(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モードロックレーザであって、
利得媒質、
該利得媒質の対向する終端部上に、光共振器を形成するために配置された第１及び第２反射体、
該共振器内に配置され、かつ該第１反射体から離れた第３反射体であってそれらの間にレーザ周波数で共鳴に近いファブリ−ペロ−エタロンを形成する第３反射体、
非線形吸収特性をもち、かつモードロックレーザパルスを誘起する可飽和吸収体で、該ファブリ−ペロ−エタロンの間に配置される該吸収体、及び
Ｑ−スイッチモードロッキングからｃｗモードロッキングを進展させる、前記共振器内に配置された２光子吸収体（ＴＰＡ）からなるＱ−スイッチング抑圧器
からなるレーザ。
【請求項２】
前記ＴＰＡが前記共振器内に分布される請求項１のレーザ。
【請求項３】
前記ＴＰＡが自己−発散である請求項１のレーザ。
【請求項４】
前記ＴＰＡが前記可飽和吸収体上に配置される請求項１のレーザ。
【請求項５】
前記ＴＰＡが第１反射体に隣接する請求項１のレーザ。
【請求項６】
前記ＴＰＡがＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、のグループから選定された材料からなる請求項１のレーザ。
【請求項７】
さらに、前記可飽和吸収体を光誘起損傷から保護する保護具を含む請求項１のレーザ。
【請求項８】
前記保護具が前記共振器内に配置された２光子吸収体（ＴＰＡ）からなる請求項７のレーザ。
【請求項９】
前記ＴＰＡがＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＺｎＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、のグループから選定された材料からなる請求項８のレーザ。
【請求項１０】
さらに、前記共振器内に配置された偏光ドリフト補償器を含む請求項１のレーザ。
【請求項１１】
前記可飽和吸収体が前記第１と前記第３反射体との間に配置される請求項１のレーザ。
【請求項１２】
前記可飽和吸収体が前記共振器内に分布される請求項１のレーザ。
【請求項１３】
前記ファブリ−ペロ−エタロンが可変である請求項１のレーザ。
【請求項１４】
前記ファブリ−ペロ−エタロンがモノリシック構造体からなる請求項１のレーザ。
【請求項１５】
前記モノリシック構造体が半導体基板上に横たわる分布型ブラッグ反射体からなる請求項１４のレーザ。
【請求項１６】
前記モノリシック構造体がさらに前記分布型ブラッグ反射体に隣接するＴＰＡと、該ＴＰＡに隣接する前記可飽和吸収体と、を含む請求項１５のレーザ。
【請求項１７】
前記ファブリ−ペロ−エタロンが前記モードロックレーザパルスのバンド幅に比べて大きい自由スペクトル範囲をもつ請求項１のレーザ。
【請求項１８】
前記ファブリ−ペロ−エタロンの共鳴バンド幅が前記レーザの利得バンド幅より広い請求項１のレーザ。
【請求項１９】
前記可飽和吸収体がＩｎＧａＡｓＰからなる請求項１のレーザ。
【請求項２０】
ｃｗモードロックレーザパルスを発生する方法であって、
レーザ共振器内でＱ−スイッチモードロックレーザパルスを発生するステップであって、該Ｑ−スイッチモードロックレーザパルスが可飽和吸収体に誘起される、ステップ、及び
Ｑ−スイッチングを抑圧するステップであって、該抑圧するステップが、２光子吸収（ＴＰＡ）パワー制限器を用いた２光子吸収によってＱ−スイッチモードロッキングからｃｗモードロッキングに進展させるように前記共振器内の前記Ｑ−スイッチレーザパルスの少なくとも一部分を吸収するステップからなる、ステップ
からなる方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、前記発生するステップが、
前記レーザ共振器内に配置された利得媒質をポンピングするステップ、及び
ファブリ−ペロ構造体中の前記媒質からの光放射を吸収するステップ
からなる方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、前記発生ステップがさらに前記ファブリ−ペロ構造体内の前記光を共鳴させるステップを含む方法。
【請求項２３】
ｃｗモードロックレーザであって、
光共振器、
該光共振器内の利得媒質、
該共振器内に配置された可飽和吸収体で、非線形吸収特性をもちモードロックレーザパルスを誘起する該可飽和吸収体、及び
Ｑ−スイッチモードロッキングからｃｗモードロッキングに進展させる２光子吸収体（ＴＰＡ）からなる、該共振器内に配置されたＱ−スイッチング抑圧器
からなるｃｗモードロックレーザ。
【請求項２４】
ｃｗモードロックレーザパルスを発生する方法であって、
レーザ共振器内でＱ−スイッチモードロックレーザパルスを発生するステップであって、該Ｑ−スイッチモードロックレーザパルスが可飽和吸収体に誘起される、ステップ、及び
共振器内の２光子吸収パワー制限器を用いてｃｗモードロックレーザパルスを抑圧することなしにＱ−スイッチングを優先的に抑圧してＱ−スイッチモードロッキングからｃｗモードロッキングに進展させるステップ
からなる方法。
【請求項２５】
モードロックレーザであって、
利得媒質、
光共振器を形成するために該利得媒質に対向する終端部に配置された第１と第２反射体、
該共振器内に配置された共鳴ファブリ−ペロ可飽和吸収体（Ｒ−ＦＰＳＡ）で、非線形吸収特性をもちモードロックレーザパルスを誘起する該Ｒ−ＦＰＳＡ、及び
Ｑ−スイッチモードロッキングからｃｗモードロッキングに進展させる、前記共振器内に配置された２光子吸収体（ＴＰＡ）からなるＱ−スイッチング抑圧器
からなるレーザ。
【請求項２６】
前記ＴＰＡが前記共振器内に分布される請求項２５のレーザ。
【請求項２７】
前記ＴＰＡが自己−発散である請求項２５のレーザ。
【請求項２８】
前記ＴＰＡが前記第１反射体に隣接される請求項２５のレーザ。
【請求項２９】
前記ＴＰＡがＩｎＰからなる請求項２５のレーザ。
【請求項３０】
さらに前記Ｒ−ＦＰＳＡを光誘起損傷から保護する保護具を含む請求項２５のレーザ。
【請求項３１】
前記保護具が前記共振器内に配置された２光子吸収体（ＴＰＡ）からなる請求項３０のレーザ。
【請求項３２】
前記ＴＰＡがＩｎＰからなる請求項３１のレーザ。
【請求項３３】
さらに前記共振器内に配置された偏光ドリフト補償器を含む請求項２５のレーザ。
【請求項３４】
前記Ｒ−ＦＰＳＡが前記第１反射体と部分反射体の間に配置された可飽和吸収体からなる請求項２５のレーザ。
【請求項３５】
前記Ｒ−ＦＰＳＡが前記共振器内に分布される可飽和吸収体からなる請求項２５のレーザ。
【請求項３６】
前記Ｒ−ＦＰＳＡが可変である請求項２５のレーザ。
【請求項３７】
前記Ｒ−ＦＰＳＡがモノリシック構造体からなる請求項２５のレーザ。
【請求項３８】
前記モノリシック構造体が半導体基板上に横たわる分布型ブラッグ反射体からなる請求項３７のレーザ。
【請求項３９】
前記モノリシック構造体がさらに、
前記分布型ブラッグ反射体に隣接するＴＰＡ、及び
該ＴＰＡに隣接する可飽和吸収体
からなる請求項３８のレーザ。
【請求項４０】
前記Ｒ−ＦＰＳＡが前記モードロックレーザパルスのバンド幅と比べて大きい自由スペクトル範囲をもつ請求項２５のレーザ。
【請求項４１】
前記Ｒ−ＦＰＳＡの共鳴のバンド幅が前記レーザの利得バンド幅より広い請求項２５のレーザ。
【請求項４２】
前記Ｒ−ＦＰＳＡがＩｎＧａＡｓＰからなる請求項２５のレーザ。
【請求項４３】
モードロックファイバレーザであって、
ドーピングされた光ファイバからなる利得媒質を含む共振器、
レーザ周波数で共鳴に近い該共振器内のファブリ−ペロ−エタロン、
非線形吸収特性をもちモードロックレーザパルスを誘起する可飽和吸収体で、該ファブリ−ペロ−エタロン内に配置される該吸収体、及び
Ｑ−スイッチモードロッキングからｃｗモードロッキングに進展させる、前記共振器内に配置された２光子吸収体（ＴＰＡ）からなるＱ−スイッチング抑圧器
からなるモードロックファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的にモードロッキングに関し、特に、Ｑ−スイッチパルスが抑制されるｃｗモードロッキングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体可飽和吸収体は、最近パッシブモードロック超短パルス分野への応用を見つけだした。これらのデバイスはコンパクトで高価でなく、かつ、広い範囲のレーザ波長とパルス幅に合うようにされるので、魅力的である。半導体可飽和吸収体は、最初パッシブモードロックダイオードレーザに使用された（P.W. Smith, Y. Silberberg and D.B.A. Miller,"Mode locking of semiconductor diode laser using saturable excitonic nonlinearities," J. Opt. Soc. Am. B, vol.2, pp.1228-1236,1985 and US patent 4,435,809 to Tsang et al,参照）。量子井戸とバルク半導体可飽和吸収体もモードロックカラーセンタ（M.N. Islam, E.R. Sunderman, C.E. Soccalich, I. Bar-Joseph, N. Sauer, and T.Y. Chang,"Color center lasers passively mode-locked by quantum wells", IEEE J. of Quantum Electronics, vol.25, pp.2454-2462(1989)）とファイバレーザ（US patent 5,436,925 to Lin et al. ）に使用された。
【０００３】
可飽和吸収体は、強度依存損失ｌをもつ。厚さｄの可飽和吸収体を通しての強度Ｉの信号のシングルパス損失は
ｌ＝１−ｅｘｐ（−αｄ）            （１）
と表され、ここでαは
α＝α0／（１＋Ｉ／ＩSAT）          （２）
で与えられる強度依存吸収係数である。ここで、α0は小信号吸収係数で、これは該当する材料に依存する。ＩSATは飽和強度で、可飽和吸収体内の吸収種の寿命（τA）に逆比例する。このように、可飽和吸収体は、より高強度でより少ない損失を示す。
【０００４】
可飽和吸収体の損失が強度依存であるので、レーザパルスの幅は、パルスが可飽和吸収体を通過するにつれて短くなる。レーザパルスのパルス幅がどの位急速に短くなるかは｜ｄｑ0／ｄＩ｜に比例する。ここで、ｑ0は非線形損失：
ｑ0＝ｌ（Ｉ）−ｌ（Ｉ＝０）          （３）
ｌ（Ｉ＝０）は常数（＝１−ｅｘｐ（−α0ｄ））で、挿入損として知られている。ここに定義されたように、可飽和吸収体の非線形損失ｑ0は強度Ｉの増大と共に減少する（より負になる）。｜ｄｑ0／ｄＩ｜はＩがＩSATに近づくまでは本質的に一定のままであり、漂白状態、すなわち、Ｉ＞＞ＩSATのとき本質的にゼロになる。
【０００５】
モードロッキング素子として満足に機能すべき可飽和吸収体にとって、寿命（すなわち吸収種の上位状態の寿命）と、挿入損ｌ（Ｉ＝０）およびレーザに適切な非線形損ｑ0をもつべきである。理想的には、挿入損はレーザの効率を高めるために低くあるべきであるが、寿命と非線形損ｑ0は自己−開始と安定なｃｗモードロッキングを許すべきである。出力結合割合のようなレーザ共振器パラメータ、残余の損失、および利得媒質の寿命はもちろん可飽和吸収体の特性全てが、スタートアップからモードロッキングまでのレーザの進展の中で役割を演ずる。
【０００６】
可飽和吸収体を有する自己−開始ｃｗモードロックレーザで急速なパルス短小化を達成するためには、可飽和吸収体への強度が高くあるべきで、吸収体は大きい非線形損ｑ0をもつべきである。一方、可飽和吸収体の損失を減少させることは、共振器内のパワーの増大をもたらし、利得飽和を導く。利得飽和が大きな非線形損ｑ0で引き起こされたパワー増大を押さえないならば、レーザは、レーザがＱ−スイッチし、同時にモードロックする状態で動作するだろう（H.A. Haus,"Parameter range for cw passive mode locking," IEEE, J. Quantum Electronics, QE-12, p169, 1976参照）。エルビウム−ドープファイバのような非常に長い寿命（τ〜ｍｓ）をもつレーザ媒質にとって、これは特に本当である。このように、Ｑ−スイッチングを避けるために、可飽和吸収体の非線形損ｑ0の大きさは制限されなければならないが、モードロッキングの自己−開始が困難になる点までは制限されない。挿入損と半導体可飽和吸収体の非線形損ｑ0は、適当なバンドギャップと厚みをもつ材料を選ぶことで制御される。
【０００７】
単純な可飽和吸収体の損失特性は、ファブリ−ペロ干渉作用で変更される。事実、半導体可飽和吸収体は自然なファブリ−ペロ構造を形成する傾向がある。何故なら、半導体の相対的に高い屈折率（一般的に２−４）が〜１０−４０％の入射光が反射する半導体−空気界面をもたらすからである。半導体可飽和吸収体は高反射コートされた一端面をもち、この高反射体がレーザ共振器の一終端部を形成する。この場合、半導体可飽和吸収体から反射される共振器内部パワーの割合ＲF-Pは
ＲＦ−Ｐ＝１−（１−Ｒ）（１−Ｔ）［１＋ＲＴ＋２（ＲＴ）1/2ｃｏｓ（２δ）］-1（４）
で与えられ、ここでＲは可飽和吸収体の前面反射率（すなわち、可飽和吸収体と後面からの反射がないときはその上の任意の反射コーティングの反射率）、δ＝（２ｎｄ／λ）２πはダブルパス位相変化、ｄはサンプル厚さ、ｎは屈折率、λは関係する波長である。Ｔは可飽和吸収体中のダブルパス透過率で、ｅｘｐ（−２αｄ）に等しく、αは材料の吸収係数である。対応する吸収はこのときＡ＝１−Ｔ＝１−ｅｘｐ（−２αｄ）である。異なる屈折率と吸収率をもつ多層膜がファブリ−ペロ−エタロンのパーツとして使われると、式（４）はダブルパス位相変化と吸収が全多層膜に渡って加算されるように変更されなければならない。
【０００８】
可飽和吸収体に吸収されるファブリ−ペロ構造へのレーザ共振器パワー入射割合（ＦABS）は、一般に単純に１−Ｔではなく、１−ＲF-Pである。これは、ファブリ−ペロ構造はパワーが残りのレーザ共振器に再入射する前に循環する共鳴構造として働く、という事実によっている。
【０００９】
式（４）によれば、ＲF-P（半導体可飽和吸収体から反射された共振器内定在パワーの割合）は、可飽和吸収体の厚さと屈折率と同様に、レーザ波長に依存するダブルパス位相変化δの敏感な関数である。図１に示すように、与えられたレーザ波長λと屈折率ｎの場合、ファブリ−ペロ−デバイスの反射率は可飽和吸収体の厚さｄに依存する周期関数である。ファブリ−ペロ−デバイスの厚さがｄ＝λｍ／２ｎと選ばれると、ダブルパス位相変化はδ＝２ｍπであり、ファブリ−ペロ−デバイスは反共鳴と言われる、ここでｍは正の整数である。この場合、ＲF-P＝１−（１−Ｒ）（１−Ｔ）［１＋（ＲＴ）1/2］-2。
【００１０】
波長と厚さに加え、ＲF-PはＲの関数とも見られる。図２は、与えられた可飽和吸収体厚さｄの場合、ＲF-PがＲと波長λの関数としてどのように変化するかを検討している。特に、より高いＲほどより急速にＲF-Pが変化する。Ｒ＝０のとき（すなわち、利得媒質に相対する可飽和吸収体の面が反射防止コートされたとき）、ＲF-P＝Ｔであり、したがって可飽和吸収体の吸収に緩やかに依存する。ここで検討されたような高反射バック面をもつファブリ−ペロ内部共振器可飽和吸収体の場合、利得媒質に相対する面を反射防止コートすることで、”エタロンニング”効果を完全に避けることがしばしば要求される。
【００１１】
しかしながら、一般に、Ｒ≠０で、ｄとＲを適当に選ぶことで、ファブリ−ペロ可飽和吸収体の損失は有効に制御される。可飽和吸収体の厚さがλ／２ｎの整数倍に選ばれると、デバイスは反−共鳴ファブリ−ペロ可飽和吸収体（Ａ−ＦＰＳＡ）と言われる（U. Keller et al.,"Solid-state low-loss intracavity saturable absorber for Nd:YLF lasers: an antiresonant semiconductor Fabry-Perot saturable absorber," Opt. Lett., vol.17, p.505, 1992 and U.S. Patent 5,237,577 to Keller et al.参照）。Ａ−ＦＰＳＡで、デバイスの利得媒質に相対する側は、通常高い反射体をもつ。この構成で、大部分の入射光は利得−媒質−相対面から反射され、ほとんど可飽和吸収体へは行かず、したがって可飽和吸収体で吸収される光が減少する。この低吸収デザインは固体レーザのような小出力結合と低シングルパス利得のレーザに適している。たとえば、レーザが〜４％の出力結合をもつなら、０．５％近くの挿入損が望ましく、これは、量子井戸あるいはバルク吸収体半導体のいずれから通常得られるものより低い。低損失Ａ−ＦＰＳＡデバイスはモードロック固体レーザにうまく使われてきた（たとえば、U. Keller, D.A.B. Miller, G.D. Boyd, T.H. Chiu, J.F. Ferguson, and M.T. Asom,"Solid-state low-loss intracavity saturable absorber for Nd:YLF lasers: an antiresonant semiconductor Fabry-Perot saturable absorbers," Opt. Lett., 17, 505, 1992, 参照）。
【００１２】
他の低損失デザインがモードロッキング配置にうまく使われてきた。たとえば、量子井戸可飽和吸収体が半導体ブラッグ反射体（ＳＢＲ）に挿入される（US Patent 5,627,854 to Knox,と、S. Tsuda, W.H. Knox, E.A. de Souza, W.Y. Jan, and J.E. Cunningham,"Low-loss intracavity AlAs/AlGaAs saturable Bragg reflector for femto-second mode locking in solid state lasers," Opt. Lett., vol. 20, p. 1406, 1995, も参照）。この配置で、光強度はＳＢＲ内部で急速に減衰し、挿入損は、ＳＢＲ内部の吸収層を正確に配置することで制御される。
【００１３】
有効な挿入および非線形損を操作する別の方法は、吸収体を定在波中に適当に配置することである。このデザインにおいて、入射ビームは、強度がゼロと入射強度の２倍の間を変化する共振器内定在波を作るために、高いあるいは部分反射体で反射される。挿入および非線形損は、吸収層を定在波電場内に適当に配置することで制御される。Cunningham他の米国特許5,701,327において、量子井戸吸収層はＳＢＲのトップに堆積された半波長の倍数の厚い歪レリーフ層に挿入される。歪レリーフ層の総合厚さは半波長の整数倍であるので、定在波の節は入射ビームに相対する面に作られる（ここで強度は最小である）。この反共鳴デザインは歪レリーフ層に行く光の量を制限し、その結果、定在波の振幅を制限する。
【００１４】
別のデザイン（Chemla他の米国特許4,860,296参照）では、非線形損が、いわゆるグレーティング可飽和吸収体を形成するために薄い吸収層（透明スペーサで隔てられた）を定在波の腹に配置することで、最大化される。吸収層を強度が平均値の２倍である腹に配置することで、もしも吸収層が透明スペーサに比べて非常に薄いなら、非線形損は係数２まで高められる。
【００１５】
これら従来技術の全てのデザインは低挿入損をもつ可飽和吸収体を含んでいる。したがって、非線形損の大きさが制限され、可飽和吸収体が完全に漂白されるとき最大化される。しかしながら、高利得、高出力ファイバレーザにとって、非線形損の大きさは自己−開始モードロッキングのためには大きい方が好ましい。
他方、高非線形可飽和吸収体の使用は絶え間ないＱ−スイッチングを導く。したがって、ファイバレーザのような高利得、高出力レーザの自己−開始モードロッキングに適する可飽和吸収体のニーズが存在する。
【００１６】
【発明の要旨】
Ｑ−スイッチモードロッキング（ＱＳＭＬ）から展開する自己−開始ｃｗモードロッキングを達成する方法が開示される。対照的に、大部分の固体レーザのモードロッキングはｃｗノイズから始まる。
【００１７】
レーザ中で自己−開始モードロッキングを誘起するための共振器内共鳴ファブリ−ペロ−吸収体（Ｒ−ＦＰＳＡ）の使用も開示される。２光子吸収体（ＴＰＡ）のような光パワー制限体、たとえば半導体材料が、Ｑ−スイッチングを防止するためにレーザ共振器に任意に使われる。Ｒ−ＦＰＳＡは、可飽和吸収体で経験させられた非線形損が先行技術のＦＰＳＡ形状を陵駕するように、デザインされる。ＴＰＡパワー制限体は、Ｒ−ＦＰＳＡのために有効な損傷保護手段を与え、かつ、安定なｃｗモードロッキング領域にある全非線形損を自己−調節する。
【００１８】
Ｒ−ＦＰＳＡは大略（２ｍ＋１）λ／４ｎの間隔を有する２つの反射体を含んでいる。一方の反射体はレーザ共振器の一方の終端を定義する最大反射体（”終端反射体”）であるのに、他方の反射体はレーザの利得媒質に相対する高あるいは部分反射体で形成される（”内部反射体”）。
【００１９】
ファブリ−ペロ−デバイスがｎｄ＝（２ｍ＋１）λ／４で与えられる厚さをもつとき、ダブルパス位相変化はδ＝（２ｍ＋１）πで、ファブリ−ペロ構造は共鳴であると呼ばれる。この場合、ＲF-P＝１−（１−Ｒ）（１−Ｔ）［１−（ＲＴ）1/2］-2で、かつ最小である。共鳴で動作させることで、可飽和吸収体によって吸収されるレーザ強度は高められる。Ｒ−ＦＰＳＡのための吸収強度は、式（４）でｃｏｓ（２δ）＝−１とすることから決められるように、ＩAbs＝（１−ＲF-P）Ｉ＝（１−Ｔ）（１−Ｒ）／［１−（ＲＴ）1/2］2Ｉで与えられる。これは、前面が反射防止膜でコートされ、かつＩABS＝（１−Ｔ）Ｉである場合と比較されるべきである。このように、ファブリ−ペロ−デバイスを共鳴で動作させることで、可飽和吸収体で吸収される強度は（１−Ｒ）／［１−（ＲＴ）1/2］2の係数で増加される。
【００２０】
Ｒ−ＦＰＳＡのためのＲF-P（λ）に対するＲを変化させる効果が図２に示されている。近接する最小値間の間隔は、Δλ＝λm+1−λm＝λm・λm+1／２ｎｄで与えられ、これは広いバンド幅が必要な超高速レーザのようなある応用にはむしろ大きい。内部反射体は、可飽和吸収体に必要な強度を供給するために十分高い反射率Ｒをもつべきである。しかしながら、この反射率Ｒはそんなに高くはないので、ＲF-P（λ）は利得プロファイルに渡って相対的にフラットではない。たとえば、内部反射体の反射率Ｒが高過ぎると、モードロックレーザパルスに必要な共鳴でのＲF-P（λ）のバンド幅が制限され過ぎる。可飽和吸収体上のスポットサイズが変えられない応用（たとえば、ファイバあるいは導波路への突き合わせ−結合）の場合、適当なＲを選択することによる吸収体上への強度の”チューニング”が必要である。
【００２１】
非線形損とＲF-Pへの波長を関数とする共鳴効果が図３で調査される。この図は、ファブリ−ペロ−デバイスが共鳴でデザインされるとき非線形損が大きな増加を経験する、ということを示している。負の非線形損はｑ＝ＲF-P（Ｒ，Ｔ）−ＲF-P（Ｒ，Ｔ0）と計算される。Ｔ＝ｅｘｐ（−２αｄ）＝Ｔ0ｅｘｐ（−２（δαｄ）〜Ｔ0（１−２（δα）ｄ）であり、Ｔ＝ｅｘｐ（−２α0ｄ）＝５０％で、２（δα）ｄはサンプル中に吸収される光に比例して０．２（１−ＲF-P）と近似される。共鳴（１５４０ｎｍ近く）での非線形損は、反共鳴でのそれより７倍大きいことがわかる。
【００２２】
一つの好ましい実施例において、利得媒質はミリ秒（ｍｓ）のオーダの上部準位寿命をもつエレビウム−ドープ−ファイバであり、共振器往復時間は一般的に１０−１００ｎｓｅｃである。大きな非線形損をもつＲ−ＦＰＳＡを使うことで、ファイバレーザはｃｗモードロック体制よりＱＳＭＬ体制で動作する。この場合、強烈なＱ−スイッチパルスを抑圧することが必要であり、これによってレーザはスレッショルド以下で動作する。本発明の好ましい実施例で、２光子吸収体（ＴＰＡ）がＲ−ＦＰＳＡを補足する目的で使われ、したがってレーザはｃｗモードロック体制で動作する。ＴＰＡはレーザ波長ではむしろほとんど、あるいは全然１光子吸収をもたない。したがって、異なる非線形作用をもつ二つの異なるタイプの吸収体が自己−開始ｃｗモードロック作用を達成するために同じデバイスに使われる。
【００２３】
好ましい可飽和吸収体（ＩｎＧａＡｓＰ）と好ましい２光子吸収体（ＩｎＰ）の異なる強度依存性が図４に示されている。２光子吸収体による損失が強度の関数として強く増加するのに対し、可飽和吸収体による損失は強度と共に減少（飽和）する。図４の合成的な”Ｖ−形”全損失はｃｗモードロッキングに有利な体制である最小値をもつ。
【００２４】
光制限器（たとえば、ＴＰＡ）はむしろ物質のバンドギャップＥgと光子エネルギｈ／２πの比の関数である大きな２光子吸収係数β2をもつ（たとえば、E.W.Van Stryland, M.A.Woodall, H.Vanherzeele, and M.J.Soilean,"Energy band-gap dependence of two-photon absorption,"Opt. Lett. 10,490,1985,参照）。図５は、
β2＝ｋ［（ｈ／２π／Ｅg−１）3/2／（ｈ／２π／Ｅg）5］／ｎ2Ｅg       （５）
で与えられる（Stryland、他の前論文）２光子吸収係数がこの比と共にどのように変化するかを示している。ここで、ｋはほとんど材料に依存しないパラメータである。与えられたレーザ波長の場合、光パワー制限器のバンドギャップＥgは光子エネルギｈ／２πより大きいので、最大２光子吸収は挿入損失の大きな増大なしに得られる。バンドギャップは、半導体材料とあるいはそのドーピングレベルの適当な選択で、容易に制御される。
【００２５】
ＴＰＡはレーザ共振器中での位置にかかわらず、抑圧するＱＳＭＬで有効である。たとえば、ＴＰＡは可飽和吸収体に隣接してもよい。代わりに、ＴＰＡと可飽和吸収体が利得媒質の反対側に位置してもよいし、あるいはいくつかのＴＰＡがファブリ−ペロ−デバイスの厚さを減らすために使用されてもよく、それによって大きなデザインのフレキシビリティを提供する（式（４）に従って）。
【００２６】
２光子吸収体によるＱ−スイッチパルスの抑圧は以前報告された（たとえば、A.Hordvik,"Pulse stretching utilizing two-photon-induced light absorption," J. of Quantum Electronics, QE-6, 199(1970)とV.A.Arsen'ev, I.N.Matveev, and N.D.Ustinov,"Nanosecond and micrsecond pulse generation in solid-state lasers (review)",Sov. J. Quantum Erectron, vol.7(11),1321(1978)参照）。また、半導体ベースの２光子吸収体が、損傷しやすい光学系を保護するために光学パワー制限器として使用された（たとえば、US Patent 4,846,561 to Soilean et al. 参照）。
【００２７】
２光子吸収体のバンドギャップはレーザ波長での光子エネルギより十分上回るので、１光子吸収は低強度で低い。しかしながら、より高強度で、価電子帯から伝導帯へ発生されたキャリアの生成速度は増大する。２光子作用からの吸収（１−Ｔ）は
ＡTPA＝β2ＩｄTPA／（１＋β2ＩｄTPA）    （６）
で与えられ、ここでｄTPAはＴＰＡ材料の厚さで、β2はＴＰＡ係数である。（たとえば、E.W.VanStryland, H.Vanherzeele, M.A.Woodall, M.J.Soilean, A.Smirl, S.Guha, and T.F.Boggess,"Two photon absorption, nonlinear refrection, and optical limiting in semiconductors",Opt. Engin., vol.24,613,1985 参照）。
【００２８】
パルスピークがウイングより強く減衰されるため、２光子吸収体は高強度パルスのパルス短縮を制限する傾向がある。したがって、２光子吸収作用のこれまでの理解は、それがモードロックレーザの性能を退化させるということである（たとえば、A.T.Obeidat and W.H.Knox,"Effect in femtosecond solid-state lasers", OSA Technical Digest, 11,130, Proceedings of CLEO '97  参照）。しかしながら、ここに開示された高利得ファイバレーザでは、Ｑ−スイッチモードロッキングがｃｗモードロッキングの主要な障害である。したがって、２光子吸収体は、それによってｃｗモードロッキングが促進され、２光子吸収体で著しく影響されないＱＳＭＬを有効に抑圧する。結果は、一つあるいはそれ以上の２光子吸収体を共振器内に使用することがより広い範囲の可飽和吸収体の使用を許す、ということである。
【００２９】
ここに開示されたＲ−ＦＰＳＡとＴＰＡ光制限器の組み合わせが自己−開始モードロッキングのために理想的な非線形デバイスを提供する。何故なら、Ｒ−ＦＰＳＡが大きな可飽和損失による急速パルス短縮を提供し、光制限器がｃｗモードロッキング安定領域内であるべき非線形損を自己調節するからである（図４）。ＴＰＡパワー制限器は可飽和吸収体に有効な損傷保護をも提供する。可飽和吸収体上の強度は、吸収体上のスポットサイズを変化させるか、適当にＲを選択することで最適化される。
【００３０】
【実施例】
本発明のいろいろな好適実施例の中で、自己−開始ｃｗモードロッキングはＱ−スイッチモードロッキングから得られる。ｃｗモードロッキングは、共鳴に近いファブリ−ペロ可飽和吸収体（Ｒ−ＦＰＳＡ）で誘起される。２光子吸収体のような光制限器は、むしろ非線形損をｃｗモードロッキングのための安定領域内に自己−調節するために可飽和吸収体と組み合わせて使われる。
集積化可飽和吸収体（Ｒ−ＦＰＳＡ）／光パワー制限器
長さ１．５ｍのＥｒ3+−ドープ光増幅ファイバのようなファイバ利得媒質１０ａを含む発明の好適実施例が図６に示されている。この実施例の光学配置は、１９９８年３月９日に提出された、HIGH POWER, PASSIVELY MODELOCKED FIBER LASER, AND METHOD OF CONSTRUCTIONと題するAssigneeの共願中Ｕ．Ｓ出願シリアルＮｏ．０９／０４０，２５２に開示されたものに、いくつかの点で類似しており、この出願は参考文献で具体化されている。
【００３１】
９８０ｎｍ近辺の波長をもつポンプ光１４ａ（むしろ図示されていないレーザ光源からの）は、図６の模範的な共振器２０ａに示されているように、波長分割多重器（ＷＤＭ）のようなポンプシグナル注入器１８ａ（ファイバに接続された）によってエルビウムファイバ１０ａにむしろ向けられる。偏光ビーム分岐立方体あるいは偏光ビームスプリッタのような偏光素子２２ａは、短パルスモードロックファイバシグナル１６ａ、１６ａ’のための出力結合器として役立つ（１６ａと１６ａ’はそれぞれレーザシグナルの左方向進行部と右方向進行部を示す）、そして波長板２６ａのそれぞれの方位が共振器２０ａ内の偏光回転と出力結合のレベルを制御する。むしろ、ファイバ１０ａの反対側に位置する共振器２０ａ（すなわち、共振器端に最も近い）内の二つのファラデ回転子３０ａは、共振器内での偏光ドリフトを補償する。
【００３２】
本発明の実施例がここでは上述されたエルビウムレーザに関して論じているが、他のファイバ利得媒質とレーザ形状が使用され得る。たとえば、ファイバは他のドーパント（たとえば、イットリビウム、タリウム、ホルミウム、ネオジウム、プラセオジウム）とドーパント濃度を含むことができ、異なる幾何学的パラメータが使用され得る。また、レーザ形状は、技術的に普通の他の形状と同様に、２重クラッドファイバレーザ、リングレーザ、”８形”レーザを含むことができる。
【００３３】
模範的な共振器２０ａの中で、約３０−７０％の挿入損をもつ可飽和吸収体３４ａは共振器の一端に位置する。可飽和吸収体３４ａは、むしろ部分的あるいはむしろ全反射ミラー４２ａのような反射体に取り付けられた（すなわち、直接配置された）ＩｎＧａＡｓＰであり、そのミラー４２ａは第２高反射ミラー３８ａ（あるいは反射体）と共に光共振器２０ａの範囲（すなわち両端）を定義する。
可飽和吸収体３４ａは、レーザシグナル１６ａ、１６ａ’のモードロッキングを誘起する。
【００３４】
ＡＲコーティング３６ａに隣接する光パワー制限器３５ａ（２光子吸収体のような）は、レーザのＱ−スイッチングを抑圧するために可飽和吸収体３４ａの上に付随的に配置する。２光子吸収体（ＴＰＡ）３５ａは、好ましくは層厚３５０μｍのＩｎＰである。ＡＲコーティング３６ａの反射率は光干渉効果を減らすために、好ましくは小（すなわち、＜０．０５％）である。ミラー４２ａ、可飽和吸収体３４ａ、ＴＰＡパワー制限器３５ａ、ＡＲコーティング３６ａは、集積光学構造３７ａを形成する。
【００３５】
ファイバ１０ａからのレーザビームは、レンズ４７ａで平行光にされ、レンズ４６ａで可飽和吸収体３４ａ上に再集光される。可飽和吸収体上のスポットサイズは、レンズ４６ａと４７ａの位置を変化させるか、あるいは異なる焦点距離をもつレンズを使うことで調節される。共振器２０ａ内の他の集光レンズ４８ａと４９ａは、レーザシグナル１６ａ、１６ａ’をファイバ１０ａに投影するのを援助する。共振器２０ａ内の全内部共振器ファイバ長は好ましくは２ｍで、シグナルレーザは好ましくは繰り返し周期５０ＭＨｚで動作する。結果として生じるモードロックパルスは、偏光制御素子の正確な設定と出力結合の度合いに依存する３００−６００ｆｓｅｃのパルス幅で制限されるバンド幅に近い。７０ｍＷの入力ポンプパワーと可飽和吸収体３４ａ上への最適集光の場合、出力結合は５０と８０％の間を変化し、レーザはまだ自己−開始ｃｗモードロッキング動作を示す。出力結合割合が下限以下（すなわち＜４０％）に調節されると、可飽和吸収体３４ａで経験される挿入損と非線形損に依存する多重パルス（１往復当たり１パルス以上）あるいはｃｗ成分が一般に観察される。
【００３６】
ビームスプリッタ６４ａ（好ましくは１−２％の反射率をもつ）が、可飽和吸収体３４ａに入射するビームパワー（１６ａ、ＰInc）と反射するビームパワー（１６ａ’、ＰRef）をモニタするために、可飽和吸収体３４ａの前に挿入される。ビームスプリッタ６４ａは、それぞれＰIncとＰRefに比例する矢印６８ａと７０ａで示される共振器内部パワーの割合を出力結合する。
非隣接Ｒ−ＦＰＳＡとパワー制限器
代わりの実施例が図７に示されており、この図で文字”ｂ”と併置される数字は、図６中で”ａ”と割符された数字に大体は類似している。図７の実施例は、図６の一つと異なる。図７で、ＴＰＡパワー制限器３５ｂとそのＡＲコーティング３６ｂは、もはや可飽和吸収体３４ｂに隣接せず、むしろ共振器２０ｂの他端ミラー３８ｂに隣接する。図７のレーザの性能は、図６のそれとほとんど同じである。
好適可飽和吸収体：ＩｎＧａＡｓＰの特性解析
好適可飽和吸収体は、ＩｎＧａＡｓＰである。多数のＩｎＧａＡｓＰ可飽和吸収体素子が作られ、寿命、損失、およびレーザ性能の項目に関して特性解析された。これらテストの結果がここに記述される。
【００３７】
１．寿命
ＩｎＧａＡｓＰ可飽和吸収体３４ａ中のキャリアの寿命が、ポンプ−プローブ法を使って約２０ｎｓと測定された。しかしながら、この実施例に使用されたＩｎＧａＡｓＰサンプルは、キャリア寿命を〜５ｐｓまで減少させるためにプロトン衝撃された。
【００３８】
２．非線形損
可飽和吸収体３４ｂによって経験させられる動作非線形損ｑop、すなわち、ｃｗモードロック動作での可飽和吸収体の損失とレーザ動作スレッショルドでの損失との差：
ｑop＝ｌ（モードロッキングでのＩ）−ｌ（レーザスレッショルドでのＩ）（７）
をその場で決定するために、二つの方法が使用された。最もわかりやすいアプローチは、レーザ動作スレッショルド（相対的に低い共振器内パワー）とモードロック条件の両方で、可飽和吸収体から反射されたパワーＰRefと可飽和吸収体に入射するパワーＰIncの間の比を決めるために、出力結合パワー６４ｂと６８ｂをモニタすることである。ＰRef／ＰIncは単純にＲF-Pであり、ΔＲF-P＝−ΔFABS＝−ｑop、ここでＦABSは吸収される可飽和吸収体３４ｂに入射するパワーの割合である。このように、レーザ動作スレッショルドの場合とモードロック動作との間のＰRef／ＰIncの変化を測定することは、可飽和吸収体３４ｂによって経験させられる非線形損ｑopを直接与える。
【００３９】
第２のアプローチでは、可飽和吸収体３４ｂ（とその下にあるミラー４２ｂ）が、入射ビーム強度の関数としての可飽和吸収体の非線形損ｑを決めるために、ポンププローブ法を使って共振器外構成中で最初に検査される。すなわち、校正曲線が作られる。この技術では、非線形損ｑは、ポンプビームからの遅れ時間ゼロの制限のもとでのプローブビーム（可飽和吸収体３４ｂからの）のＲF-Pにおける変化である。つぎに、検査されるべき可飽和吸収体３４ｂ（とそのミラー４２ｂ）は、図７に示されるように、レーザ共振器中に導入される。共振器内パワー（ＰInc、１６ｂ）は、矢印６８ｂで示される方向に出力結合されたパワーを測定することでモニタされる。可飽和吸収体３４ｂ上の強度が掌握されると、非線形損ｑは校正曲線から決められる。これら二つの方法の結果は、互いに矛盾しないが、第２の方法がより正確な結果を与える。
【００４０】
３．レーザ性能
レーザが自己−開始ｃｗモードロッキング作用を示す以上の動作範囲を確立するために、レーザ性能が可飽和吸収体損の関数として調べられた。固定された強度の場合、可飽和吸収体の非線形損は、図８に示すように大きく変化する。図８において、データは与えられたポンプビーム強度の場合にポンプビーム法を使って測定された。モードロッキング条件下での可飽和吸収体３４ｂの非線形損は、上のセクションに記述された方法を使って多数の様々な可飽和吸収体に対して決められた。
【００４１】
約１５％の｜ｑop｜の値は、自己−開始作用と摂動安定に関してのｃｗモードロッキング性能を、結果として満足させる。低強度条件下で低｜ｑop｜をもつ可飽和吸収体の性能は、通常可飽和吸収体上の強度を｜ｑop｜が、たとえば１５％レベルまで増加されるまで増加させることによって改善される。前に議論したように、可飽和吸収体上の強度は、よりしっかりと集光するか、、出力結合割合を減少させるかのいずれかで増加される。たとえば、バンドギャップ選択による非常に高い非線形損（｜ｑop｜＞２０％）を与える可飽和吸収体の場合、ｃｗモードロッキングに対立するものとしてＱ−スイッチモードロッキングだけが観察された。
【００４２】
自己−開始モードロッキング作用と一致した最大出力結合割合は、与えられたスポットサイズでは挿入損の減少と共に、反対に、、与えられた挿入損ではスポットサイズの増大と共に、減少する。調べられた全ての可飽和吸収体にとって、最善の性能結果は、可飽和吸収体上のスポットサイズが損傷させない範囲内でできる限り小さいときに得られた。
Ｑ−スイッチモードロッキング（ＱＳＭＬ）からのｃｗモードロッキングの進展高速検出器とデジタルオッシロスコープが、図６の実施例からのレーザパルスの進展を記録するために使われた。これらの結果は、図９に示されており、どのようにＱ−スイッチモードロッキングがｃｗモードロッキングに進展するかの時間的表示である。類似の結果は図７の構成で得られた。大部分のＱ−スイッチパルスのピークパワーは、ｃｗモードロックパルスのピークパワーより３０倍大きい。しかしながら、数個の相対的に低いパワーのＱ−スイッチングパルスが、ＱＳＭＬパルスの一つのテールの外に進展するｃｗモードロッキングを伴って、ｃｗモードロッキングへの移行に常に先行する。
【００４３】
Ｑ−スイッチモードロッキングパルスのパルス幅が、３ｐｓ以下の自己−相関器で測定された。これを行うために、レーザは出力結合を調節して慎重にＱＳＭＬ体制にセットされる。
ＴＰＡを含む模範的な実施例
本発明の光制限器は好ましくは大きな２光子吸収係数をもつ半導体から作られる。実施例と結果がＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料に関してここに主として記述されるが、他の半導体材料を使ってもよい。１．５５μｍ近辺の応用の場合、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓがＴＰＡパワー制限器として使用するのに適している。より短波長で、ＺｎＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅがＴＰＡとして使用される。ドーピング（中間準位を作る）、低温成長、量子閉じ込め、格子不整合、のような精巧な材料工学技術もＴＰＡ効果を高めるために使われ、その効果によって強い光制限器を形成する。
【００４４】
一つの好ましい２光子吸収体はＩｎＰで、これは好ましい可飽和吸収体であるＩｎＧａＡｓＰの基板としても役立つ。これらの研究の一部のように、ＩｎＰの３５０μｍ厚さのサンプルの２光子吸収損が共振器外のテスト装置（図示せず）で測定された。その装置ではサンプルの一方の側がＡＲコートされ、他方の側が金でコートされた。結果は図４に示された理論値と非常によく一致することが明らかになった。また、２光子吸収係数が１８ｃｍ／ＧＷと決められた。これは理論値とよく一致する。ＴＰＡサンプルの非線形損が約０．２ＧＷ／ｃｍ2の強度で５０％と決められた。十分な集光条件（スポットサイズが約２０μｍ2）のもとで、１０ＧＷ／ｃｍ2のオーダの強度の場合、光損傷がＡＲコート面で観察された。このオーダの強度はここに開示されたファイバレーザのＱＳＭＬパルス（１ＧＷ／ｃｍ2）のピーク強度より非常に高い。
【００４５】
ＴＰＡパワー制限器の効果が、異なる実験構成で調べられ、ｃｗモードロックレーザ性能が、ＴＰＡが無いときと比較された。図６に示すような一つの実施例で、ＩｎＰの３５０μｍ層の基板が〜０．７５μｍのＩｎＧａＡｓＰ吸収層のトップに配置された。ＩｎＰの側面はＡＲコートされ、ＩｎＧａＡｓＰの側面はＨＲ−コートされる。可飽和吸収体層３４ａからの挿入損はこれらのテストの場合、約４５％であった。これらの結果は、ＩｎＰ層３５ａとそのＡＲ−コーティング３６ａが使用されないこの実施例の変更例と比較された。レーザは、ＩｎＰ層３５ａが取り除かれたときと比べて、出力パワー、波長、自己−開始、摂動に対する安定性に関してほとんど同じ性能であった。図６で示される構成の場合、吸収体３４ａの上のスポットサイズが１２〜５ミクロンの範囲変えられたが、可飽和吸収体に対する損傷は、最も高い可能なポンプパワー（７０ｍＷ）の場合でも全然観察されなかった。
【００４６】
別の組の比較が図７の実施例を使って行われた。図７で、ＩｎＰ２光子吸収層３５ｂと可飽和吸収体３４ｂは、共振器２０ｂの反対の端部に配置される。この構成で、レーザ性能が共振器内ＩｎＰウェハをもつ場合とＩｎＰウェハが取り除かれた場合の両方で、分析されるＩｎＰ層３５ｂが共振器から取り除かれるとき、可飽和吸収体３４ｂは、９８０ｎｍポンプダイオードパワーが６０ｍＷ以上でかつスポットサイズが〜１２μｍ（直径）のとき、ＱＳＭＬの間容易に損傷された。ＩｎＰ層３５ｂと３６ｂが共振器内にある場合、ＩｎＧａＡｓＰ可飽和吸収体３４ｂへの損傷が、最も可能な高いポンプレベル（〜７０ｍＷ）でスポットサイズが〜８μｍと同じ場合、全然観察されなかった。図７の実施例の場合、ＱＳＭＬパルスのピーク強度もモードロッキング（図９に類似した）の開始過程の間、モニタされた。ＩｎＰウェハが共振器内にある場合、ＱＳＭＬのピーク強度が、ＩｎＰが無いときの１／５に減少することがわかった。一般に、２光子吸収体のような光パワー制限器の使用は、光パルスのピークパワーを減少させ、したがって損傷から可飽和吸収体を有効に保護する。
【００４７】
２光子吸収体のような光制限器は、ある付加的な損失を導入するので、ｃｗモードロック出力パワーの減少も期待される。事実、図７の構成からの出力結合ｃｗモードロックパワーは、パルスエネルギが約０．２ｎＪの場合、ＩｎＰ（３５ｂと３６ｂ）が共振器から除かれる以外は同じレーザのそれより、約５％少なかった。
【００４８】
上の議論が暗示するように、ＴＰＡ光パワー制限器の使用は、可飽和吸収体の設計と選定により大きな自由を許し、可飽和吸収体への損傷の可能性を減らす。
ＴＰＡは光学的あるいは熱的に誘起される損傷に対する保護を提供するので、可飽和吸収体上のスポットサイズ選定に、すなわち非線形損の変化に、より大きな自由が存在する。さらに、ＴＰＡの非線形損は、ファイバレーザを強いてｃｗモードロッキング体制で動作させるのに役立つ。
代わりのモードロッキング／パワー制限実施例
１．高反射体としての分布型ブラッグ反射体
図６の光学構造３７ａの代わりをするモノリシック共鳴ファブリ−ペロ可飽和吸収体（Ｒ−ＦＰＳＡ）構造１００が図１０に示されている。このデバイスは５０ｎｍのオーダの比較的広いバンド幅を与えるために好ましくは６．５μｍの総合厚さをもつ。このデバイスにおいて、１／４波長分布型ブラッグ反射体（ＤＢＲ）１０４は高反射体として働き、好ましくは半導体基板１０８の上に置かれる（成長させられる）。ＴＰＡのようなパワー制限器３５ａ’はＤＢＲ１０４に隣接でき、好ましくは次々に可飽和吸収体３４ａ’で隣接される。反射層１１２は好ましくは可飽和吸収体３４ａ’の上に置かれ、部分反射面として働く。反射層１１２の反射率は、オペレータがきつい共振器内集光を選定するのに大きな自由度を与えるために、選ばれる。可飽和吸収体３４ａ’とパワー制限器３５ａ’の機能は図６のダッシュの無い割り符に非常に似ている。
【００４９】
ここに開示されたファブリ−ペロ−デバイスに関しての一つの設計上考慮すべき事柄は、それらデバイスの自由なスペクトルレンジΔλがレーザパルスのバンド幅に比べて大きくなければならないことである。したがって、任意の２光子吸収層プラス吸収層の全体厚さは好ましくはｔ＝λ２／２ｎΔλに制限される。たとえば、望ましいΔλが１．５μｍで５０ｎｍであるとすると、共鳴共振器の厚さは屈折率が〜３．５の場合、６．５μｍ以下でなければならない。一方、与えられたファブリ−ペロ共振器厚さの場合、反射率ＲはＲF-Pが好ましくはレーザ利得プロファイルにわたって比較的フラットであるように、レーザ波長が利得ピークから遥か遠くにシフトしないように、選択されなければならない。
【００５０】
可飽和吸収体３４ａ’とＴＰＡ層３５ａ’の位置は、図６に示される層の順番と一致するように変えられてもよい。さらに、ここに開示されたこれと、他の実施例の中で、可飽和吸収体とＴＰＡは光デバイスのどの点に位置してもよく、事実、ＴＰＡはデバイスの至る所に分配されてもよい。
【００５１】
２．分布型可飽和吸収体とＴＰＡ
図１１の実施例で、可飽和吸収材１２０と光制限材１２６（たとえば、２光子吸収体）は、レーザ共振器２０ｃの至るところに分配され、その他の点は図６中の対照物に類似している。この実施例において、吸収材１２０は好ましくはファブリ−ペロ共振器定在波１３０の節でない点に位置する薄い層で、ＴＰＡ材１２６は、薄い吸収層の間のスペーサとして使われる。デバイスに入射する光の割合は、前面反射の関数であるので、デバイス内に形成される定在波の振幅は前面反射体４２Ｃに依存する。この状態で、定在波は後の高反射体の方に伝搬する光と後ろの高反射体で反射される光の間に形成される。したがって、吸収層１２０上での強度は、ここに開示された他のＲ−ＦＰＳＡデバイスのように制御される。
【００５２】
３．可変バンドギャップ
可飽和吸収体は、それらの有効なバンドギャップを変えることで、限定された範囲に同調される。これはバイアスをかけながら、たとえば、可飽和吸収体に電気的なリードを与えながらキャリア注入速度を変えることで行われる。類似の技術は垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）で使われた。（たとえば、J.A. Hudgings, S.F. Lim,  G.S. Li, W. Yuen, K.Y. Lau, and C.J.Chang-Hasinain,"Frequency tuning of self-pulsating in VCSEL with a voltage-controlled saturable absorber", OSA Technical digest 12, 10, OFS '98 参照）。電気的なリードからの電気信号は光パルスから発生する光電流をモニタするためにも使われる。そのような信号は同期目的のために使われる。
【００５３】
４．その他の実施例
これまで議論された２光子吸収体（ＴＰＡｓ）の振幅応答に加えて、ＴＰＡｓは位相応答をももち、ここで位相応答はＴＰＡｓの屈折率中の非線形変化から生じる。半導体２光子吸収体は、一般に自由キャリアはもちろん、束縛キャリアの応答でも影響を及ぼされる。束縛と自由キャリアの応答時間は全く異なり、束縛キャリアの約３００ｆｓから自由キャリアの〜１ｐｓ−３０ｎｓの範囲にわたる。バンドギャップの１／２以上のレーザ周波数で動作する半導体ＴＰＡｓの振幅応答は主に束縛キャリアに依存するが、位相応答は自由キャリアはもちろん、束縛キャリアでも影響される。したがって、ＴＰＡｓの位相応答は振幅応答に比べて、非常に長い寿命をもつ。
【００５４】
非線形屈折率変化は自己−集光あるいは発散をもたらす；バンドギャップの１／２より十分上で動作する半導体では、自己−発散が代表的である。自己−集光はもちろん自己−発散は、レーザ共振器内光ビームの拡がりの強度−依存変化をもたらす。レーザ共振器内のどこかに位置する開口を通しての伝導は、強度の関数として減少するべく調節され、有効な光制限効果は、したがってＴＰＡの位相応答によっても得られる。単一モードファイバを含む共振器では、ファイバ自身がそのような開口を与え、位相−応答−誘起光制限を含む共振器は、図６あるいは７のどちらかに類似するように見え、かつ別々に示されない、と云うことに注意する必要がある。
【００５５】
自己−発散は更なる光制限機構をもたらすこともできる。これは以下のように説明される。ＴＰＡがＳＡおよび高反射体（ＨＲ）と集積されている光素子を仮定させて欲しい、そこではＴＰＡがＳＡと近接するＨＲの前に配置されており、全体構造が図６に示されるようにファブリ−ペロ共振器の一端部に位置するようにされる。ＳＡ吸収体に衝突する光ビームの強度は、そのときＴＰＡ内の自己−発散で制限され、強度の増大を伴うＳＡ上のビーム径の増大をもたらす。
【００５６】
さらに、ＴＰＡ−誘導屈折率変化が比較的長く存在し、共振器往復時間に匹敵するので、自己−発散の量は、Ｑ−スイッチモードロックレーザにおける光制限効果の更なる高揚をもたらすパルスからパルスへ、蓄積することができる
本発明の範囲はそれに関する図あるいは上述のことで限定されず、むしろ添付のクレームで限定されると言うことと、この発明のある変更や修正がこの技術において通常の技能の人に浮かぶであろう、ということを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、レーザ波長が１５５０ｎｍにおけるファブリ−ペロ−デバイスの反射率（ＲF-P）の、厚み依存性を示している。曲線はＲ＝３０％とＴ＝５０％をもつ式（４）を使って計算される。
【図２】は、Ｒを変化させた場合の、波長の関数としてのＲF-Pのプロットを示している。デバイスの厚さは６．５μｍで、これは〜１０ｎｍのバンド幅（半値全幅）をもたらす。実線の曲線（Ｒ＝０％）はバンドギャップ１５５０ｎｍをもつ半導体のバンド構造を示す。点線の曲線はＲ＝０％のケースで与えられる波長依存のＴをもつ式（４）を使って計算される。
【図３】は、Ｔ＝Ｔ0＝５０％とＲ＝３０％をもつ式（４）を使って計算された波長の関数としてのＲＦ−Ｐを示している。非線形損はｑ＝ＲF-P（Ｒ，Ｔ）−ＲF-P（Ｒ，Ｔ0）として計算される。ここで、Ｔ＝Ｔ0（１−２（δα）ｄ）、２（δα）ｄは０．２（１−ＲF-P）と近似される。
【図４】は、可飽和吸収体による損失、２光子吸収体による損失と、それらの和の強度依存性を示している。可飽和吸収体による損失は式（２）で与えられるαを含む式（１）で与えられる。
【図５】は、２光子係数が式（５）を使ってｈ／２π／Ｅgの関数としてどのように変化するかを示している。
【図６】は、可飽和吸収体（モードロッキングを誘起するための）と２光子吸収体（Ｑ−スイッチングを防止するための）が互いに近接している１実施例を示している。
【図７】は、可飽和吸収体と２光子吸収体がレーザ共振器の反対端部に位置する以外は図６の実施例に類似している別の実施例を示している。
【図８】は、負の非線形損（ポンプ−プローブ法を使って固定ポンプ強度で測定された）が異なる挿入損をもつ様々なＩｎＧａＡｓＰ可飽和吸収体の場合に、どのように変化するかを示している。オープン円とソリッドドットで示されたデータ点は、二つの異なるウエハから取り出されたサンプルで得られた。矩形ドットは、ＩｎＰウエハが取り除かれないＡＲ−コートＩｎＧａＡｓＰサンプルである。
【図９】は、ファイバレーザ出力を時間の関数として示し、Ｑ−スイッチモードロッキングのｃｗモードロッキングへの進展を示している。シグナル強度はｃｗＭＬシグナルに規格化されている。
【図１０】は、ｃｗモードロックパルスを発生するために共振器内に使用されるモノリシックＲ−ＦＰＳＡデバイスの概要である。
【図１１】は、吸収層が定在波の最大値に分配されるｃｗモードロックパルス発生のための実施例である。正弦−様曲線は、吸収材内の定在波の強度分布を示している。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ・・ファイバ利得媒質、１４ａ、１４ｂ・・ポンプ光、１６ａ、１６ａ’１６ｂ、１６ｂ’・・短パルスモードロックファイバシグナル、１８ａ、１８ｂ・・ポンプシグナル注入器、２０ａ、２０ｂ・・共振器、２２ａ、２２ｂ・・偏光素子、２６ａ、２６ｂ・・波長板、３０ａ、３０ｂ・・ファラデ回転子
、３４ａ、３４ｂ・・可飽和吸収体、３５ａ、３５ｂ・・光パワー制限器、３６ａ、３６ｂ・・ＡＲコーティング、３７ａ、３７ｂ・・集積光学構造、３８ａ、３８ｂ・・第２高反射ミラー、４２ａ、４２ｂ・・ミラー、４６ａ、４６ｂ・・レンズ、４７ａ、４７ｂ・・レンズ、４８ａ、４８ｂ、４９ａ、４９ｂ・・集光レンズ、６４ａ、６４ｂ・・ビームスプリッタ、６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂ・・共振器内部パワー
【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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【図１１】
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