JP3296562B2 - ファイバ回折格子安定化ダイオードレーザ - Google Patents
ファイバ回折格子安定化ダイオードレーザInfo
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- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の属する技術分野 本願発明は、例えば、固体ファイバ増幅器またはファ
イバレーザなどのレーザを光学的に励起するのに適した
安定した光度と波長とを有する狭帯域幅で強力な光を放
出する安定化レーザ源に関する。
イバレーザなどのレーザを光学的に励起するのに適した
安定した光度と波長とを有する狭帯域幅で強力な光を放
出する安定化レーザ源に関する。
発明の背景 光ファイバ増幅器やレーザが急速に光通信システムの
重要な構成要素になってきている。光ファイバ増幅器は
ファイバ・オプティック通信経路に沿って減衰した光信
号を強めるのに用いられる。ファイバ・オプティック通
信システムにおいてはこれらが取り扱いの容易でない電
気中継器に取って代わり、本当の全ファイバの光通信シ
ステムの実現が可能になっている。同様に、ファイバ・
オプティック通信システム用の光キャリア生成のために
光ファイバのレーザが提案されている。これらのレーザ
は外部的に変調可能であったりモード固定可能であった
りするが、場合によってはファイバ・オプティック通信
システムの強力な光源としてダイオードレーザの代わり
に用いられることもある。
重要な構成要素になってきている。光ファイバ増幅器は
ファイバ・オプティック通信経路に沿って減衰した光信
号を強めるのに用いられる。ファイバ・オプティック通
信システムにおいてはこれらが取り扱いの容易でない電
気中継器に取って代わり、本当の全ファイバの光通信シ
ステムの実現が可能になっている。同様に、ファイバ・
オプティック通信システム用の光キャリア生成のために
光ファイバのレーザが提案されている。これらのレーザ
は外部的に変調可能であったりモード固定可能であった
りするが、場合によってはファイバ・オプティック通信
システムの強力な光源としてダイオードレーザの代わり
に用いられることもある。
ファイバ増幅器及びレーザはいずれも似たような原理
に基づいて動作する。光ファイバの導波部分の石英ガラ
スには、例えば、エルビウムなど希土類元素のイオンが
ドープされている。エルビウムイオンの励起状態の分布
は誘導放出率が自然放出と吸収を超えた場合、エルビウ
ムイオンのエネルギー構造ではおよそ1530〜1565nmの波
長を有する信号の光がファイバ内で増幅されるといった
具合である。そうした状況において、光ファイバに入射
する利得帯域幅内の光は純利得を得て、増大したパワー
をもってファイバから出射することになる。例えば、フ
ァイバの両端に適当な反射器を設置することによってフ
ァイバでこの増幅された信号を再循環させるような機構
になっていれば、純利得が光学帯域幅内の光の損失と等
しい場合にファイバでレーザ作用が発生する。いずれに
おいても、エルビウムイオンを励起して利得が発生する
のに適した励起状態にもっていくことが極めて重要であ
る。これは波長が980nm近傍の光でエルビウムイオンを
励起（ポンピング）することによって達成できるが、こ
の光は光ファイバの導波部分に結合された強力ダイオー
ドレーザから供給されるのが最も都合がよい。この部分
の断面積が比較的小さければ確実に高光度にすることが
でき、そのため信号波長のかなりの利得を見込める。し
かしながら、当業者は、そうした増幅器やレーザによっ
て生成される信号の特性は、ファイバ自体を励起するの
に用いられるダイオードレーザの性質によって大きく左
右されることを認識するであろう。
に基づいて動作する。光ファイバの導波部分の石英ガラ
スには、例えば、エルビウムなど希土類元素のイオンが
ドープされている。エルビウムイオンの励起状態の分布
は誘導放出率が自然放出と吸収を超えた場合、エルビウ
ムイオンのエネルギー構造ではおよそ1530〜1565nmの波
長を有する信号の光がファイバ内で増幅されるといった
具合である。そうした状況において、光ファイバに入射
する利得帯域幅内の光は純利得を得て、増大したパワー
をもってファイバから出射することになる。例えば、フ
ァイバの両端に適当な反射器を設置することによってフ
ァイバでこの増幅された信号を再循環させるような機構
になっていれば、純利得が光学帯域幅内の光の損失と等
しい場合にファイバでレーザ作用が発生する。いずれに
おいても、エルビウムイオンを励起して利得が発生する
のに適した励起状態にもっていくことが極めて重要であ
る。これは波長が980nm近傍の光でエルビウムイオンを
励起（ポンピング）することによって達成できるが、こ
の光は光ファイバの導波部分に結合された強力ダイオー
ドレーザから供給されるのが最も都合がよい。この部分
の断面積が比較的小さければ確実に高光度にすることが
でき、そのため信号波長のかなりの利得を見込める。し
かしながら、当業者は、そうした増幅器やレーザによっ
て生成される信号の特性は、ファイバ自体を励起するの
に用いられるダイオードレーザの性質によって大きく左
右されることを認識するであろう。
実際のシステムにおいては、ダイオードレーザは光学
機械装置を用いて恒久的且つ強固にドープ処理されてい
ない光ファイバに接続され、続いて光増幅器またはレー
ザのドープ処理されたファイバに接続される。ダイオー
ドレーザ、光学機械装置及び光ファイバで構成される組
立品をピグテール式ダイオードレーザと呼んでいる。現
在、ピグテール式ダイオードレーザの多くは、ポンプ型
システムでノイズを発生する波長や光度の不安定といっ
た望ましくない特性を有している。波長980nmのダイオ
ードレーザにおける最も厄介なダイオードレーザのノイ
ズ源は、ダイオードレーザへの好ましくない可変性の光
学的帰還や温度または投入電流の変化によって発生する
モード変動ノイズ及び波長の揺らぎである。このノイズ
は、光通信増幅信号のエラーを増大させ装置の実用性を
落とすから、ファイバ増幅器においては特に好ましくな
い。
機械装置を用いて恒久的且つ強固にドープ処理されてい
ない光ファイバに接続され、続いて光増幅器またはレー
ザのドープ処理されたファイバに接続される。ダイオー
ドレーザ、光学機械装置及び光ファイバで構成される組
立品をピグテール式ダイオードレーザと呼んでいる。現
在、ピグテール式ダイオードレーザの多くは、ポンプ型
システムでノイズを発生する波長や光度の不安定といっ
た望ましくない特性を有している。波長980nmのダイオ
ードレーザにおける最も厄介なダイオードレーザのノイ
ズ源は、ダイオードレーザへの好ましくない可変性の光
学的帰還や温度または投入電流の変化によって発生する
モード変動ノイズ及び波長の揺らぎである。このノイズ
は、光通信増幅信号のエラーを増大させ装置の実用性を
落とすから、ファイバ増幅器においては特に好ましくな
い。
そうしたダイオードレーザのノイズの影響を少なくす
る技術はいろいろある。例えば、ダイオードレーザ特性
の揺れによって起きるファイバ増幅器の出力の変動を検
出して正しい位相で信号をダイオードレーザに帰還し、
レーザの揺れを減らす能動的な電気システムである。あ
いにく、この技術は増幅器のコストを上げると共にさら
にそれを複雑なものにしてしまう。ダイオードレーザの
揺れを減らす受動的な方法を用いるのが好ましい。一つ
の魅力的な解決法はポンプダイオードレーザにそれ自身
の光の一部を帰還させることである。これらのレーザは
光学的帰還に対して非常に反応しやすく、そうした帰還
を正しく制御すればレーザ動作を向上させることができ
る。帰還は通常の場合、鏡や回折格子など外部反射器に
よってなされ、光を操作・誘導してダイオードレーザ共
振器から出したりそこに戻したりするにはレンズなどの
外部光学素子が必要である。外部光学素子や外部反射器
はかなりコンパクトなものが多いが、そうしたシステム
を調整するのは困難であると同時に費用もかかり、また
機械的温度的安定性についてもファイバ増幅器やレーザ
に用いるには適当でないことが多い。ダイオードレーザ
の特性を制御するもっと堅固な技術が必要である。
る技術はいろいろある。例えば、ダイオードレーザ特性
の揺れによって起きるファイバ増幅器の出力の変動を検
出して正しい位相で信号をダイオードレーザに帰還し、
レーザの揺れを減らす能動的な電気システムである。あ
いにく、この技術は増幅器のコストを上げると共にさら
にそれを複雑なものにしてしまう。ダイオードレーザの
揺れを減らす受動的な方法を用いるのが好ましい。一つ
の魅力的な解決法はポンプダイオードレーザにそれ自身
の光の一部を帰還させることである。これらのレーザは
光学的帰還に対して非常に反応しやすく、そうした帰還
を正しく制御すればレーザ動作を向上させることができ
る。帰還は通常の場合、鏡や回折格子など外部反射器に
よってなされ、光を操作・誘導してダイオードレーザ共
振器から出したりそこに戻したりするにはレンズなどの
外部光学素子が必要である。外部光学素子や外部反射器
はかなりコンパクトなものが多いが、そうしたシステム
を調整するのは困難であると同時に費用もかかり、また
機械的温度的安定性についてもファイバ増幅器やレーザ
に用いるには適当でないことが多い。ダイオードレーザ
の特性を制御するもっと堅固な技術が必要である。
発明の概要 本願発明は、ピグテール式ダイオードレーザにブラッ
グ式ファイバ回折格子を用いてダイオードレーザ共振器
への光学的帰還を行ない、そうすることによってダイオ
ードレーザの周波数をファイバ回折格子の周波数に固定
することによりレーザのモード変動による縦方向のノイ
ズを減らすものである。ブラッグ式ファイバ回折格子
は、ファイバに沿って伝播する或る特定の波長の光を反
射する光ファイバの誘導モード部内か又はその近傍にお
ける屈折率変化の周期的構造である。反射光はファイバ
内を入射光の方向とは反対の方向に伝播する。ダイオー
ドレーザはブラッグ式ファイバ回折格子を備えるファイ
バにピグテールで接続され、しかも回折格子の帯域幅の
中心がレーザの利得帯域幅以内であれば、ダイオードレ
ーザの光のスペクトルに影響する。その影響の程は、回
折格子の反射性の大きさや帯域幅、レーザに対する回折
格子の中心波長、レーザと回折格子との間の間隔、ダイ
オードレーザへの投入電流の大きさなどのパラメータに
よって左右される。多くの場合、レーザの特性は、所定
の応用装置によって改善させることができる。
グ式ファイバ回折格子を用いてダイオードレーザ共振器
への光学的帰還を行ない、そうすることによってダイオ
ードレーザの周波数をファイバ回折格子の周波数に固定
することによりレーザのモード変動による縦方向のノイ
ズを減らすものである。ブラッグ式ファイバ回折格子
は、ファイバに沿って伝播する或る特定の波長の光を反
射する光ファイバの誘導モード部内か又はその近傍にお
ける屈折率変化の周期的構造である。反射光はファイバ
内を入射光の方向とは反対の方向に伝播する。ダイオー
ドレーザはブラッグ式ファイバ回折格子を備えるファイ
バにピグテールで接続され、しかも回折格子の帯域幅の
中心がレーザの利得帯域幅以内であれば、ダイオードレ
ーザの光のスペクトルに影響する。その影響の程は、回
折格子の反射性の大きさや帯域幅、レーザに対する回折
格子の中心波長、レーザと回折格子との間の間隔、ダイ
オードレーザへの投入電流の大きさなどのパラメータに
よって左右される。多くの場合、レーザの特性は、所定
の応用装置によって改善させることができる。
本願発明による装置は、ダイオードレーザ、光ファイ
バにレーザ光放出の焦点を合わせる手段、及び光ファイ
バの導波部内かまたはその近傍に形成される回折格子と
で構成される。
バにレーザ光放出の焦点を合わせる手段、及び光ファイ
バの導波部内かまたはその近傍に形成される回折格子と
で構成される。
これらの態様の一つにおいて、本願発明は、非常に狭
い帯域幅で複数の縦モードを有する安定したレーザ源を
生成する装置からなり、その装置は実質的に単一の空間
モードで光を放出するダイオードレーザからなる。光フ
ァイバを設置し、そのファイバの一部分においてダイオ
ードレーザの少なくとも一つのモードで誘導が可能であ
る。ダイオードレーザから放出された光を光ファイバへ
と方向指示する手段を備える。ブラッグ式ファイバ回折
格子は光ファイバの誘導モード部分の領域に形成されて
いる。
い帯域幅で複数の縦モードを有する安定したレーザ源を
生成する装置からなり、その装置は実質的に単一の空間
モードで光を放出するダイオードレーザからなる。光フ
ァイバを設置し、そのファイバの一部分においてダイオ
ードレーザの少なくとも一つのモードで誘導が可能であ
る。ダイオードレーザから放出された光を光ファイバへ
と方向指示する手段を備える。ブラッグ式ファイバ回折
格子は光ファイバの誘導モード部分の領域に形成されて
いる。
図面の簡単な説明 第１図は、先行技術でのファイバ増幅器に接続された
ピグテール式ダイオードレーザの概略図である。第２図
は、本願発明のピグテール式ダイオードレーザの概略図
である。第３図は、先行技術のピグテール式ダイオード
レーザと本願発明のピグテール式ダイオードレーザとの
出力スペクトルの比較を表すグラフである。
ピグテール式ダイオードレーザの概略図である。第２図
は、本願発明のピグテール式ダイオードレーザの概略図
である。第３図は、先行技術のピグテール式ダイオード
レーザと本願発明のピグテール式ダイオードレーザとの
出力スペクトルの比較を表すグラフである。
発明を実施する為の最良の形態 第１図は、先行技術によるピグテール式ダイオードレ
ーザを含むファイバ増幅器10を表す。光ファイバ14は、
増幅効果を得るためにエルビウム（数字16で示す）でド
ープ処理され、そしてドープ処理されていないファイバ
13に連結されている。増幅効果はエルビウム原子をおよ
そ980nmの光で励起することによって得られる。これ
は、オプトエレクトロニクス・カプラ18を用いて980nm
の光源を透過ファイバ15からの透過光（1550nm）を結合
することによって達成される。
ーザを含むファイバ増幅器10を表す。光ファイバ14は、
増幅効果を得るためにエルビウム（数字16で示す）でド
ープ処理され、そしてドープ処理されていないファイバ
13に連結されている。増幅効果はエルビウム原子をおよ
そ980nmの光で励起することによって得られる。これ
は、オプトエレクトロニクス・カプラ18を用いて980nm
の光源を透過ファイバ15からの透過光（1550nm）を結合
することによって達成される。
980nmの光源は先行技術においてはレンズ23によって
ドープ処理されていないファイバ24に結合されたレーザ
ダイオード22で構成されるピグテール式レーザダイオー
ド20によって提供される。先行技術におけるピグテール
式レーザダイオードの限界については先に説明した。
ドープ処理されていないファイバ24に結合されたレーザ
ダイオード22で構成されるピグテール式レーザダイオー
ド20によって提供される。先行技術におけるピグテール
式レーザダイオードの限界については先に説明した。
第２図は、本願発明によるピグテール式ダイオードレ
ーザの概略図である。
ーザの概略図である。
第３図は、先行技術のピグテール式ダイオードレーザ
と本願発明のピグテール式ダイオードレーザとの出力の
スペクトルを比較するグラフである。
と本願発明のピグテール式ダイオードレーザとの出力の
スペクトルを比較するグラフである。
第１図は、先行技術によるピグテール式ダイオードレ
ーザを含むファイバ増幅器10を表す。光ファイバ14は、
増幅効果を出すためにエルビウム（数字16で示す）でド
ープ処理され、そしてドープ処理されていないファイバ
13に連結されている。増幅効果はエルビウム原子をおよ
そ980nmの光で励起することによって得られる。これ
は、オプトエレクトロニクス・カプラ18を用いて980nm
の光源を透過ファイバ15からの透過光（1550nm）に結合
することによって達成される。
ーザを含むファイバ増幅器10を表す。光ファイバ14は、
増幅効果を出すためにエルビウム（数字16で示す）でド
ープ処理され、そしてドープ処理されていないファイバ
13に連結されている。増幅効果はエルビウム原子をおよ
そ980nmの光で励起することによって得られる。これ
は、オプトエレクトロニクス・カプラ18を用いて980nm
の光源を透過ファイバ15からの透過光（1550nm）に結合
することによって達成される。
980nmの光源は先行技術においてはレンズ23によって
ドープ処理されていないファイバ24に結合されたレーザ
ダイオード22で構成されるピグテール式レーザダイオー
ド20によって提供される。先行技術におけるピグテール
式レーザダイオードの限界については先に説明した。
ドープ処理されていないファイバ24に結合されたレーザ
ダイオード22で構成されるピグテール式レーザダイオー
ド20によって提供される。先行技術におけるピグテール
式レーザダイオードの限界については先に説明した。
第２図は、本願発明の好適な実施例によるピグテール
式レーザダイオードを示したものである。ダイオードレ
ーザ26は単一空間モードで放射し、典型的にはInGaAs半
導体材から量子ウェルエピタキシャル型構造もしくは指
数ガイド型構造によって製造される。ダイオードレーザ
は電流の投入によって励起するのが最も都合がよい。必
要な特性を有するダイオードレーザが市販されている。
式レーザダイオードを示したものである。ダイオードレ
ーザ26は単一空間モードで放射し、典型的にはInGaAs半
導体材から量子ウェルエピタキシャル型構造もしくは指
数ガイド型構造によって製造される。ダイオードレーザ
は電流の投入によって励起するのが最も都合がよい。必
要な特性を有するダイオードレーザが市販されている。
ダイオードレーザ26は前面27から主として放射する構
成になっている。拡散されたレーザ発散光28は焦点調整
システム30によって光ファイバ32の誘導モード部分に向
けられるが、この光ファイバ32は心線内にブラック式フ
ァイバ回折格子を有する。好適な実施例の焦点調整シス
テムでは、レーザダイオード出力をファイバ32に焦点を
合わせるために数字36で表示したレンズ・システムから
なっている。代替として、放射された光の実質的な一部
分をファイバで集めるようにダイオードレーザの近傍に
ファイバを設置することもできる。
成になっている。拡散されたレーザ発散光28は焦点調整
システム30によって光ファイバ32の誘導モード部分に向
けられるが、この光ファイバ32は心線内にブラック式フ
ァイバ回折格子を有する。好適な実施例の焦点調整シス
テムでは、レーザダイオード出力をファイバ32に焦点を
合わせるために数字36で表示したレンズ・システムから
なっている。代替として、放射された光の実質的な一部
分をファイバで集めるようにダイオードレーザの近傍に
ファイバを設置することもできる。
光ファイバ32は典型的にはファイバの光導特性の向上
を図るため極微量の添加物を含有する石英ガラスから作
られている。ファイバ回折格子34はダイオードレーザに
対して光学的帰還を行なう。このファイバ回折格子34は
リソグラフィ技術を用いてファイバ34の誘導モード部分
近傍をエッチングするか、もっと一般的には、高フルエ
ンスの紫外線の周期的光度変動パターンにファイバを露
光して作成できる。後者の技術を用いて回折格子を製造
する場合、心線が回折格子を形成する紫外線に反応しや
すくなるようにファイバの心線はゲルマニウム濃度を有
しているのがよい。ファイバ34はダイオードレーザの発
光波長で単一または複数の空間モードを保持するもので
もよい。ファイバ回折格子34は最大反射率がダイオード
レーザの発光波長の10nm以内になるように選択される
が、その反射率はダイオードレーザの出射面の反射率と
類似している。回折格子の反射率の帯域幅は典型的には
0.05nmから1nmである。レーザへの光学的帰還の量が或
る特定の大きさ以上である場合、回折格子34とレーザダ
イオード26とが数百ミクロメートルから数キロメートル
離して配置されていればシステムはうまく機能する。そ
のような構成を用いると、ダイオードレーザは固体増幅
器やレーザを励起するのに適した向上した改善特性を有
するようになる。
を図るため極微量の添加物を含有する石英ガラスから作
られている。ファイバ回折格子34はダイオードレーザに
対して光学的帰還を行なう。このファイバ回折格子34は
リソグラフィ技術を用いてファイバ34の誘導モード部分
近傍をエッチングするか、もっと一般的には、高フルエ
ンスの紫外線の周期的光度変動パターンにファイバを露
光して作成できる。後者の技術を用いて回折格子を製造
する場合、心線が回折格子を形成する紫外線に反応しや
すくなるようにファイバの心線はゲルマニウム濃度を有
しているのがよい。ファイバ34はダイオードレーザの発
光波長で単一または複数の空間モードを保持するもので
もよい。ファイバ回折格子34は最大反射率がダイオード
レーザの発光波長の10nm以内になるように選択される
が、その反射率はダイオードレーザの出射面の反射率と
類似している。回折格子の反射率の帯域幅は典型的には
0.05nmから1nmである。レーザへの光学的帰還の量が或
る特定の大きさ以上である場合、回折格子34とレーザダ
イオード26とが数百ミクロメートルから数キロメートル
離して配置されていればシステムはうまく機能する。そ
のような構成を用いると、ダイオードレーザは固体増幅
器やレーザを励起するのに適した向上した改善特性を有
するようになる。
ファイバ34が捕える光は、ファイバの損失特性によっ
て限定される以外、通常の場合ファイバを限りなく伝播
していく。ブラッグ式ファイバ回折格子34はこのファイ
バの誘導モード部もしくは心線の中に作られる。この回
折格子は最大反射の波長がダイオードレーザの利得帯域
幅以内になるように作られ、この回折格子はダイオード
レーザの放射光の一部がファイバ及び焦点調整システム
を通ってダイオードレーザに戻るように反射する。残り
の光学出力はファイバ回折格子を通ってファイバをずっ
と伝わっていく。
て限定される以外、通常の場合ファイバを限りなく伝播
していく。ブラッグ式ファイバ回折格子34はこのファイ
バの誘導モード部もしくは心線の中に作られる。この回
折格子は最大反射の波長がダイオードレーザの利得帯域
幅以内になるように作られ、この回折格子はダイオード
レーザの放射光の一部がファイバ及び焦点調整システム
を通ってダイオードレーザに戻るように反射する。残り
の光学出力はファイバ回折格子を通ってファイバをずっ
と伝わっていく。
ダイオードレーザの光学出力の特性に対するファイバ
回折格子の影響はファイバ回折格子から形成される結合
された共振器の波長依存型損失を考慮することによって
説明がつく。当業者であれば、ファイバ回折格子からの
光学的帰還はファイバ回折格子の帯域幅内でレーザ共振
器からの光の損失を低減するのに有効であることを認識
するであろう。レーザは最低損失波長の近傍で優先的に
動作することはよく知られている。従って、ダイオード
レーザの波長をレーザのフリーランの値からファイバ回
折格子の波長にシフトすることが可能である。このシフ
トは、回折格子からの反射率の大きさが十分である場
合、ファイバ回折格子の波長がダイオードレーザの利得
帯域幅内であれば、発生し得る、 光学的帰還の条件外でのダイオードレーザの動作はレ
ーザ共振器自体の影響によって複雑になることがある
が、それはレーザ共振器自体が半導体チップの端面で形
成されている場合である。
回折格子の影響はファイバ回折格子から形成される結合
された共振器の波長依存型損失を考慮することによって
説明がつく。当業者であれば、ファイバ回折格子からの
光学的帰還はファイバ回折格子の帯域幅内でレーザ共振
器からの光の損失を低減するのに有効であることを認識
するであろう。レーザは最低損失波長の近傍で優先的に
動作することはよく知られている。従って、ダイオード
レーザの波長をレーザのフリーランの値からファイバ回
折格子の波長にシフトすることが可能である。このシフ
トは、回折格子からの反射率の大きさが十分である場
合、ファイバ回折格子の波長がダイオードレーザの利得
帯域幅内であれば、発生し得る、 光学的帰還の条件外でのダイオードレーザの動作はレ
ーザ共振器自体の影響によって複雑になることがある
が、それはレーザ共振器自体が半導体チップの端面で形
成されている場合である。
本願発明の好適な実施例においては、回折格子の反射率
並びに波長は、ダイオードレーザ共振器からの広帯域幅
帰還がファイバ回折格子からの帰還より大きくなるよう
に、選択される。この状況において、ファイバ回折格子
からの帰還はダイオードレーザ共振器内で形成されるコ
ヒーレントな電界の摂動としての働きをする。この摂動
はダイオードレーザ発光のコヒーレンスを破る働きを
し、それによって発光帯域幅が数桁分広がり、その結果
第３図の曲線Ａで示すような分光分布になる。ブラッグ
式ファイバ回折格子はダイオード共振器の出力を回折格
子の固定波長に固定すると共に外部共振器の複数の縦モ
ードをその波長を中心として設定するのに有効である。
この複数の縦モードがあることによってダイオードレー
ザのモード変動ノイズが低減する。これは、ダイオード
レーザのコヒーレンス崩壊と呼ばれる。さらに、発光の
中心波長は依然としてフイバ回折格子からの最大反射の
波長の近傍値のままである。ダイオードレーザはこのよ
うに回折格子の帯域幅内で動作すべく制約されるので、
温度や電流の変化が原因でダイオードレーザの波長が大
きく揺れることがない。さらに、レーザはファイバ回折
格子を越えて配置される反射型構成要素からの外来的な
光学的帰還によって摂動を起こされることはないが、そ
れはその外来的な光学的帰還がファイバ回折格子による
光学的帰還より小さいことを前提とした場合である。
並びに波長は、ダイオードレーザ共振器からの広帯域幅
帰還がファイバ回折格子からの帰還より大きくなるよう
に、選択される。この状況において、ファイバ回折格子
からの帰還はダイオードレーザ共振器内で形成されるコ
ヒーレントな電界の摂動としての働きをする。この摂動
はダイオードレーザ発光のコヒーレンスを破る働きを
し、それによって発光帯域幅が数桁分広がり、その結果
第３図の曲線Ａで示すような分光分布になる。ブラッグ
式ファイバ回折格子はダイオード共振器の出力を回折格
子の固定波長に固定すると共に外部共振器の複数の縦モ
ードをその波長を中心として設定するのに有効である。
この複数の縦モードがあることによってダイオードレー
ザのモード変動ノイズが低減する。これは、ダイオード
レーザのコヒーレンス崩壊と呼ばれる。さらに、発光の
中心波長は依然としてフイバ回折格子からの最大反射の
波長の近傍値のままである。ダイオードレーザはこのよ
うに回折格子の帯域幅内で動作すべく制約されるので、
温度や電流の変化が原因でダイオードレーザの波長が大
きく揺れることがない。さらに、レーザはファイバ回折
格子を越えて配置される反射型構成要素からの外来的な
光学的帰還によって摂動を起こされることはないが、そ
れはその外来的な光学的帰還がファイバ回折格子による
光学的帰還より小さいことを前提とした場合である。
本願発明のよるダイオードレーザには、フリーラン型
のダイオードレーザに見られるようなレーザ共振器の単
一縦モードの遷移がない。そうした遷移は遷移期間中２
つのモード間の競合によって引き起こされるダイオード
レーザ出力の光度が大きく揺れる原因となる。そうした
モードの遷移は、例えば、レーザの投入電流や温度の変
化が原因で起こり、光学増幅器やファイバレーザの動作
を害する。本願発明の光学的出力は外部共振器の20以上
の縦モードからなる。これらのモード間の光学的出力の
振り分けが変化することがあるが、単一モード、フリー
ラン型のダイオードレーザに比べるとレーザ光度の揺れ
は遥かに小さい。
のダイオードレーザに見られるようなレーザ共振器の単
一縦モードの遷移がない。そうした遷移は遷移期間中２
つのモード間の競合によって引き起こされるダイオード
レーザ出力の光度が大きく揺れる原因となる。そうした
モードの遷移は、例えば、レーザの投入電流や温度の変
化が原因で起こり、光学増幅器やファイバレーザの動作
を害する。本願発明の光学的出力は外部共振器の20以上
の縦モードからなる。これらのモード間の光学的出力の
振り分けが変化することがあるが、単一モード、フリー
ラン型のダイオードレーザに比べるとレーザ光度の揺れ
は遥かに小さい。
ダイオードレーザ・システムのファイバの先端からの
出力パワーはファイバ内の回折格子の存在によってほん
のわずかな影響しか受けない。反射の弱い回折格子で
は、ファイバからの出力パワーはおよそ（１−Rg）だけ
低下する。ここで、Rgは回折格子の最大反射率である。
レーザのしきい値での投入電流は回折格子があることに
よってわずかに低下する。この影響によってファイバか
らの出力パワーが上がるので前述のパワーの低下が取り
消される。
出力パワーはファイバ内の回折格子の存在によってほん
のわずかな影響しか受けない。反射の弱い回折格子で
は、ファイバからの出力パワーはおよそ（１−Rg）だけ
低下する。ここで、Rgは回折格子の最大反射率である。
レーザのしきい値での投入電流は回折格子があることに
よってわずかに低下する。この影響によってファイバか
らの出力パワーが上がるので前述のパワーの低下が取り
消される。
本願発明の範囲は，ファイバ回折格子がダイオードレ
ーザからの任意の長さであるようなシステムからなる。
但し、この長さはダイオードレーザの動作に影響する。
レーザ発光のコヒーレンス崩壊を確実に保持するため、
ファイバ回折格子はダイオードレーザの前面から十分に
光学距離を置いたところに配置されている。この距離
は、前述した光学的帰還の条件下でダイオードレーザの
コヒーレント長よりはるかに長くなければならない。そ
うすることでファイバ回折格子からの光学的帰還がイン
コヒーレンスを維持し、それ故にコヒーレンス崩壊の状
態を維持するレーザが保証される。回折格子がダイオー
ドレーザの数センチメートル以内に配置されると、ファ
イバ回折格子からの帰還はレーザ共振器内部の電界とコ
ヒーレントになることがあり、その結果ダイオードレー
ザが非常に狭い線幅で動作することになる。応用分野に
よってはそうした放射が非常に有効であるが、ファイバ
増幅器やレーザを励起するのに用いるには安定性に欠け
る。それはレーザの動作特性が変化するとレーザ共振器
のモード遷移ノイズが発生するためである。さらに、ダ
イオードレーザのコヒーレンスからインコヒーレンスの
動作への遷移を避けられないので光度の揺れを生じるこ
とになり、ファイバ光学増幅器及びレーザの動作を害す
る。
ーザからの任意の長さであるようなシステムからなる。
但し、この長さはダイオードレーザの動作に影響する。
レーザ発光のコヒーレンス崩壊を確実に保持するため、
ファイバ回折格子はダイオードレーザの前面から十分に
光学距離を置いたところに配置されている。この距離
は、前述した光学的帰還の条件下でダイオードレーザの
コヒーレント長よりはるかに長くなければならない。そ
うすることでファイバ回折格子からの光学的帰還がイン
コヒーレンスを維持し、それ故にコヒーレンス崩壊の状
態を維持するレーザが保証される。回折格子がダイオー
ドレーザの数センチメートル以内に配置されると、ファ
イバ回折格子からの帰還はレーザ共振器内部の電界とコ
ヒーレントになることがあり、その結果ダイオードレー
ザが非常に狭い線幅で動作することになる。応用分野に
よってはそうした放射が非常に有効であるが、ファイバ
増幅器やレーザを励起するのに用いるには安定性に欠け
る。それはレーザの動作特性が変化するとレーザ共振器
のモード遷移ノイズが発生するためである。さらに、ダ
イオードレーザのコヒーレンスからインコヒーレンスの
動作への遷移を避けられないので光度の揺れを生じるこ
とになり、ファイバ光学増幅器及びレーザの動作を害す
る。
本願発明は、低複屈折の光ファイバを用いており、こ
れは応力が与えられると誘導領域の電磁界の極性を維持
することができない。従って、例えば、ファイバが曲が
って応力を受けると、ファイバ内を伝播しかつ反射され
てダイオードレーザに戻る光の偏りは、レーザから放出
される光のそれとは異なる偏光状態にある。ダイオード
レーザは異なる偏光の光学的帰還に対しては有効に反応
しないから、ダイオードレーザ・システムの特性は最適
ではないかもしれない。しかしながら、共振器の長さが
数メートル以下で湾曲の半径が10cm以上の長さであれ
ば、一般的にレーザシステムの特性は先に述べた改善を
達成するのに依然として十分である。従って、本願発明
では光学的帰還の偏光を制御する対策を講ずる必要がな
い。
れは応力が与えられると誘導領域の電磁界の極性を維持
することができない。従って、例えば、ファイバが曲が
って応力を受けると、ファイバ内を伝播しかつ反射され
てダイオードレーザに戻る光の偏りは、レーザから放出
される光のそれとは異なる偏光状態にある。ダイオード
レーザは異なる偏光の光学的帰還に対しては有効に反応
しないから、ダイオードレーザ・システムの特性は最適
ではないかもしれない。しかしながら、共振器の長さが
数メートル以下で湾曲の半径が10cm以上の長さであれ
ば、一般的にレーザシステムの特性は先に述べた改善を
達成するのに依然として十分である。従って、本願発明
では光学的帰還の偏光を制御する対策を講ずる必要がな
い。
本願発明の好適な実施例においては、応力変形層InGa
As多量子ウェルダイオードレーザを効率60％の非球面レ
ンズシステムを有する光ファイバに結合させている。効
率は60％である。レーザは一般的に965〜1025nmで光を
放出する。ファイバ回折格子は反射の帯域幅が0.2〜0.3
nmで最高反射率はおよそ３％である。従って、ファイバ
回折格子からみた有効反射率Reffは一般的に以下のよう
になる。
As多量子ウェルダイオードレーザを効率60％の非球面レ
ンズシステムを有する光ファイバに結合させている。効
率は60％である。レーザは一般的に965〜1025nmで光を
放出する。ファイバ回折格子は反射の帯域幅が0.2〜0.3
nmで最高反射率はおよそ３％である。従って、ファイバ
回折格子からみた有効反射率Reffは一般的に以下のよう
になる。
Reff＝η2Rg ここで、ηは単一のダイオードレーザから光ファイバ
への光の結合効率で、Rgはファイバ回折格子の最大反射
率である。例えば、この特定値に対して、（0.6）
２（３％）＝1.08％が成り立つ。これに対してダイオー
ドレーザの前面は、公称反射率４％である。この程度の
光学的帰還は、十分な光がファイバ回折格子を通過でき
ると共にダイオードレーザのコヒーレンス崩壊を保持す
るのに十分であるから、使用可能なパワーを最大限活用
する。回折格子の反射率の波長は名目上ではダイオード
レーザの波長の10nm以内である。回折格子は長さ１〜2m
mである。レーザ放射のコヒーレンス崩壊の保持を確実
にするために、ファイバ回折格子はダイオードレーザの
前面から少なくとも50cm距離を置いて配置される。レー
ザシステムのコヒーレンスを保持するのが望ましけれ
ば、ファイバ回折格子はダイオードレーザの出射面に極
力近づけて配置すべきで、数センチメートル以上の距離
を置くべきではない。
への光の結合効率で、Rgはファイバ回折格子の最大反射
率である。例えば、この特定値に対して、（0.6）
２（３％）＝1.08％が成り立つ。これに対してダイオー
ドレーザの前面は、公称反射率４％である。この程度の
光学的帰還は、十分な光がファイバ回折格子を通過でき
ると共にダイオードレーザのコヒーレンス崩壊を保持す
るのに十分であるから、使用可能なパワーを最大限活用
する。回折格子の反射率の波長は名目上ではダイオード
レーザの波長の10nm以内である。回折格子は長さ１〜2m
mである。レーザ放射のコヒーレンス崩壊の保持を確実
にするために、ファイバ回折格子はダイオードレーザの
前面から少なくとも50cm距離を置いて配置される。レー
ザシステムのコヒーレンスを保持するのが望ましけれ
ば、ファイバ回折格子はダイオードレーザの出射面に極
力近づけて配置すべきで、数センチメートル以上の距離
を置くべきではない。
好適な実施例における光ファイバからの出力パワーは
最高で数パーセント低下する。最高反射率が３％のファ
イバ回折格子を備えるファイバでピグテールにした150M
wのダイオードレーザは、実験上の不確実さの範囲では
ファイバからの出力パワーが90Mwを越えることがあり、
それは回折格子を有しないファイバからの出力パワーと
ほぼ同じである。
最高で数パーセント低下する。最高反射率が３％のファ
イバ回折格子を備えるファイバでピグテールにした150M
wのダイオードレーザは、実験上の不確実さの範囲では
ファイバからの出力パワーが90Mwを越えることがあり、
それは回折格子を有しないファイバからの出力パワーと
ほぼ同じである。
第３に本願発明の光学的出力のスペクトルを示す。こ
の図から解かるように、曲線Ｂはファイバ回折格子を有
しない980nmのInGaAsピグテール型ダイオードレーザの
出力スペクトルである。広帯域幅の外部反射器からダイ
オードレーザへおよそ0.5％の帰還があり、それが原因
でレーザの波長が不安定になる。曲線Ａにおいて、ダイ
オードレーザは同じ条件で動作しているが、最高反射率
３％、帯域幅0.3nmのファイバ回折格子がある。出力ス
ペクトルの向上は明らかである。本願発明の出力はレー
ザダイオードの投入電流や温度が大きく変化した場合で
も安定している。
の図から解かるように、曲線Ｂはファイバ回折格子を有
しない980nmのInGaAsピグテール型ダイオードレーザの
出力スペクトルである。広帯域幅の外部反射器からダイ
オードレーザへおよそ0.5％の帰還があり、それが原因
でレーザの波長が不安定になる。曲線Ａにおいて、ダイ
オードレーザは同じ条件で動作しているが、最高反射率
３％、帯域幅0.3nmのファイバ回折格子がある。出力ス
ペクトルの向上は明らかである。本願発明の出力はレー
ザダイオードの投入電流や温度が大きく変化した場合で
も安定している。
従って、場合によってはレーザダイオードの温度制御
が不要になり、引いてはレーザの冷却器や関連制御電子
装置が不要になる。レーザの温度の制御に要するパワー
もその分低下する。
が不要になり、引いてはレーザの冷却器や関連制御電子
装置が不要になる。レーザの温度の制御に要するパワー
もその分低下する。
産業上の利用可能性 以上のように本願発明は非常に安定した強力な光の放
出源を提供するものであり、そうした放出源を用いて励
起しなければならない光学増幅器やレーザの特性及び安
定性を向上させることが今や明らかである。
出源を提供するものであり、そうした放出源を用いて励
起しなければならない光学増幅器やレーザの特性及び安
定性を向上させることが今や明らかである。
好適に実施例については第１図を参照したファイバ増
幅器との使用において説明したが、これは当業者であれ
ば、ファイバレーザとの組み合わせでも使用できること
を認識するであろう。
幅器との使用において説明したが、これは当業者であれ
ば、ファイバレーザとの組み合わせでも使用できること
を認識するであろう。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−291423（ＪＰ，Ａ) Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ ｒｓ，22［３］，ｐ．134−135 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ ｒｓ，21［20］，ｐ．933−934 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗ ａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，４［11 ］，ｐ．1655−1661 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，25 ［９］，ｐ．1404−1410 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ，29［９］，ｐ．ｐ．2421−2432 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ，24［12］，ｐ．2441−2447 Ｊ．Ｂｕｕｓ，Ｓｉｎｇｌｅ Ｆｒｅ ｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔ ｏｒ Ｌａｓｅｒｓ，ＳＰＩＥ ＯＰＴ ＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｐ ＲＥＳＳ，ｐ．81−90 ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，６ ［８］，ｐ．907−909 ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑ ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｓ，25［６］，ｐ．1143−1151 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 G02B 6/10 G02B 6/42 H01S 3/07 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (13)
- 【請求項１】複数の縦モードを有する安定したレーザ源
を発生する装置であって、 実質的に単一の空間モードで光を放出し、ダイオードレ
ーザ型共振器及び当該ダイオードレーザ共振器の一方の
先端を定める出力面を有し、レーザ型共振器内において
縦モードでレーザ光を放出するダイオードレーザと、 該ダイオードレーザ型共振器に結合する光ファイバと、 該光ファイバの導波部分にダイオードレーザに光学帰還
し得る反射帯域幅を有するブラッグ式ファイバ回折格子
と、 で構成され、 複数の縦モード対して該ファイバ回折格子の帯域幅内で
動作してダイオードレーザにコヒーレンス崩壊を誘発す
ることにより、ファイバ回折格子が存在しない場合に生
じるモード変動ノイズが低減するように、光ファイバ導
波部分のファイバ回折格子と出力面とを充分の距離を保
つべく位置せしめることを特徴とする装置。 - 【請求項２】請求項１記載の複数の縦モードを安定して
発生せしめる装置において、 希土類元素をドープして得られるファイバ増幅器を用い
る際にポンプ型システムの動作で発生するノイズ、モー
ド変動ノイズ及び波長の揺らぎを抑え得るため、ダイオ
ードレーザが複数の縦モードのレーザを誘発し、コヒー
レンス崩壊を動作するファイバ回折格子を有することに
よって、縦モードに生じる変化に起因するノイズの発生
を抑制することを特徴とする装置。 - 【請求項３】請求項１又は２記載の複数の縦モードを安
定して発生せしめる装置がピグテール式ダイオードレー
ザであることを特徴とする装置。 - 【請求項４】請求項１乃至３の何れかに記載の安定した
レーザ源発生装置において、 ファイバ回折格子と出力面との距離がコヒーレンス長よ
り大きいことを特徴とする装置。 - 【請求項５】請求項１乃至４の何れかに記載の安定した
レーザ源発生装置において、 焦点調整手段がダイオードレーザから光ファイバに直接
レーザ光を放射するものであることを特徴とする装置。 - 【請求項６】請求項５において前記焦点調整手段がレン
ズ手段からなることを特徴とする装置。 - 【請求項７】請求項１乃至４の何れかに記載の安定した
レーザ源発生装置において、前記導出手段は、ダイオー
ドレーザから放出される光の実質的な部分がファイバに
よって集められるように、ダイオードレーザの出射面に
近接して光ファイバを配置して構成されることを特徴と
する装置。 - 【請求項８】請求項１乃至７の何れかに記載の安定した
レーザ源発生装置において、ブラッグ式ファイバ回折格
子は光ファイバの誘導モード部分の領域においてエッチ
ング処理されていることを特徴とする装置。 - 【請求項９】請求項１乃至８の何れかに記載の安定した
レーザ源発生装置において、ダイオードレーザは960〜1
160nmの波長の光を放出することを特徴とする装置。 - 【請求項１０】請求項１乃至９の何れかの記載におい
て、ファイバ回折格子の有効反射率Reffは Reff＝η2Rg であり、ここでηは光ファイバへのダイオードレーザ光
学出力の結合効率で、Rgはブラッグ式ファイバ回折格子
のピーク反射率であり、かつ有効反射率はダイオードレ
ーザの出射面の反射率より３〜４倍小さいことを特徴と
する装置。 - 【請求項１１】請求項１乃至10の何れかに記載の安定し
たレーザ源発装置において、光ファイバが偏光維持型光
ファイバであることを特徴とする装置。 - 【請求項１２】ダイオードレーザの利得帯域がブラッグ
式ファイバ回折格子の帯域とその一部において重複する
ことを特徴とする請求項１乃至11の何れかの装置。 - 【請求項１３】請求項１乃至12の何れかの安定したレー
ザ光源発生装置から構成されるファイバ増幅器。
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