(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザーエネルギー発生器を備え、
前記エネルギー発生器はキャビティを備え、
前記キャビティは、該キャビティ内でエネルギーを増幅するための利得媒体、前記利得媒体を通過する光軸を規定する一対の反射体、前記利得媒体の線形の位相変動を減少させる補償器、所定のモードロック閾値以上のポンプパワーをもつポンプ光源、および、前記キャビティ内に発生したレーザーエネルギーのための出力端子
を含み、
前記出力端子が、連続発振のバックグランドのない単一超短パルスを発生する、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】
前記所定のモードロック閾値は、連続波が含まれないクリーンな単一パルスが前記キャビティ内に発生する閾値であることを特徴とする請求項１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】
前記補償器は、前記キャビティ内の偏光制御器を備えることを特徴とする請求項１、２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】
前記偏光制御器は、第一ファラデー回転子、および、第二ファラデー回転子を備え、該第一および第二ファラデー回転子は、前記キャビティ内に配置されていることを特徴とする、請求項３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】
前記補償器は、ファラデー回転子を備えることを特徴とする請求項１、２に記載の超短パルス発生用受動型モードロック・ファイバー・レーザー。
【請求項６】
更に前記キャビティ内に光学フィルタを備えることを特徴とする請求項１、２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】
前記光軸は線状であり、レーザーエネルギーのための前記出力端子は、前記一対の反射体の一つを含むことを特徴とする請求項１、２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】
レーザーのモードロックを開始するための基板上に成長させられた半導体として形成された飽和吸収体を更に備えることを特徴とする請求項１、２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】
前記出力端子は、偏光ビームスプリッタを含むことを特徴とする請求項１、２記載の受動型モードロック・ファイバー・レーザー。
【請求項１０】
前記キャビティは、さらに、
該キャビティの前記光軸に沿ってレーザーエネルギーを伝達するのに使用できるように接続された高複屈折ファイバーと、低複屈折ファイバーを含み、該高複屈折ファイバーのパルス整形作用と低複屈折ファイバーのパルス整形作用を用いることで非偏光保持カップラを該キャビティへの光の入出力を行うカップラとして使用できるようにすることを特徴とする請求項１、２記載の受動型モードロック・ファイバー・レーザー。
【請求項１１】
前記利得媒質は前記高複屈折ファイバーを含む請求項１０記載の受動型モードロック・ファイバー・レーザー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はレーザーエネルギーを発生するための装置と方法に関するものであり、特に高い安定性を供え、超短パルスを供給し得る環境変化に対して安定な受動型モードロック・レーザーに関係するものである。
【０００２】
【従来の技術】
能動型モードロック・レーザーと受動型モードロック・レーザーは両者ともレーザー技術の分野でよく知られているものである。例えば、単一モ−ド希土ドープ処理ファイバーを使用したモードロック・レーザーは小型の超短パルス源を形成し得る。特に有効なファイバーパルス源として、カータイプ（Kerr-Type ）受動型モードロック技術がある。このパルス源は、標準的で入手容易なファイバーレーザー用の部品を用いて組み立てることができ、また、希土ドープ処理ファイバーレーザーの帯域幅の限界であるギガヘルツ台の反復率を伴うパルスを供給できる。
【０００３】
ファイバーレーザー技術に基づく超短パルス源が真に実用的であるためには、環境変化に対して高い安定性を持つことが要求される。本発明において「環境変化に対して安定が高い」ということは、パルス源が、例えば温度変化といったような、環境的な影響を受けた場合でもパルス発生が途切れないことを意味し、また、圧力変化に対しても殆ど影響を受けないことを意味する。これに対して従来のファイバーレーザー技術に基づく超短パルス源は、温度変化および圧力変化の両方の影響を受けやすく、パルス発生を保持するためにオペレーターが断続的に監視および調整を行う必然がある。
【０００４】
超短パルス源のキャビティの環境安定性を改善するために、偏光を保持したエルビウムドープ処理ファイバー中におけるカータイプ・モードロックが提案された。その一例として、Fermann 博士らがオプティクス・レター誌に発表した「偏光を保持したエルビウムドープ処理ファイバーにおける非線形偏光発生（Nonlinear Polarization Evolution) を利用した受動型モードロック("Passive Mode Locking By Using Nonlinear Polarization Evolution In A Polarization-Maintaining Erbium-Doped Fiber",Fermann,M.E.et al.,OPTICS LETTERS/Vol. １８，Ｎｏ．１１，June１，１９９３，ＰＰ．８９４−８９６）」が上げられる。この論文は、偏光を保持したエルビウムドープ処理ファイバーの二つの線形偏光された基本固有モ−ドの差動励起（A Differential Excitation)を含むカータイプ・モードロックを開示している。二つの基本固有モ−ドは一定の伝播距離を経た後の非線形な位相遅れの差分を蓄積する。偏光子における固有モ−ドの干渉により非線形な位相遅れは振幅変調に変換され、一往復ごとに受動型モードロックを達成するために十分なパルス短縮が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、そのような受動型モードロックは大きな問題点を持っている。例えば、振幅変調は干渉しあう二つの固有モ−ド間での線形の位相遅れの影響も受ける。偏光が保持されたエルビウムドープ処理ファイバーの中で線形の位相遅れは温度変化や圧力変化の影響を受けるので、安定したモードロック動作を確実にするために常時調整可能な位相制御が必然となる。
【０００６】
超短パルス源キャビティの不安定に着目したもう一つの試みは、「８字型レーザー(Figure-8 Laser)」と呼ばれるカータイプ・モードロックを使用したものである。８字型レーザーは１９９３年にケンブリッジで行われたオプティカルソサエティ・オブ・アメリカの非線形導波現象についての時事会議でTaverner博士らにより発表された「８字型レーザーを用いた偏光制御（”Polarization Maintaining Figure-8 Laser"）という論文（レポート番号: ＷＣ  Ｎｏ．３）に説明されている。この論文は、カータイプ・モードロックを用いて偏光を保持するファイバーレーザーにおける振幅変調を開示している。この論文に記載されているように、偏光を保持する８字型レーザーの逆特性のために、すなわち８字型レーザーは干渉しあう二つの偏光方向に沿った線形位相遅れが常にゼロであることにより、位相制御器の使用が避けられている。
【０００７】
しかしながら、開示された８字型レーザーには問題がある。例えば、受動型位相変調は振幅に変換されるが、変換効率が非常に悪い。キャビティー内に受動型モードロックを発生させるために、非常に長い偏光保持ファイバーが必要（３００メートル以上）とされ、このために、８字型レーザーによって発生されたパルスは持続時間が比較的長い（２ピコ秒以上）。さらに、パルスが比較的小さなパルスエネルギー（１０ピコジュール未満）で発生され、８字型レーザーが安定する範囲は比較的小さな範囲に制限される。キャビティには高複屈折ファイバーが使われているためファイバー部品間の高精度な接続が要求され、そのためレーザー装置が複雑化し、また、コストも高くなる。
【０００８】
カータイプ・モードロック・ファイバーレーザーのキャビティー内において干渉しあう二つの固有モ−ド間の位相遅れ（または、このケースではファイバーの偏光固有モ−ド間の位相遅れ）が環境変化に影響されやすい点を克服することに着目した試みは、「単偏光ファイバー増幅器（"Single-Polarisation Fibre Amplifier",Electronics Letters,June４，１９９２，Vol.２８，Ｎｏ．１２）」と題され、最近公開されたDuling博士とEsnam 博士の論文に開示されている。この論文の中で、ファイバー増幅器の出力の偏光状態が環境変化の影響を受けないようにするために偏光子と共にファラデー回転ミラー２１０が使用されている。前述したように、幾つかの理由のために、この技術はカータイプ・モードロック・ファイバーレーザーの実用化に適していない。１）一往復を経た後、偏光固有モ−ド間の線形位相遅れが完全にゼロになるように補償されていないし、調整することもできない。２）一往復を経た後、ファラデー回転ミラー２１０が偏光状態を９０度回転させるが、このことはレーザー発振の開始を妨げ、偏光子における信号光の完全な損失をもたらす。３）この単純な方法では、モードロック・ファイバーレーザーとして必要な、非線形偏光発生が制御されない。
【０００９】
以上に述べたように、環境の変化に対して安定した超短パルス源として、オペレーターの入力や持続的な位相制御を必要とせず、安定性が保てることが望ましい。さらに、商業的に実用的で、例えば通信環境での使用に適した超短パルス源を提供するために、コスト効率の良い方法でこのようなパルス源を提供することが望ましい。
【００１０】
本発明は超短パルス源を環境変化に対して安定なものとすることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を達成するために本発明の受動型モードロック・レーザーは、レーザーエネルギーを発生するエネルギー発生手段と、レーザーエネルギーを注入する注入手段を備える。前記レーザーエネルギー発生手段はキャビティーを含む。前記キャビティーはキャビティー内のレーザーエネルギーを増幅するための利得媒体、利得媒体を通過する光軸に沿ってレーザーエネルギーを反射する反射手段、キャビティー内に発生したレーザーエネルギーを出力する出力手段を含んでいる。前記キャビティーは、さらに、ファイバーの偏光固有モ−ド間における線形の位相変動を補償するための少なくとも一つのファラデー回転子、および、キャビティー内のエネルギーの線形偏光を変換するための変換手段をそなえる事ができる。。また、偏光を保持しないファイバー部品はキャビティの構造を単純化するため、また、組立コストを低減するためにキャビティーの中に含めることができる。
【００１２】
【作用及び発明の効果】
本発明によれば、余分な位相制御器を用いるオペレーターの監視および調整は必要ない。１〜２メートル程度の長さを有するファイバーが使用できるため、商業的に実用的なコスト効率の良い構造で超短パルスを発生できる。能動型の複雑な変調技術を必要とせず、しかも他の既知の受動型技術に一般的に見られる不安定さもなく比較的高い反復率が達成できる。
【００１３】
【実施例】
本実施例は受動型モードロック超短パルス源に関するもので、温度変化の影響を受けず、圧力変化に対して殆ど無視できる程度にわずかな感度がある受動型モードロック超短パルス源と関するものである。さらに、本実施例は、商業的に実用的な効率の良い方法で実施することができる。
【００１４】
図１の実施例において、環境変化に対して安定した線形位相遅れがカータイプ・モードロック・ファイバーレーザーの干渉し合う二つの偏光固有モ−ドの間で得られる。図１の実施例で、受動型モードロック・レーザー１００はレーザーキャビティ２００を含む。キャビティ２００は、例えばファブリーペローキャビティ(Fabry-Perot Cavity)であり得る。受動型モードロック・レーザー１００はさらに、レーザーエネルギーを注入するポンプ手段３００を含む。
【００１５】
図１の実施例で、レーザーキャビティ２００は、キャビティ２００の中でエネルギーを増幅するための利得媒体２０２を含む。利得媒体２０２は、光の増幅作用（すなわち利得）が得られるものであればよく、あらゆる種類の希土ドープ処理ファイバーになり得る。本実施例では、利得媒体２０２としてエルビウムイオンをドープ処理したアクティブファイバーを用いている。しかしながら、当業者であればネオジムイオンでドープ処理されたファイバーのような、その他の希土ドープファイバーが使用可能であることは容易に理解できるであろう。さらに、当発明はファイバーレーザーだけに限定されず、その他のタイプのレーザーにも適用できる。例えばバルク半導体材料を利得媒体２０２として用いたバルク半導体レーザーや半導体レーザーと共に使用することが可能である。光学的または電気的ポンプが使用可能であるが、光学的ポンプは一般的にバルク半導体レーザーの使用が望ましく、電気的ポンプは半導体レーザーの使用が好ましい。
【００１６】
レーザーキャビティ２００は、さらに利得媒体２０２を通る光軸２０４に沿って配置されたエネルギー反射手段を含む。エネルギー反射手段はキャビティ２００の第一端に位置したキャビティミラー２０６を含む。キャビティミラー２０６はキャビティ２００内で信号光を反射する、キャビティミラー２０６は容易に入手可能で当業者の間で良く知られている一般的なレーザーミラーで良い。
【００１７】
また、本実施例において、キャビティミラー２０６はレーザーエネルギー出力手段としてもレーザーキャビティ２００の内部へ反射して戻し、残部を通過させて出力エネルギーにするという二つの機能を果たす。しかし、当業者であれば、キャビティミラー２０６を出力カプラ手段と反射手段に分離することが可能であることは容易に理解できるだろう。
【００１８】
図１の実施例はカータイプ・モードロックファイバーレーザーの干渉し合う二つの偏光方向を含む。これらの干渉し合う偏光方向は、高複屈折ファイバー（Highly-Birefringent Fiber)の二つの線形偏光固有モ−ドを含む。利得媒体２０２として使用されるエルビウムドープ処理ファイバーは高複屈折ファイバーとなり得る。
【００１９】
干渉し合う偏光方向は、図２を参照することによってより良く理解し得る。図２は利得媒体２０２における高複屈折エルビウムドープ処理ファイバーの断面２０３を示す。図２の座標系においては干渉し合う二つの偏光方向がｘ軸およびｙ軸で示されている。
本発明では、図１のキャビティ２００は、低複屈折ファイバー(Low-Birefringent Fiber)も含み得る。本実施例においてキャビティ２００の中で使用される低複屈折ファイバー２２０の長さは、高複屈折ファイバーの長さと比べて比較的（８倍から１０倍程度）短い。高複屈折ファイバーには非線形のパルス整形作用があるが、低複屈折ファイバーでは、そのようなパルス整形作用はごくわずかである。
【００２０】
キャビティ２００内で高複屈折パルス整形作用と低複屈折パルス整形作用の両方を用いることにより、非偏光保持カプラーはレーザーキャビティ２００への光の入出力を行うためのカプラとして使用することができる。このような特徴はレーザーのアッセンブリとパッケージを単純にし、全体のコストを顕著に低減し得る。
【００２１】
本発明のレーザーキャビティ２００はさらに利得媒体２０２の線形位相変動を補償するための補償手段を含んでいる。位相変動補償手段はキャビティ２００の中で発生した偏光した光を制御するための装置を少なくとも一つ含み、それにより利得媒体２０２の線形位相変動を補償する。例えば、ファラデー回転ミラー２１０は位相変動を補償するための既知の装置で、入射する光の偏光を９０度回転させて反射する。従って、位相変動補償手段はエルビウムドープ処理ファイバーのような利得媒体２０２の偏光固有モ−ド間の線形位相変動を補償するためのファラデー回転ミラー２１０を少なくとも一つ含む。
【００２２】
本実施例において、位相変動補償手段は、反射手段の第二キャビティミラーとして機能するファラデー回転ミラー２１０を流用することによってレーザーキャビティ２００の二つの偏光固有モ−ド間の線形位相変動をなくす。ファラデー回転ミラー２１０は偏光を４５度回転させる回転子を含み、入射光に対して反射光の偏光面を９０度回転させる。従って、反射光は、精密に偏光状態で利得媒体２０２へ戻される。
【００２３】
ファラデー回転ミラー２１０および後述するファラデー回転子２１２によりファイバーの偏光固有モ−ド間の線形位相遅れの総和は一往復の後ちょうど０（ゼロ）になる。ファラデー回転ミラー２１０により反射された後、非線形の位相変化は高複屈折ファイバーの偏光固有モ−ドに沿って補償されないまま残り、蓄積される。高複屈折ファイバーがランダムなモ−ド結合を排除すること、および、低複屈折ファイバーの長さが比較的短いことにより、非線形の位相変化は偏光固有モ−ドの相対的なパワーによって支配され、環境的な影響を受けにくい。
【００２４】
また、ファラデー回転ミラー２１０は、さらにパルス発生の開始を改善するためにレーザーキャビティ２００内の空間的なホールバーニング（Spatial Hole-Burning) を排除する。ファラデー回転ミラー２１０は、キャビティ２００の全長にわたり比較的一定の強度を有する９０度回転した第二の偏光方向を発生する。さらに、ファラデー回転ミラー２００は、キャビティ内ファィバー（すなわち、キャビティ２００内で利得媒体２０２を含むファイバー）の両端部からのスプーリアス後方反射（Spurious Back-Reflections)を抑圧し、同時に連続波レーザーの背景を排除する。例えば、ファラデー回転ミラー２１０で反射する拡散光はミラー内で回転され、偏光子２１６によって吸収される。
【００２５】
ファラデー回転ミラー２１０は、さらに、高複屈折ファイバーにおいて顕著になり得る偏光固有モ−ドの群速度の外れ（Walk-Off) を補償する。当業者であれば、偏光保持ファイバーの異なる屈折率がファイバーの他軸（すなわちｙ軸）に比べてある軸（すなわちｘ軸）に沿ってより速い光の伝播を発生させることは容易に理解し得るであろう。
【００２６】
キャビティ２００内で光が一往復する毎に、光信号のパルスは拡散し続ける。しかし、ファラデー回転ミラー２１０は、光信号が反射する毎に光信号を９０度回転させ、そのような群速度の外れを禁止する。この結果、一往復の間に拡散した光信号のパルスが次の一往復の間に互いにより近くなる。
ファラデー回転ミラー２１０は、レーザーキャビティ２００中で、偏光固有モ−ド間の群速度の外れが最大になる位置に配置することができる。このように、低複屈折ファイバーの不必要な非線形性を最小限にすることによりファラデー回転ミラー２１０の前のファイバー部品の非線形性が低減され得る。これらの特徴を与えられ、本発明に基づく環境的に安定した動作は、比較的長い低複屈折ファイバーを用いて達成され得る。
【００２７】
位相変動補償手段は、さらに、第二ファラデー回転子２１２を含み得る。本実施例においては、ファラデー回転ミラー２１０の偏光回転を補償するために第二ファラデー回転子２１２はキャビティ２００の中央に配置し得る４５度のファラデー回転子である。
位相変動補償手段は環境変化に対する安定性をもたらすが、モ−ドロックを最適化する目的で偏光の変換が非線形の偏光発生のために必要である。このアクションは、例えば線形位相遅れを発生するためのキャビティ２００内に含まれた一つまたは複数のバルク波長板２１４といった、エネルギーの線形偏光を変換するための変換手段を含むことにより行われる。また、図１のキャビティ２００は偏光子２１６を含んでいる。偏光固有モ−ド間の干渉はキャビティ２００内の偏光子２１６において発生する。偏光子２１６はどのような種類の偏光素子でもよい。
【００２８】
波長板２１４により引き起こされる偏光の変化は板２１４の傾きや回転に依存する。単一の波長板の使用は光の拡散を最小限にするが、二枚の波長板の使用は楕円偏光した光の偏平率と回転角度の個別制御を可能にする。一枚または複数枚の波長板、または、任意の偏光変成器により引き起こされる偏光の変化は、偏光子２１６の偏光軸に関して考慮される。利得媒体２０２のエルビウムドープ処理ファイバーは偏光子２１６に関するどの軸に対しても配列できる。そして偏光の変換は、その全体系により個別に決定される。すなわち、偏光変成器線形は偏光子２１６から抜け出した偏光した光を偏平率Ψを有する楕円偏光した光に変換し、この結果、楕円はファイバーのｘ軸に関し角度αだけ回転される。ここでΨの正接（Tangent)はｂ／ａであり、ｂとａは偏光楕円体の短軸と長軸である。
【００２９】
このポアンカレ球(Poincare Sphere：この分野では周知）に関して偏光変換を表現すると、（０、０）→（２Ψ、２α）となる。二つのファラデー回転素子２１０、２１２が存在することにより、非線形の反射Ｒ（Ｐ）が、この偏光変換（すなわち、Ψとαの値）により、キャビティ２００内でのキャビティ内出力Ｐの関数として完全に定義される。キャビティミラー２０６の効果的な非線形反射Ｒ（Ｐ）は以下の数式により定義される。
【００３０】
Ｒ（Ｐ）＝ｆ（α、Ψ、φni（α、Ψ、Ｐ））・・・・・（１）
ここにおいて、ｆ（α、Ψ、φni（α、Ψ、Ｐ））は、α、Ψ、φni（α、Ψ、Ｐ）の関数であり、φni（α、Ψ、Ｐ）は、キャビティ内出力Ｐの関数として、高複屈折ファイバーの偏光固有モ−ド間で蓄積された非線形の位相遅れの微分値である。非線形反射Ｒ（Ｐ）の範囲は０と１の間である。
【００３１】
キャビティ内出力Ｐの増加に伴って非線形反射Ｒ（Ｐ）が増加するとき、受動型モードロックが得られる。
図１の受動型モードロック・レーザーはさらにレーザーポンプ手段３００を含む。ポンプ手段３００は、一般的にポンプ３０２として示されるエネルギー源（電子的または光学的エネルギー源など）を含む。図１の実施例においては、エルビウムファイバーが利得媒体２０２として使用されており、ポンプ３０２は光学的なポンプであり得る。
【００３２】
波長分割多重カプラ３０４によりポンプ手段３００がキャビティ２００に連結される。波長分割多重カプラ３０４は、信号光を損失することなくキャビティ２００にエネルギーが注入できるものであれば、すなわちポンプ３０２と信号光の差動結合ができるものであれば、どのようなものでもよい。本実施例においては、ポンプ３０２は９８０ナノメートルの波長幅でエネルギーを作り出すことができ、波長分割多重カプラ３０４は９８０ナノメートルポンプと１５５０ナノメートル信号に適応するアスター社製波長分割多重カプラ１５５０／９８０（Aster WDM 1550/980) になり得る。
【００３３】
本実施例では、第一ファラデー回転ミラー２１０と波長分割多重カプラ３０４は低複屈折ファイバーを含む。しかしながら、当業者であれば、このような構成が一例にすぎないことを容易に理解し得るであろう。本実施例の重要な特徴の一つは、キャビティ２００内の高複屈折ファイバーの長さが低複屈折ファイバーの部分と比較して比較的長いということである。
【００３４】
図１に示した本実施例では、高複屈折ファイバー部分は、高複屈折ファイバーの偏光固有モ−ドの出力量が完全に一定になるように、利得媒体２０２のキャビティ内ファイバーの一端（すなわち、第一レンズ２２８に隣接した部分）、または、端部にできるだけ近い部分で始まる。実施例において、波長分割多重カプラ３０４と高複屈折ファイバー２１８は融合スプライス（Fusion Splices) を用いることにより、相互に接続し得る。
【００３５】
さらに、図１に示した実施例は光軸２０４に沿って発生するエネルギーを集束するエネルギー集束手段を含む。図１のエネルギー集束手段は、少なくとも、利得媒体２０２から入射したエネルギーを第一キャビティミラー２０６へ収束し、エネルギーを第一キャビティミラー２０６から利得媒体２０２へ導くための第一レンズ２２８を含む。第一レンズ２２８は利得媒体２０２から入射する光を収束し得るものであれば、どのような光学素子でも良い。本実施例においては、第一キャビティミラー２０６上における出力密度が最大になるように、第一レンズ２２８の焦点が第一キャビティミラー２０６上に位置する必要がある。同様に、第一レンズ２２８の焦点は、利得媒体２０２上における出力密度が最大になるように、利得媒体２０２上に位置する必要がある。
【００３６】
本実施例のキャビティ２００では、２．６メートルの高複屈折ファイバーが０．６メートルの標準通信用（Standard Communications-Type) 低複屈折ファイバーと共に使用された。この高複屈折ファイバーは、１．５６７ミクロン（μｍ）のレーザー波長で１０センチメートル偏光うなり長（Polarization Beat length) があった。この高複屈折ファイバーは２８ミクロンの有効なコアエリア（Core Area)を有し、開口数（Numencal Aperture)は０．１９だった。高複屈折ファイバーは、およそ５×１０18エルビウムイオン／ｃｍ3 でドープ処理された。
【００３７】
図１の実施例のレーザーシステムの構造は単なる一例であり、当業者であれば、本発明の下で種々の別の実施例を容易に考えられるであろう。例えば、図１の全体構造は裏返すことができ、ファラデー回転ミラー２１０がキャビティ２００の左側に、そしてキャビティミラー２０６がキャビティ２００の右側に位置するように置き換えることができる。
【００３８】
本発明では、ファラデー回転ミラー２１０とファラデー回転子２１２の正確な位置は、当業者であれば極めて容易に決められる。しかしながら、本実施例では、ファラデー回転ミラー２１０とファラデー回転子２１２は全てのファイバー（すなわち高複屈折及び低複屈折ファイバー）が位置するキャビティ２００のキャビティ内部分を定義する。
【００３９】
さらに当業者であれば、別の実施例として、非偏光保持低複屈折ファイバー２２０がレンズ２２８と利得媒体２０２の間に配置し得ることは容易に考えられるであろう。そのような実施例では、エルビウムドープ処理高複屈折ファイバーは波長分割多重カプラ３０４、および／または、ファラデー回転ミラー２１０内に含め得る。さらにまた、当業者であれば、キャビティ２００の内部における低複屈折ファイバーと高複屈折ファイバーの相対的な長さにより様々な実施例が考えられると言うことを理解し得るであろう。同様に、群速度の散乱量が相違するファイバーの断面は発振パルスのエネルギーを最大にするために連鎖し得る。
【００４０】
本実施例によれば、８０％反射キャビティミラー２０６、およびＡＲコート処理された（Anti-Reflection Coated) プリズム偏光子２１６が使用し得る。また、４ミリメートルの開口を有するＡＲコート処理された４５度ファラデー回転子２１２、およびＡＲコート処理されたクオーツ・ゼロ次波長板（Quartz Zero-Order Waveplate)２１４が使用し得る。波長板２１４は光学的に接触した３ミリメートルの厚さを有する。高複屈折ファイバー２１８に接触したキャビティ内にファイバーの一端は１０度の角度で切断されており、ＡＲコート処理される必要はない。モ−ドロック処理のために、また、光軸２０４に沿った並進運動のために、移動可能なキャビティミラー２０６が本実施例中で用いられている。
【００４１】
図１の実施例では、３６０フェムト秒程度、または、それ以下のパルスが約６０ピコジュール程度の含有エネルギーを伴って発生できる。例えば、±７％のポンプの出力変動は、例えば持続波レーザー光（すなわち、完全にモ−ドロックされていないレーザー出力）の発生時や多重パルスの開始時のような不安定さを発生させることはない。
【００４２】
安定したモ−ドロックは、（波長板２１４の光軸に沿った）位相δ（Single-Pass Phase Along The Axis Of The Waveplate ）がおよそ１３０度、αがおよそ１０度の模範値において得られる。一度、波長板２１４と偏光子２１６が設定されれば追加調整は必要なく、永久に固定し得る。本実施例では、レーザーは低複屈折ファイバーの摂動に敏感でなく、波長に比べて摂動周期が長いとき、高複屈折ファイバーの摂動を許容する。強い摂動が与えられ（例えばファイバーに強いねじりを与える時）、モ−ドロックが失われた時でさえ、一度解放されるとファイバーは元の位置とモ−ドロック特性にもどる。さらに、本実施例は、キャビティ２００内の残留反射に対して敏感ではない。
【００４３】
さらに、連続波が含まれないクリーンな単パルスがキャビティ２００内に発生するモ−ドロックの閾値は、例えば、７０ミリワット（波長分割多重カプラ３０４の前で計測）のポンプ出力レベルよりも５０％高くし得る。別の実施例においては、モ−ドロックの閾値は、ＡＲコート処理されたキャビティ内のファイバーの一端を含むことによって低減し得る。
【００４４】
図３Ａと図３Ｂは、安定範囲の末端におけるパルススペクトルを示している。ポンプ出力が増加するにつれ、また、キャビティ長あたりのソリトン周期が増加し、対応する分散性波（A Dispersive Wave ）へのエネルギー放射が増加するに連れて、パルスが短くなり、スペクトル幅が拡がる（スペクトル共鳴の高さの増加により示される通り）。
【００４５】
図４にパルスの典型的な自己相関軌跡（Autocorrelation Trace)を示す。発生したパルスは指数関数的に減少するパルス波形の（すなわち、sech2 ）およそ０．３０の時間帯域値の積（A Time-Bandwidth Product) を有する３６０フェムト秒のＦＷＨＭ幅（Full Width at Half-Maximum Width）で、低レベルのバックグランド・ノイズ(Background Noise)の影響を受けにくい。パルスの反復率が２７メガヘルツの際、出力カプラの後ろで計測した平均パルスエネルギーは１０ピコジュールであった。偏光子により拒絶された光を用いた際、６０ピコジュール以上のパルスエネルギーは拡散可能であることに注意してほしい。これらの値は５５ピコジュールの平均キャビティ内パルスエネルギーに変換され、標準的な非偏光保持カータイプ・モードロック・ファイバーレーザーと比較し得る一往復あたり約１．１πの非線形位相遅れを生じる。
【００４６】
当業者であれば、本発明の代替実施例を思いつくことは容易であろう。すでに説明した代替実施例に加えて、様々な基礎レーザーキャビティが使用し得ることは言うまでもない。例えば、本実施例では偏光子、波長板、ファラデー回転子、キャビティミラー、レンズ、および、バルク素子（Bulk Components)が使用されているが、同様な作用を得るために、これらに代えてねじ曲げ素子（Pigtailed Components) を使用し得る。
【００４７】
また、レーザーエネルギーを出力するために別のキャビティ設計を行い得る。図５に示した第二実施例において、キャビティ２００は、容易に入手可能な、ねじ曲げ全ファイバー偏光子（Pigtailed All-Fiber Polarizer ）、又はねじ曲げ偏光ビームスプリッタ（Pigtailed Polarization Beam Splitter）５０２を含み、さらに、容易に入手可能な二つのファイバー・コリメーター５０４を含む。出力カップリングが全ファイバー偏光子または偏光ビームスプリッタ５０２で得られ、付加的なファイバーアイソレータ（Fiber lsolators ）５０６がファイバー出力からの望ましくない逆反射を抑制するために使用し得る。
【００４８】
図６に示した第三実施例において、キャビティ２００は、偏光子における出力カプラの代わりに、ファラデー回転ミラー２１０における出力カプラ、または、ファイバーアイソレータ６０２を通る付加的なファイバー出力カプラ６０３を含む。    図７に示した第四実施例において、キャビティ２００は、モ−ドロック・プロセスを開始するための半導体飽和吸収体７０２又はファイバー伸張器７０４を含む。この特徴により、モ−ドロック・プロセスを開始するために必要なキャビティミラー２０６の位置調節を省略し得る。
【００４９】
飽和吸収体７０２は、キャビティ２００によって発生するレーザー波長の周辺にバンド端を有するものであれば、基板上に形成されたあらゆる種類の半導体飽和吸収体になり得る。しかし、後述の説明では、ＡｌｌｎＡｓバリヤとＧａＩｎＡｓウエルに基づく多重量子ウェル（Multiple Quantum Well ）飽和吸収体を例に上げて説明する。低レベルのバックグランド・ノイズの影響を受けることなく確実に良質なパルスを発生させるため、飽和吸収体７０２の飽和エネルギーはファイバーレーザーのソリトンエネルギーに適合させることができ、キャビティ２００の全長はソリトン周期に適合させ得る。
【００５０】
本発明の別の実施例では、飽和吸収体７０２は主要なモ−ドロック素子として使用し得る。この場合、高複屈折ファイバーを用いる必要はなく、キャビティ２００は全て非偏光保持ファイバーで形成し得る。この場合、ファラデー素子２１０と２１２はキャビティ２００内の偏光状態を安定させる目的でのみ使用される。
【００５１】
前述の実施例が本発明の顕著な特徴を示すことに対し、当業者であれば本発明の代替実施例が容易に考えられることは明らかであろう。例えば、図１の実施例で説明されているレンズ２２８は、約１０マイクロメートル以下のビーム径を有する一点レーザーエネルギーを集中させることができる。しかし、好ましい精度は設計者によって選ばれる。さらに、図１に示した実施例ではレンズ２２８が、様々な部品の内部接続のために使われているが、当業者であればファイバーへの直接結合を行うことによりレンズ２２８が除去し得ることは明らかだろう。逆に、もし必要であれば複数のレンズを用いて結合することも可能である。さらに、図７の実施例において、単一の飽和吸収体７０２が示されているが、もし必要であれば一つ以上の飽和吸収体を使用し得る。
【００５２】
本実施例では、ポンプ３０２の出力は４００ミリワット程度であるが、もちろんそれ以上にもし得る。しかし一般にポンプ３０２の出力は１ワット以下である場合が多い。例えば、ポンプ３０２は１．５５マイクロメートルの信号波長が発生する９８０ナノメートルチタニウムーサファイヤ・レーザー源になりうる。波長分割多重カプラ３０４の入出力リード（または入出力ポート）には１から４までの数字が記載されたラベルが貼られており、リード１はポンプ３０２に接続され、リード３は利得媒体２０２を通って出力カプラへ導かれる。また、出力リード２は疑似反射を減らすために一定角度で剪断されており、リード４はファラデー回転ミラー２１０に接続されている。
【００５３】
例えば、波長分割多重カプラ３０４としては、二つの入力リードと二つの出力リードを持つ。アスター社製波長分割多重カプラが使用できる。レーザー光はポンプ３０２に接続された入力リード１から入射し、利得媒体２０２を通って出力カプラへ導かれる。利得媒体（エルビウムファイバー等）２０２からファラデー回転ミラー２１０へ入射した光は、ファラデー回転ミラー２１０で反射され、波長分割多重カプラ３０４を通過して波長分割多重カプラ３０４の入力リード３へ出力される。もちろん、波長分割多重カプラ３０４の接続は本実施例だけに限定されず、様々な接続が考えられる。その一例として、図６の実施例では波長分割多重カプラ３０４のリード４が出力カプラに接続されている。
【００５４】
図１に示したレーザー１００は、連続モ−ド、あるいは、パルス発振モ−ドで動作可能である。典型的なファイバーレーザーは、１ワット以下のパワー入力に対して１〜５０ミリワット程度の出力パワーを発生する。
キャビティ２００は付加的な要素として例えばエタロン（Etalons ）や複屈折調整板（Birefringent Tuning Plates）のような帯域幅を限定する要素を含むことができ、これらの要素はレーザー出力の波長調整のために利用できる。また、ファイバーの偏光固有モ−ドの間の群速度が外れる場合、または、ファイバーの偏光固有モ−ド間にソリトントラップ（Soliton Trapping）が発生する場合、キャビティ２００はソリトン整形プロセス（Soliton Shaping ）または非ソリトン整形プロセス（No Soliton Shaping）を含み得る。これらのプロセスは同時に、または、あらゆる組み合わせにおいて有効で、パルス形成を安定させ得る。
【００５５】
以上、環境の変化に対して安定な干渉しあう偏光固有モ−ド間における位相遅れを有するカータイプ・モードロック・ファイバーレーザーの使用に関係する本発明の好ましい実施例を説明した。本発明は断続的な位相調整を行うための「調整ダイアル」なしで動作し得るので、本発明のキャビティ２００は実用的で、商業的価値に優れたものである。従って本発明のレーザーは、何の問題もなく完全に密封されたケースの中に納めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第一実施例に関し、カータイプ・受動型モードロックを使用したエルビウムドープ処理ファイバーレーザーを示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第一実施例に関し、キャビティの中の偏光発生を説明するための座標系を示すブロック図である。
【図３】図３Ａは、レーザーの安定域の両端で得られるパルススペクトル示すグラフであり、図３Ｂは、レーザーの安定域の両端で得られるパルススペクトル示すグラフである。
【図４】図４は、発生したパルスの自己相関を示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の第二実施例に関する受動型モードロック・レーザーを示すブロック図である。
【図６】図６は、本発明の第三実施例に関し、出力カップリングのため、あるいは、ファラデー回転ミラーでの出力カップリングのためにファイバーカプラを追加した例を示すブロック図である。
【図７】図７は、本発明の第四実施例に関し、モードロックを開始させるために飽和吸収体、あるいは、ファイバー伸張器を示すブロック図である。
【符号の説明】
１００：受動型モードロック・レーザー  ２００：レーザーキャビティ
３００：ポンプ手段                    ２０２：利得媒体
２０４：光軸                          ２０６：キャビティミラー
２１０：ファラデー回転ミラー          ２１２：ファラデー回転子
２１４：バルク波長板                  ２１６：偏光子
２１８：高複屈折ファイバー            ２２０：低複屈折ファイバー
２２８：第一レンズ
【図１】
0003803979.tif 000002
【図２】
0003803979.tif 000003
【図３】
0003803979.tif 000004
【図４】
0003803979.tif 000005
【図５】
0003803979.tif 000006
【図６】
0003803979.tif 000007
【図７】
0003803979.tif 000008