で添加して、利得を提供する為などに用いられてもよい。また、ＥｒとＹｂを一緒に添加することにより、ファイバ増幅器の長さあたりの利得を増加できるので、キャビティの全長を減らす事ができ高い繰返し周波数が得られる。図１に示すようにＥｒ添加ファイバは、励起光源、好ましくは利得媒体のレーザ動作波長より短い波長のレーザダイオード（ＬＤ）により励起される。市販の９８０ｎｍ励起ＬＤは、２００ミリアンペア（ｍＡ）の供給電流で駆動されると、通常１００ミリワット（ｍＷ）以上の光パワーが与えられる。
【００４７】
９８０ｎｍＬＤは、９８０／１５５０波長カプラとともに用いられ、このカプラは励起光を低損失でＥｒ添加ファイバ（ＥＤＦ）に結合する。２つの光アイソレータを用いて、リングレーザの一方向の動作を確実なものとして、後方反射がＥｒ添加ファイバ利得媒体に及ばないようにする。ＥＤＦからの出力光はファイバコリメータと集光用非球面レンズを介して、ＣＮＴの薄層に向かって放射される。ＣＮＴは石英基板に吹き付けコーティングされる。ＣＮＴ層の集光用非球面レンズからの距離に応じて、カーボンナノチューブの入射光の強度を変動させることができる。ＣＮＴは弾力特性を備えているので、ＣＮＴ層を、最大の効果が得られるように焦光点（約５ミクロンのスポット径）の光強度が最大となる焦点に配置するのが好ましい。ＣＮＴからの出力光は収束されて別の整合非球面レンズとコリメータの組を介してファイバキャビティ内に再放射される。
【００４８】
光学的には、薄膜フィルタなどの光バンドパスフィルタは共振キャビティ内に挿入されてレーザの波長調節をする。たとえば、角度可変光バンドパスフィルタを図１に示すように使用することができる。約３デシベル（ｄＢ）の損失と最大７ｎｍの帯域幅（ＢＷ）を有する角度可変光バンドパスフィルタが利用できる。シングルモードファイバ（ＳＭＦ）の短い長さをパルス整形と超短パルス動作をさらに助けるのに利用できる。レーザの出力は、カプラファイバのポートの９５％を介して分岐され、ポートの残りの５％はキャビティへのフィードバックに用いられる。この構成により通常の１０％出力分岐に比べるとより高い出力光パワーが得られる。キャビティ内部のパワーは、利得媒体の飽和パワーによって定義され、９５％出力分岐で得られるパワーの１０％出力分岐の９．５倍である。このことはレーザの低閾値動作によって可能となる。９５％出力分岐と５％キャビティフィードバックの閾値励起パワーはわずか１５ｍＷ程度である。（ＭＱＷデバイスをモード同期で使用するファイバレーザの典型的な閾値励起パワーは、１０％出力タッピングであっても、最大６０ｍＷである）。光アイソレータを、レーザの出力ポートに配置して、レーザを不安定にしかねないレーザ空洞内への後方反射を防ぐこともできる。
ＣＮＴの可飽和吸収特性は、パルス動作の開始（自己起動する）と、レーザのモード同期の一部を補助する。
【００４９】
図１のモード同期レーザの閾値パワーは非常に小さい。励起ＬＤがオンになり約１８ｍＷ（４５ｍＡ励起電流）レベルの光励起パワーになると、レーザはモード同期を開始して往復時間内で複数のパルスを生成する。しかし、レーザのパルス動作開始後は、図４に示すように、基本波の繰返しが６．１メガヘルツ（ＭＨｚ）の単パルスモードでは、励起パワーは約１４ｍＷ（３７ｍＡ励起電流）レベルまで減少するが、レーザはまだパルス動作を継続して行っている。平均出力光パワーの測定値は−５．８ディービーエム（ｄＢｍ）である。１５ｍＷより高い励起パワーでは、レーザは多重パルスモードで動作し、その結果、基本波の往復周波数６．１ＭＨｚの倍数の繰返しとなる。図５に示す例は、レーザが１２．２ＭＨｚの第二高調波の繰返しでモード同期している。レーザの平均出力パワーは、キャビティ内のパルス数に比例して線形に増加する。
【００５０】
図１に示すレーザの出力モード同期パルス出力の自己相関波形を図２に示し、レーザ構成の出力スペクトルを図３に示す。自己相関波形とスペクトルは、ｓｅｃｈ２型パルスプロファイルによく適合し、ソリトンパルスが生成されることを示している。なお、（図３の）パルススペクトル内の分散側波帯はｓｅｃｈ２型ソリトンレーザの典型的な特徴である。自己相関波形から推定した半値全幅（ＦＷＨＭ）は、最大１．１ピコ秒（ｐｓｅｃ）であり、光スペクトルから測定される３ｄＢパルスのスペクトル幅は３．７ｎｍである。これは時間−帯域幅の積である０．５２に対応し、出力パルスにチャープが生じていることを示している（無チャープのフーリエ変換限界ｓｅｃｈ２型パルスの場合、時間−帯域幅の積０．３１５となる）。
さらなる測定により、チャープは最大７ｍのＳＭＦの分散と等価であることが示されている。（出力ファイバピグテールは最大５ｍのＳＭＦの長さであると推察される。）出力部で低分散ファイバを用いることによって、パルス内のチャープを減少させることができる。その他の選択肢としては、異なる出力端を用いる、無チャープのフーリエ変換限界パルスを生成するように外部分散補償を利用するなどがある。
【００５１】
カーボンナノチューブ可飽和吸収体をレーザ空洞から取り去ると、励起パワーが１００ｍＷに上昇してもレーザをモード同期させることができない。これは、ＣＮＴにより、特に非常に低い閾値励起パワーで、モード同期動作を開始させてそれを維持するのに必要な機構が与えられることを証明するものである。
カーボンナノチューブの薄膜、好ましくは約１０ミクロンメートル以下、より好ましくは１ミクロンメートル以下の厚さの薄膜において、励起子吸収を行うよう設計されたＣＮＴについてその波長で光のための吸収中心として利用可能なＣＮＴの数には限りがあると言われており、したがって吸収は可飽和である。しかしながら、より一般的には、使用可能なカーボンナノチューブのある層の厚さはある用途で得られるようにと所望される吸収レベルに依存する。使用される１つの層、膜、またはコーティング内でのＣＮＴ濃度あるいは密度は、１％から９９％までの有効光吸収を行うのに十分なものであることが好ましい。
【００５２】
ＣＮＴは、実質的には、１５５０ｎｍにおける波長領域内でエキシトン吸収を行うように選択された直径をもつ単層ナノチューブ（ＳＷＮＴ）であるのが好ましい。当該技術で公知の方法を用いて、カーボンナノチューブ、特に特定の波長の光を吸収するための特定の直径の単層カーボンナノチューブ、または広い波長領域をカバーするよう選択される直径分布を有するカーボンナノチューブを製造することができる。カーボンナノチューブの直径を制御することによって、１．２マイクロメートルから２．０マイクロメートルまでの波長領域の光を吸収するＣＮＴ可飽和吸収体を設計することができる。
【００５３】
さらに、可飽和エキシトン吸収とは別に、ＣＮＴは強度依存非線形位相特性（カー型非線形特性）も有しており、ＣＮＴ層内のカーレンズ効果がモード同期を助けることができる。この特性は、図１に示すようなカーシャッターあるいはカーレンズ動作によって、シャッター（アパーチャ）として機能するＣＮＴ層からの出力レンズ系の配置に有効である。
ＣＮＴ層上のある焦点位置にある図１に示すレーザは、高い励起パワー（１００ｍＷ）で励起される場合でもモード同期領域で常に動作する。しかし、ＣＮＴ層上の焦点位置が別の位置に変化すると、吸収が大きくなり、レーザは受動Ｑスイッチング領域でも動作できるようになる。これは、基板上のＣＮＴ層が一定の厚さで蒸着されていないことによる。基板上の焦点位置に応じて、ＣＮＴ層の様々な厚さの異なる領域を選択することができる。Ｑスイッチ領域では、ビームは実際にＣＮＴ層の端部近くに合焦する。端部では厚さがより不均一になると思われる。この領域での線形透過損失の測定値は０．５ｄＢで、これはモード同期領域での線形透過損失よりも高い。（コバルトやニッケルなどのわずかな量の転移金属触媒の不純物がＱスイッチング効果をもたらす補助剤として機能する場合もある。）
【００５４】
図６は、図１のレーザからＱスイッチにおいて生成された出力をＰＩＮ光検出器で測定し、デジタルサンプリングオシロスコープで
トレースしたものであり、図７はその出力スペクトルを示すものである。Ｑスイッチングを達成するための閾値は、７５ｍＷより高い励起パワーである。それより励起パワーが低いと、レーザはモード同期動作に復帰する。励起パワーに応じて、Ｑスイッチパルスの繰返しが（７５ｍＷから９５ｍＷまでの励起パワーを関数として）３４．５５キロヘルツ（ｋＨｚ）から３７．４５ｋＨｚにわずかに変動する。対応するパルス幅も５．３２ミクロン秒から４．０４ミクロン秒に同様に変動し、平均出力パワーは０．９０ｄＢｍから２．１０ｄＢｍに変動する。
【００５５】
レーザパワーは、パルス生成を行うために、当該技術で公知なように調整する必要もある。１５５０ｎｍで動作し、９８０ｎｍで励起する典型的なエルビウムドープファイバモード同期レーザの場合、モード同期に必要な励起パワーは通常２０ｍＷから２００ｍＷの範囲内である。モード同期を開始させるのにはより高い励起パワー［４０−８０ｍＷ］が必要であるが、一旦モード同期になれば、励起パワーを減少させることもできる［２０−４０ｍＷ］。ここで開示する一例としてのレーザの自己起動パワーは非常に低く、最大２０ｍＷで、モード同期は１５ｍＷ程度の低い励起パワーで維持できる。
【００５６】
図８は、本発明の第２の形態を示すものであり、線形共振器空洞内のモード同期レーザである。構成要素はいずれも図１を参照して説明した通常の機能を有している。ファラデー回転子ミラー（ＦＲＭ）は、空洞内の偏光変動を補償するのに用いられる。この構成において、ＣＮＴはミラーと一緒に反射モードで使用される。ＣＮＴ層はミラー表面に配置され、２つのレンズがＣＮＴ表面の小スポット内に入射ビームを合焦させるのに用いられる。その後、光は線形空洞内に再び反射する。図８のレーザは、図１のレーザに比べ、より単純に構築されるものである。
【００５７】
図９は、ＰＩＮ光検出器を用いて測定した図８のレーザのデジタルサンプリングオシロスコープのトレースを示すものであり、９．８４９ＭＨｚの基本波のキャビティ繰返しで動作するレーザ出力パルスを示している。図１０に示すパルスの出力スペクトルは、３ｄＢスペクトルでの幅が１３．６ｎｍでガウス分布形状をなす。図１１は、ガウス型で推定したＦＷＨＭ幅が３１８フェムト秒である、モード同期パルスの自己相関波形自己相関波形を示すものである。ガウスパルスについて無チャープのフーリエ変換限界値は０．４４１であるのに比べ、時間−帯域幅の積の計算値は０．５４３である。２５ｍＷの励起パワーで励起されるときの平均出力パワーは１ｍＷ近くになる。
【００５８】
別の光学デバイス、デバイス構成、およびカーボンナノチューブを非線形光学デバイスと可飽和吸収体デバイスの両方またはいずれか一方で用いるレーザ構成を、図１２-Ａ乃至１２-Ｃ、図１３-Ａ乃至１３-Ｅ、図１４-Ａ乃至１４-Ｄ、図１５-Ａ乃至１５-Ｃ、図１６-Ａ乃至１６-Ｅ、および図１７-Ａ乃至１７-Ｄに示している。導波路構成は図１８-Ａ乃至１８-Ｌに、ファイバフェルール構成（ファブリペロー構成）を図１９-Ａ乃至１９-Ｈに示している。
非線形光学特性と可飽和吸収体特性の両方またはいずれか一方を有するデバイス、特にモード同期に用いられるデバイスは、たとえば基板にコーティングされるか塗布されたＳＷＮＴ膜、あるいはＳＷＮＴとＭＷＮＴを組み合わせた膜などのカーボンナノチューブの層に基づいて製造できる。基板は、透明基板、不透明基板、または透明な部分と不透明な部分を含有するものであればよい。基板の裏側には薄膜層をコーティングして、ＡＲ（反射防止）コーティング、バンドパスフィルタ、あるいはハーフミラーを形成することもできる。図１７-Ａ乃至１７-Ｚは、非線形光学特性と可飽和吸収体特性の両方またはいずれか一方を備えた応用デバイスを示したものである。
【００５９】
図１７-Ｄ乃至１７-Ｅは、バンドパスフィルタ、ミラー、バンドパスフィルタとミラー、および平面可飽和吸収体の機能を有する１パス／非キャビティ構造を示すものである。これらの構造では、ピークパワーは低いと仮定しているので、光はレンズを使って収束され、カーボンナノチューブ材料内のパワー密度が高くなる。
図１７-Ｇ乃至１７-Ｉは、バンドパスフィルタ、ミラー、バンドパスフィルタとミラー、および平面可飽和吸収体の機能を有する１パス／非キャビティ構造を示すものである。これらの構造では、ピークパワーは高いと仮定されるので、光を収束する必要もなく、あるいは（コリメータレンズの出力のように）平行を保つ必要もない。収束用にさらに別のレンズも必要としない。
【００６０】
図１７-Ｎ乃至１７-Ｑは、カーボンナノチューブ材料が２つの反射ミラーの間にあるキャビティ内に配置されている多重パスキャビティ（ファブリペロー型）共振構造を示すものである。これらの構造では、ピークパワーは低いと仮定されるので、光はレンズを使って収束され、空洞内のカーボンナノチューブにおけるのパワー密度が高くなる（スポット径が小さくなる）。これらの構成を用いて、可飽和閾値パワーを低下させ、デバイスの可飽和吸収体特性を高めることができる。カーボンナノチューブ材料が２つの反射ミラーの間にあるキャビティ内に配置されている多重パスキャビティ（ファブリーペロー型）共振構造を、図１７Ｇ乃至１７Ｉに示した。ピークパワーが高く、光を収束させたり（コリメータ出力のように）平行を保つ必要もない構造と類似した配置にすることもできる。これらの構造を用いて、可飽和閾値パワーを低下させ、デバイスの可飽和吸収体特性を高めることができる。パワーが低い場合は、カーボンナノチューブ層内でスポット径が小さくなるよう光を収束させるのに、２レンズ構成を利用することもできる。
図１７-Ｓと１７-Ｔは、ＣＮＴ層を用いた可飽和吸収体ミラー（ＳＡＭ）を示すものである。これらの構造を用いた構成は、図１７-Ｕ乃至１７-Ｚに示されている。
図１７-ＡＡ乃至１７-ＡＤは、可飽和吸収体のグレーティング構成を示すものである。これらの構成は、低ピークパワー構成や高ピークパワー構成に取り入れることができる（具体的には図示しない）。
可飽和吸収体層をグレーティングとフィルタの両方またはいずれか一方と組み合わせた図に示したデバイス構成は、レーザ構成に用いたり、光学用途に一般的に用いることができる。
【００６１】
図１８-Ａ乃至１８-Ｌは、導波路とその応用を示すものである。図１８-Ｃ乃至１８-Ｅは、レンズ構造を介した導波路内への光結合と、導波路からの光結合を示すものである。図１８-Ｃの構成は可飽和吸収体としてのみ機能するものであるが、図１８-Ｄの構成では、利得と可飽和吸収の両方を実現する。（図１８-Ｅの）構成は、ダイクロイックミラーを介した励起を利用するレーザキャビティとして機能する。
図１８-Ｆと１８-Ｇも、レンズ構造を介した導波路内への光結合を示すものである。（図１８-Ｆの）構成では、利得と可飽和吸収の両方を実現するが、利得部は可飽和部から分離されている。（図１８-Ｇの）構造は、ダイクロイックミラーを介した励起を利用するレーザキャビティとして機能するが、利得部は可飽和部から分離されている。
図１８-Ｈ乃至１８-Ｊは、光ファイバと導波路の直接的な光結合を示すものである。（図１８-Ｈの）構成は、可飽和吸収体としてのみ機能する。（図１８-Ｉの）構成は、利得と可飽和吸収の両方を実現する。（図１８-Ｊの）構成は、ダイクロイックミラーを介した励起を利用するレーザキャビティとして機能する。
図１８-Ｋと１８-Ｌは、レンズ構造を介した導波路内への光結合を示すものである。（図１８-Ｋの）構成は、利得と可飽和吸収の両方を実現するが、利得部は可飽和部から分離されている。（図１８-Ｌの）構成は、ダイクロイックミラーを介した励起を利用するレーザ空洞として機能するが、利得部は可飽和部から分離されている。
【００６２】
ＣＮＴ材料は導波路構造内に吹き付ける、蒸着させる、あるいはドーピングすればよい。導波路は図１９-Ａまたは１９-Ｂに示したファイバであればよい。このＣＮＴ導波路構造を用いて、図１９-Ａ乃至１９-Ｈの構成を含めて様々な光学デバイス構成をとることが可能となる。図１９-Ａは、ファイバと直接接触させ、フェルール内に収められたＳＡＭの形状を取るＣＮＴ材料を示すものである。この構造は反射型可飽和吸収体として機能する。図１９-Ｂは、フェルールに収められた２つのファイバの間に配置されるＣＮＴ材料を示すものである。この構造は透過型可飽和吸収体として機能する。図１９-Ｃは、ＣＮＴ材料がキャビティ内に配置された、反射モードのファイバフェルールエタロンフィルタを示すものである。図１９-Ｄは、ＣＮＴ材料が空洞内に配置された、透過モードのファイバフェルールエタロンフィルタを示すものである。図１９-Ｅは、ＣＮＴ材料が空洞の外側のミラーの１つの面に配置された、反射モードの可変ファイバフェルールエタロンフィルタを示すものである。図１９-Ｆは、ＣＮＴ材料が空洞の外側のミラーの１つの面に配置された、透過モードの可変ファイバフェルールエタロンフィルタを示すものである。
【００６３】
図１９-Ｇと１９-Ｈは、可飽和吸収体またはモードロッカーとして機能することができる固定ファイバフェルールデバイスを示すものである。図１９-Ｇにおいて、ＣＮＴ層は１つのファイバの端部に設けられ、このＣＮＴ層を有するファイバは、レンズ構成を介して第２のファイバ端部に自由空間結合する。図１９-Ｈにおいては、２つのファイバ端部がそれぞれＣＮＴ層を有し、２つのファイバ端部はレンズ構成を介して自由空間結合する。これらのデバイス構成を、たとえば光ファイバ構成内の可飽和吸収体として用いることができる。これらのデバイス構成は、特にパルスファイバレーザシステムにおけるモードロッカーとして用いることができる。
【００６４】
ＣＮＴ材料は導波路構造内に吹き付ける、蒸着させる、あるいはドーピングすればよい。導波路は、図２０-Ａに示すようなＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）であればよい。ＣＮＴ  ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）ベースのユニットを用いて様々な構造をとることができる。図２０-Ｂは、このＦＢＧをサーキュレータと組み合わせて使用することを示すものである。
ここで図示されている可飽和吸収体素子とデバイス、モード同期素子とデバイス、レーザ構成と導波路およびＦＢＧ構成は、本明細書およびここで示す光学素子の組み合わせと形成について当該技術で公知の事項を参照すれば容易に実施することができる。ＣＮＴ可飽和吸収体あるいは非線形光学材料を、存在するＣＮＴの量が可飽和吸収または非線形光学効果を観察するのに十分な層内に設けることができる。ＣＮＴの種類（たとえばカーボンナノチューブの直径）を選択して、所望の波長または波長領域で吸収を行えるようにすることができる。層内に存在するＣＮＴの量を調節して、所望の光学応答を得ることができる。
【００６５】
本発明のＣＮＴは、非線形光学材料と可飽和吸収体の両方もしくはどちらか一方として、米国特許第５，５０２，７３７号；６，０２３，４７９号；または５，８４４，９３２号に記載されているマイクロレーザ構成において使用されうる。
通常、異なる方法（たとえばＨｉＰｃｏ、レーザアブレーション、アルコールＣＣＶＤ）で製造され、異なる方法（吹き付けか蒸着）で基板に塗布されるＳＷＮＴは、異なる基板に塗布され、異なる基板構成で使用される場合同様、レーザモード同期に効果的である。異なる方法で製造されるＳＷＮＴサンプルとＳＷＮＴ層により、異なる動作波長を有するサンプルが得られる。あるＭＩＮＴにおいて、吸収レベルをＣＮＴ（より具体的にはＳＷＮＴかＭＷＮＴ）密度（すなわち層内のＣＮＴ／層材料の単位容量比）と、層の厚さで制御することができる。さらに、異なる種類のＳＷＮＴ（たとえば直径が異なるＳＷＮＴ）を層内に混合するか複数の層（たとえば各層は異なるＳＷＮＴ、たとえば直径の異なるＳＷＮＴを含有する）を用いることにより、動作波長領域の異なるＭＩＮＴ素子またはデバイスを形成することができる。また、このようなＣＮＴと層の組み合わせを用いて、より広いまたはより狭い動作波長領域、特に約８００ｎｍから２０００ｎｍの間の範囲かその副領域を示すＭＩＮＴ素子あるいはデバイスを形成することができる。さらに、約８００ｎｍから約２０００ｎｍまでをカバーする広い動作領域を有するＭＩＮＴ素子あるいはデバイスを、このようなＣＮＴと層の組み合わせを用いて形成することができる。
【実施例】
【００６６】
本発明を以下の実施例でさらに説明していく。
実施例１：非線形光学材料と可飽和吸収体材料の両方またはいずれか一方として用いられるカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を準備する。
ＣＮＴは、ＨｉＰＣｏ、ＣＶＤ、レーザ−オーブン／アブレーション、アーク放電技術などの任意の手段により合成することができる。ここでの特定の実施例では、ＣＮＴはレーザアブレーションで形成される。アルゴンガス流５００トルで、１２５０℃に熱したオーブンに入れられた、ニッケルとコバルトをそれぞれ０．４５原子％だけ含有する対象のグラファイトロッドを、１パルス当たり、300ミリジュールを超えるエネルギーでＮｄ：ＹＡＧパルスレーザの第二高調波を用いてアブレーションにかけた。温度が３０００℃を超えるカーボンロッドの剥離噴出した領域では、蒸着したカーボン原子がＮｉ／Ｃｏ成長触媒の助けを借りて凝縮し、ＣＮＴを形成する。レーザアブレーションの後、サンプルを高真空度で（約１２０℃以上の温度に）加熱し、不純物と共にフラーレンなどの物質を蒸発除去する。次に、サンプルをトルエンで洗浄し細かいメッシュでろ過する。さらに、サンプルをエタノールで洗浄し、かつ分散させてメッシュでろ過する。サンプルを、純水と混合分散させ、過酸化水素を添加して過酸化水素が体積比15％の溶液を得て、再計算容器内で３時間１００℃に加熱して、非晶質カーボンを取り除き、その後メッシュでろ過する。サンプルは希釈弱酸ＨＣｌ溶液で洗浄し、ＣｏとＮｉ金属粒子を取り除き、その後メッシュでろ過し、塩基（弱水酸化ナトリウム溶液）で洗浄し、酸を中性化して、その前の酸による洗浄とメッシュろ過からのその他の副産物を除去した。最後に、サンプルを真空で１時間、６５０℃まで加熱してすべての溶媒を除去する。サンプルを室温で冷却する。ごくわずかの金属触媒不純物を含有し、９０％を超える純度のＣＮＴサンプルが、上記の処理後に得られる。
【００６７】
実施例２：ＣＮＴの層、膜、またはコーティングを有するデバイス素子
図に示すように基板上のＣＮＴの層、膜、またはコーティングを得るために様々な方法が適用できる。たとえば、ＣＮＴ粉末のサンプルを任意のアルコール、望ましくはエタノールなどの揮発性アルコールと混ぜ合わせ、基板に吹き付ける。
ＣＮＴを含有する層は、ＣＮＴ粉末をＵＶエポキシなでの接着剤や糊と混ぜ合わせることによっても準備することができる。接着剤としては、所望の動作波長で透過性を有し、融点が低いものが好ましい。同様にして、ＣＮＴの層はポリイミドなどのポリマまたはプラスチック内で形成することができる。ポリイミドなどのポリマを用いて基板上または基板の間にＣＮＴ層を形成することができる。層、膜、またはコーティングに添加されるＣＮＴ量は、ある用途についてどれだけの吸収が望まれるかによって変化する。ＣＮＴ粉末を光ファイバに導入することも可能である。たとえば、ＣＮＴをポリマ溶液に混合して、加熱され、ファイバ状に引き伸ばし成形する。光ファイバを形成するのに利用可能ないずれのプラスチックまたはポリマも用いることができる。ＣＮＴの添加量は、ある用途ついてどれだけの吸収が望まれるかによって変化する。ＣＮＴ組成物（たとえばCNT含有ポリマ）を穴あきファイバかフォトニック結晶ファイバ内に挿入することができる、たとえばＣＮＴ材料はファイバ内の穴か空洞に挿入されるかファイバ内の空気間隙に導入する。
【００６８】
２００２年１２月２０日に出願された米国仮出願第６０／４３５，５７７号を、本出願全体の参照として取り入れる。前記米国仮出願のすべての図面と図面説明文をここに参照として取り入れる。
当業者であれば、ここで具体的に説明した材料、方法、およびデバイス以外の材料、方法、およびデバイスを不適切な実験によることなく本発明の実施の範囲内で利用可能であることを理解するであろう。当業者であれば、具体的に説明した材料、方法、およびデバイスには当該技術で公知の等価物があることを理解するであろう。このような当該技術で認められた等価物も本発明に包含されるものである。
【００６９】
ここで引き合いに出したすべての引例は、最新技術の情報を与えるためにおおまかに引用するものである。詳細な引例は、明細書の中で具体的な情報を示す為、引用されるだろう。ここで引き合いに出した引例は、本発明全体に引例として取り入れ、情報の中でも特に、様々な方法によるカーボンナノチューブの合成の詳細、様々なレーザ構成における動作の詳細、当該技術では公知のレーザ構成の説明、当該技術では公知の光学素子と光学デバイスの説明を与えるものであり、これらはすべてここで記載した発明の実現において利用すればよい。
【００７０】
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【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施例にかかる、リングキャビティでカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を用いた受動モード同期光パルスレーザの構成を示し、受動モード同期素子（ＣＮＴ可飽和吸収体）と結合するための一例としての能動ファイバ、励起レーザ、および特にコリメータとレンズの組み合わせを利用することを示し、ＦＣ／ＰＣコネクタと溶着接続点の位置づけが具体的な構成について示す。
【図２】図１に示す構成のレーザから生成されたＦＷＨＭ幅が１．１ピコ秒である光パルスの自己相関波形を示す。
【図３】図１に示す構成のレーザから生成される３ｄＢスペクトルの幅が３．７ｎｍである光パルスの光スペクトル測定値を示す。
【図４】図１に示す構成のレーザから生成される基本波のパルス繰返しが６．１ＭＨｚであるモード同期光パルスのサンプリングオシロスコープのトレースを示す。
【図５】図１に示す構成のレーザから生成される繰返しが１２．２ＭＨｚの第二高調波のモードロック光パルスのサンプリングオシロスコープのトレースを示す。
【図６】図１にかかるレーザから生成される、Ｑスイッチング領域で動作するＱスイッチパルス（ＦＷＨＭ幅４ミクロン、秒繰返しは３７．５ｋＨｚ）のサンプリングオシロスコープのトレースを示すものである。
【図７】図１にかかるレーザから生成される、Ｑスイッチング領域で動作するＱスイッチパルスのサンプリングオシロスコープスペクトルの測定値を示す。
【図８】本発明の第２の実施例にかかる、リニア共振器キャビティ内の、カーボンナノチューブ可飽和吸収体を用いた受動モード同期光パルスレーザの構成を示すものであり、第１の実施例同様、能動ファイバ（増幅器）と励起レーザの一例が示されており、一つの構成例におけるＦＣとＰＣコネクタおよび溶着接続点が示す。
【図９】図８にかかるレーザから生成される基本パルス反復度が９．８ＭＨｚであるモード同期光パルスのサンプリングオシロスコープのトレースを示す。
【図１０】図８にかかるレーザから生成される３ｄＢスペクトルの幅が１３．６６ｎｍであるモード同期光パルスの光スペクトルの測定値を示す。
【図１１】図８にかかるレーザから生成される推定ＦＷＨＭ幅が３１８フェムト秒である光パルスの自己相関波形を示す。
【図１２−Ａ】一方向リング構成を示す。
【図１２−Ｂ】双方向リング構成と衝突パルスモード同期（ＣＰＭ）の応用を示す。
【図１２−Ｃ】混成モード同期を有した一方向リング構成を示す。
【図１３−Ａ】フィルタがミラーから分離しているリニア構成を示す。
【図１３−Ｂ】図１３Ａの構成に対応した混成モード同期線形構成を示す。
【図１３−Ｃ】フィルタとミラーとしての反射ミラーを有したリニア構成を示す。
【図１３−Ｄ】単一素子としてのＣＮＴ可飽和吸収体と反射ミラーを有したリニアレーザ構成を示す。
【図１３−Ｅ】単一光素子内に反射ミラー、フィルタ、およびＣＮＴ可飽和吸収体層を組み合わせたリニアレーザ構成を示す。
【図１４−Ａ】好ましくは低ピークパワーで用いられるＣＮＴ層にレンズが結合したリニア自由空間構成を示す。
【図１４−Ｂ】図１４-Ａに類似した構成であって、好ましくは高ピークパワー時に用いられるレンズ結合の構成を示す。
【図１４−Ｃ】干渉距離が変化するとレーザの周波数（および波長）が変化することを示す、自由空間レーザ構成の総括的図示である。
【図１４−Ｄ】図１４-Ｃに示した自由空間レーザ構成のうちＥｒドープガラスがＳＯＡに置き換えられている構成を示す。
【図１５−Ａ】可飽和吸収体素子の配置が異なる、３つの異なるシグマ自由空間レーザ構成を示す。
【図１５−Ｂ】可飽和吸収体素子の配置が異なる、３つの異なるシグマ自由空間レーザ構成を示す。
【図１５−Ｃ】可飽和吸収体素子の配置が異なる、３つの異なるシグマ自由空間レーザ構成を示す。
【図１６−Ａ】高繰返しのリニアレーザについての簡潔な構成を示す。
【図１６−Ｂ】図１６-Ａの構成のレーザの拡大図である。
【図１６−Ｃ】図１６-Ａと１６-Ｂのレーザ構成においてレーザ波長とレーザ繰返し率を調整するための手段を示す。
【図１６−Ｄ】図１６-Ａと１６-Ｂのレーザ構成においてレーザ波長とレーザ繰返し率を調整するための手段を示す。
【図１６−Ｅ】図１６-Ａと１６-Ｂのレーザ構成においてレーザ波長とレーザ繰返し率を調整するための手段を示す。
【図１７−Ａ】ＣＮＴ層（１７０）が２つの基板層（１７５）に挟まれ、反射防止コーティング（１８０）を設けるかＡＲコーティングの１つをバンドパスフィルタに置き換えたデバイス構成を示す。
【図１７−Ｂ】一方の基板表面がＣＮＴ層を有し、他方の表面がＡＲコーティングを有する単純な構成を示す。
【図１７−Ｃ】ＣＮＴ層が基板（１７５）の間に挟まれ内部ミラーまたは帯域反射ミラー（１９０）を備えたより複雑な反射モードデバイス構成を示す。
【図１７−Ｄ】可飽和吸収体がレンズの焦点に配置された、可飽和吸収体モード同期デバイス内へ結合させるための透過構成（低ピークパワー時の構成）を示す。
【図１７−Ｅ】可飽和吸収体がレンズの焦点に配置された、可飽和吸収体モード同期デバイス内へ結合させるための透過構成（低ピークパワー時の構成）を示す。
【図１７−Ｆ】反射構成である。
【図１７−Ｇ】（高ピークパワーで）光が平行にＣＮＴ層に入射する構成を示す。
【図１７−Ｈ】（高ピークパワーで）光が平行にＣＮＴ層に入射する構成を示す。
【図１７−Ｉ】（高ピークパワーで）光が平行にＣＮＴ層に入射する構成を示す。
【図１７−Ｊ】可飽和吸収体がファブリペロー構造内で挟まれている、より複雑な可飽和吸収体デバイス構造を示す。
【図１７−Ｋ】ＣＮＴ層が２つの基板層に挟まれ、外側の基板層に図示のようにハーフミラー（１９５）かバンドパスフィルタ（１８１）が設けられているデバイス構成を示す。
【図１７−Ｌ】ＣＮＴ層とミラーまたは帯域反射ミラー（２００）が２つの基板層に挟まれている、反射モードで用いられる構成を示す。
【図１７−Ｍ】ＣＮＴ層がハーフミラーとミラーまたは帯域反射ミラー（２００）に挟まれている、反射モードで用いられる装置構成を示す。
【図１７−Ｎ】光がＣＮＴ層に集光した図１７-Ｊ乃至１７-Ｍのデバイス構成を用いた透過および反射モード時の構成（低ピークパワー時の構成）を示している。
【図１７−Ｏ】光がＣＮＴ層に集光した図１７-Ｊ乃至１７-Ｍのデバイス構成を用いた透過および反射モード時の構成（低ピークパワー時の構成）を示している。
【図１７−Ｐ】光がＣＮＴ層に集光した図１７-Ｊ乃至１７-Ｍのデバイス構成を用いた透過および反射モード時の構成（低ピークパワー時の構成）を示している。
【図１７−Ｑ】光がＣＮＴ層に集光した図１７-Ｊ乃至１７-Ｍのデバイス構成を用いた透過および反射モード時の構成（低ピークパワー時の構成）を示している。
【図１７−Ｒ】別の可飽和吸収体モードロッカー構成を示す。
【図１７−Ｓ】別の可飽和吸収体モードロッカー構成を示す。
【図１７−Ｔ】別の可飽和吸収体モードロッカー構成を示す。
【図１７−Ｕ】レーザ構成を示す。
【図１７−Ｖ】レーザ構成を示す。
【図１７−Ｗ】レーザ構成を示す。
【図１７−Ｘ】レーザ構成を示す。
【図１７−Ｙ】レーザ構成を示す。
【図１７−Ｚ】レーザ構成を示す。
【図１７−ＡＡ】低ピークパワー時の複雑なグレーティング型構成を示す。
【図１７−ＡＢ】低ピークパワー時の複雑なグレーティング型構成を示す。
【図１７−ＡＣ】低ピークパワー時の複雑なグレーティング型構成を示す。
【図１７−ＡＤ】低ピークパワー時の複雑なグレーティング型構成を示す。
【図１８−Ａ】複数の導波路を有した導波路素子を示す。
【図１８−Ｂ】図１８-Ａの素子内にあるいくつかの導波路の拡大図である
【図１８−Ｃ】可飽和吸収体導波路である。
【図１８−Ｄ】可飽和吸収体とＥｒドープされたゲイン導波路を示す。
【図１８−Ｅ】可飽和吸収体と、利得及び、モード同期導波路を示す。
【図１８−Ｆ】可飽和吸収体と、一部がＣＮＴでドーピングされた（あるいはＣＮＴ層を有して）ゲイン導波路と、導波路の第二の部分が能動導波路（すなわちＥｒ添加されている）である。
【図１８−Ｇ】可飽和吸収体と、利得と、図示のようにデバイスにミラーが設けられているモード同期導波路である。
【図１８−Ｈ】図１８-Ｃ乃至１８-Ｇに類似した導波路構成であるが、導波路がファイバと光結合した導波路構成である。
【図１８−Ｉ】図１８-Ｃ乃至１８-Ｇに類似した導波路構成であるが、導波路がファイバと光結合した導波路構成である。
【図１８−Ｊ】図１８-Ｃ乃至１８-Ｇに類似した導波路構成であるが、導波路がファイバと光結合した導波路構成である。
【図１８−Ｋ】図１８-Ｃ乃至１８-Ｇに類似した導波路構成であるが、導波路がファイバと光結合した導波路構成である。
【図１８−Ｌ】図１８Ｃ乃至１８Ｇに類似した導波路構成であるが、導波路がファイバと光結合した導波路構成である。
【図１９−Ａ】ＣＮＴ層を有するファイバフェルールデバイスを示す。
【図１９−Ｂ】ＣＮＴ層を有するファイバフェルールデバイスを示す。
【図１９−Ｃ】ＣＮＴを備えるファイバフェルールエタロンデバイスを示す。
【図１９−Ｄ】ＣＮＴを備えるファイバフェルールエタロンデバイスを示す。
【図１９−Ｅ】空洞長が調整可能であり、ミラー間の距離はファイバフェルールの少なくともひとつを移動させることにより調整可能である（すなわちピエゾモータを有したファイバフェルールエタロンデバイスを示す。
【図１９−Ｆ】空洞長が調整可能であり、ミラー間の距離はフファイバフェルールの少なくともひとつを移動させることにより調整可能である（すなわちピエゾモータを有したファイバフェルールエタロンデバイスを示す。
【図１９−Ｇ】ファイバフェルール端部が一定の距離である、別のファイバフェルールを示す。
【図１９−Ｈ】ファイバフェルール端部が一定の距離である、別のファイバフェルールを示す。
【図２０−Ａ】（図２０-Ｂに示す）バンドパスフィルタと可飽和吸収体としてサーキュレータと組み合わせて用いられるＣＮＴでドーピングされたＦＢＧ（図２０-Ａ）を示す。
【図２０−Ｂ】（図２０-Ｂに示す）バンドパスフィルタと可飽和吸収体としてサーキュレータと組み合わせて用いられるＣＮＴでドーピングされたＦＢＧ（図２０-Ａ）を示す。
【図２１】ＭＩＮＴ損失（ｄB）と閾値電流（ｍＡ）を関連づけたグラフであり、モード同期とＱスイッチングを行うためのレーザパルス閾値と動作領域を示す。
【符号の説明】
【００７２】
１７５  基板層
１７０  ＣＮＴ層
１８０  反射防止コーティング
１８１  バンドバスフィルタ
１９０  内部ミラーまたは帯域反射ミラー
１８０ａ  ＡＲコーティング
１９５  ハーフミラー
２００  ミラーまたは帯域反射ミラー
【図１】
0004514130.tif 000002
【図２】
0004514130.tif 000003
【図３】
0004514130.tif 000004
【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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【図１１】
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【図１２−Ａ】
0004514130.tif 000013
【図１２−Ｂ】
0004514130.tif 000014
【図１２−Ｃ】
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【図１３−Ａ】
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【図１３−Ｂ】
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【図１３−Ｃ】
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【図１３−Ｄ】
0004514130.tif 000019
【図１３−Ｅ】
0004514130.tif 000020
【図１４−Ａ】
0004514130.tif 000021
【図１４−Ｂ】
0004514130.tif 000022
【図１４−Ｃ】
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【図１４−Ｄ】
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【図１５−Ａ】
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【図１５−Ｂ】
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【図１５−Ｃ】
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【図１６−Ａ】
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【図１６−Ｂ】
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【図１６−Ｃ】
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【図１６−Ｄ】
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【図１６−Ｅ】
0004514130.tif 000032
【図１７−Ａ】
0004514130.tif 000033
【図１７−Ｂ】
0004514130.tif 000034
【図１７−Ｃ】
0004514130.tif 000035
【図１７−Ｄ】
0004514130.tif 000036
【図１７−Ｅ】
0004514130.tif 000037
【図１７−Ｆ】
0004514130.tif 000038
【図１７−Ｇ】
0004514130.tif 000039
【図１７−Ｈ】
0004514130.tif 000040
【図１７−Ｉ】
0004514130.tif 000041
【図１７−Ｊ】
0004514130.tif 000042
【図１７−Ｋ】
0004514130.tif 000043
【図１７−Ｌ】
0004514130.tif 000044
【図１７−Ｍ】
0004514130.tif 000045
【図１７−Ｎ】
0004514130.tif 000046
【図１７−Ｏ】
0004514130.tif 000047
【図１７−Ｐ】
0004514130.tif 000048
【図１７−Ｑ】
0004514130.tif 000049
【図１７−Ｒ】
0004514130.tif 000050
【図１７−Ｓ】
0004514130.tif 000051
【図１７−Ｔ】
0004514130.tif 000052
【図１７−Ｕ】
0004514130.tif 000053
【図１７−Ｖ】
0004514130.tif 000054
【図１７−Ｗ】
0004514130.tif 000055
【図１７−Ｘ】
0004514130.tif 000056
【図１７−Ｙ】
0004514130.tif 000057
【図１７−Ｚ】
0004514130.tif 000058
【図１７−ＡＡ】
0004514130.tif 000059
【図１７−ＡＢ】
0004514130.tif 000060
【図１７−ＡＣ】
0004514130.tif 000061
【図１７−ＡＤ】
0004514130.tif 000062
【図１８−Ａ】
0004514130.tif 000063
【図１８−Ｂ】
0004514130.tif 000064
【図１８−Ｃ】
0004514130.tif 000065
【図１８−Ｄ】
0004514130.tif 000066
【図１８−Ｅ】
0004514130.tif 000067
【図１８−Ｆ】
0004514130.tif 000068
【図１８−Ｇ】
0004514130.tif 000069
【図１８−Ｈ】
0004514130.tif 000070
【図１８−Ｉ】
0004514130.tif 000071
【図１８−Ｊ】
0004514130.tif 000072
【図１８−Ｋ】
0004514130.tif 000073
【図１８−Ｌ】
0004514130.tif 000074
【図１９−Ａ】
0004514130.tif 000075
【図１９−Ｂ】
0004514130.tif 000076
【図１９−Ｃ】
0004514130.tif 000077
【図１９−Ｄ】
0004514130.tif 000078
【図１９−Ｅ】
0004514130.tif 000079
【図１９−Ｆ】
0004514130.tif 000080
【図１９−Ｇ】
0004514130.tif 000081
【図１９−Ｈ】
0004514130.tif 000082
【図２０−Ａ】
0004514130.tif 000083
【図２０−Ｂ】
0004514130.tif 000084
【図２１】
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