JP3718164B2 - ファイバ内周波数ロッカー - Google Patents

Description

【０００１】
【関連出願の相互参照】
本出願は、１９９９年８月１３日付けで出願された、米国仮特許願番号第６０／１４９，００４号の優先権を主張するものである。
【０００２】
【背景】
本出願は、光ファイバ装置とレーザに関する。
【０００３】
レーザの出力周波数は、様々な内部プロセス（例えばショットノイズやその他の変動）、または環境要因（例えば温度変化や振動）によりドリフトしたり変動する。半導体レーザの周波数は、例えば、電気的駆動電流や温度とともに変化する。レーザ周波数のこのような変動は、周波数の安定性が必要な特定な応用に対しては望ましくない。
【０００４】
例えば、波長分割多重方式（ＷＤＭ）を用いてファイバ通信リンクの容量を拡大し、様々な波長で様々な光波を同時送信している。ＷＤＭ信号の波長を特定して標準化することは、異なるメーカーのＷＤＭ装置、モジュール、およびサブシステムに互換性があって、商用的ＷＤＭネットワークに統合、展開されるようにするためには極めて重要である。共通に用いられている、ＷＤＭ波長の標準規格のひとつは国際電気通信連合（ＩＴＵ）標準規格であり、そこでは様々な光波のＷＤＭ波長がＩＴＵのグリッド周波数に適合することが要求される。したがって、異なるＷＤＭチャネルに対するレーザ送信器は、内部または外部の変動に起因する波長の不安定さに抗して安定化されなければならない。
【０００５】
正確な分光測定や非線形光学処理のような他の応用に対しても、レーザの周波数安定化が要求されるだろう。
【０００６】
【発明の概要】
本出願は、レーザの周波数を安定化するために光ファイバとファイバ装置とを用いる方法と装置を含む。
【０００７】
【発明の詳細な説明】
図面において、同一符号は同一構成を示す。
【０００８】
図１は、ファイバーベースの周波数ロッカー１００の一実施形態を示す。レーザ１１０は、出力レーザビーム１１２がファイバ１２０内に閉じ込められて案内されるように、ファイバ１２０に光学的に結合されている。ファイバ１２０は異方性(anisotropic)となるよう設計されているので、ファイバーコアに垂直な選択された方向に沿う光偏光(polarization)に対する屈折率は、その選択された方向に垂直な別の光偏光に対する屈折率と異なる。例えば、このような屈折率における異方性を持つ偏光保存ファイバ(polarization-preserving fiber)を、ファイバ１２０として用いることができる。この屈折率における異方性を得る一方法は、ファイバ軸に実質的に垂直な選択された方向に沿って、ファイバ１２２に機械的に応力を加えることである。別の方法では、ファイバーコアがＵＶ光にさらされて、ファイバーコア内に所望の複屈折が創られる。更に、複屈折誘電体材料を用いてファイバーコアを形成してもよい。
【０００９】
ファイバ１２０はセグメント１３０を含み、そこでは実質的に同一の回折格子周期を持つ２組のブラッグ回折格子(Bragg grating)１３１と１３２が、ファイバ内に形成され、間隙１３３により互いに離間している。各ファイバ回折格子はブラッグ位相一致条件を満たす反射器として作動して、ブラッグ波長で光を選択的に反射するとともに、他のスペクトル成分を透過(transmit)させる。このブラッグ波長は、ファイバの実効屈折率と回折格子周期の積の２倍に等しい。回折格子１３１と１３２はともに同一回折格子周期を持つので、同一波長で反射性がある。回折格子１３１と１３２の反射は単一波長に制限されるのではなく、反射帯域幅を有し、そこでは、各回折格子は帯域幅内の任意の波長光に対して反射性がある。各回折格子の反射帯域幅は回折格子強度の関数であり、それは、ファイバ屈折率に関わる周期的変調の深さと、各回折格子の周期の数とに依存する。従って離間した２個の回折格子１３１と１３２は、ブラッグ波長での光についてだけファブリペローキャビティ(Fabry-Perot cavity)を形成する。
【００１０】
ファブリペローキャビティ１３０等におけるブラッグ波長での光は、回折格子１３１と１３２により反射され、前後へ跳ね返って光の干渉を引き起こす。一周期の位相遅延が３６０度または３６０度のある倍数となったとき、構造上の干渉が生じて、共振での透過ピークを発生する。ファブリペローキャビティ１３０の光透過は、位相遅延が共振から外れるにつれて減衰し、位相遅延が共振から正確に１８０度外れるとゼロになる。位相遅延が変化し続けると、光透過は増大を始め、別の共振条件が満たされたときにピーク値へ達する。この挙動は、一周期の位相遅延に関して周期的である。この一周期位相遅延は、基本的にファイバの実効屈折率と間隙１３３の積によって決定され、共振ピークはその積が波長の半分に等しくなると発生する。周波数で表わすと、一周期位相遅延は２つの隣接する共振ピーク間の周波数差を表し、ファブリペローキャビティの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）と呼ばれる。
【００１１】
ファブリペローキャビティ１３０は、ファイバ回折格子１３１と１３２の反射帯域幅をＦＳＲより狭くすることにより、反射帯域幅内にただひとつの単一透過ピークだけを持つように構成されることができる。図２Ａは、代表的なファブリペローキャビティの透過スペクトルを示し、ここで、各ファイバ回折格子は、約１５３４．５ｎｍから約１５３５．６ｎｍまでの帯域幅において反射性であるように設計されている。偏光モード分散がない場合、単一透過ピーク２００が反射帯域幅内に現れ、この時、入力光の周波数は、ファイバーファブリペローキャビティの共振ピークの一つと一致する。
【００１２】
ファイバーファブリペローキャビティ１２０の性能を、例えば各回折格子の強度を上げることにより相対的に高めると、各透過ピークの線幅は狭くなるので、透過ピークの共振周波数は明瞭な周波数となる。したがって、この共振周波数は基準周波数、つまりマーカーとして用いることができる。入力周波数が共振周波数に対してドリフトするとき、入力光の透過が変化するので、入力光の透過強度の変動を用いて、共振周波数に対する入力光の周波数偏倚を示すことができる。
【００１３】
注目に値することは、ファイバ１２２の屈折率が異方性を持つことである。固定入力周波数での入力光に関しては、選択された方向に平行な光偏光はある値の屈折率に支配され、選択された方向と垂直な光偏光は別の値の屈折率に支配される。２つの直交方向に沿う、この２つの異なる屈折率の値は、２つの直交偏光間の偏光モード分散(polarization mode dispersion)を発生させ、各偏光毎にひとつ、計２つの近接して離間する共振ピークをそれぞれ生み出す。２つのピーク間の周波数間隔は、間隙１３３の屈折率差により決まる。
【００１４】
図２Ｂは、偏光保存シリコンガラスファイバで形成されたファイバーキャビティ１３０からの、１５４１．４１ｎｍに近い２つの透過ピーク２１０と２２０の例を示す。２つの直交偏光間の屈折率差は、約２．１８ＧＨｚ離れている２つの異なる周波数２１０と２２０で、２つの偏光をキャビティの同一共振モードに一致させる。
【００１５】
システム１００は、同一共振モードで、直交偏光に沿うこれら２つのピークを用いて、レーザ周波数の偏差を示す誤差信号を発生するように、そしてフィードバック機構を用いて、誤差信号に基づいてレーザ周波数を修正するように設計されている。
【００１６】
ファイバ回折格子１３１と１３２は、レーザ１１０の周波数が安定化されるべきスペクトル領域を、反射帯域幅がカバーするように設計される。出力レーザビーム１１２の偏光およびファイバ１２０の選択された方向は互いに約４５度の角度で配向されているので、入力レーザパワーは、２つの直交偏光、すなわちひとつは選択された軸に平行な偏光、もうひとつは選択された軸に直角な偏光との間で、基本的に等分割される。偏光装置１４０はファイバ１２０へ結合されて、ファイバーキャビティ１３０からの透過を受信する。このような装置１４０の実施例は、とりわけ、偏光ビームスプリッタと偏光ファイバカプラを含む。作動において、装置１４０は、第１出力信号１４１である選択された方向に沿った偏光を、第２出力信号１４２である選択された方向に対して垂直な別の偏光から分離するよう配向されている。２個の光検出器１５１と１５２を用いて、信号１４１と１４２をそれぞれ受信し、電気出力信号へ変換する。
【００１７】
電気回路１６０が接続されて、検出器１５１と１５２からの出力信号を受信する。２つの信号１５１と１５２の一方（例えば、図２のピーク２２０を表す１５２）は回路１６０により反転され、次いで他方の信号と加算されて合計信号が生成される。合計信号は引き続き、更なる処理のために増幅されてもよい。図示のように、回路１６０は、反転、加算および増幅の各ステップを実行するために演算増幅器を含んでもよい。
【００１８】
図３は、上記合計信号の一実施例を、約１５４４．７８ｎｍのレーザ波長について、スペクトル分散の線の形状として示す。２つの直交偏光に沿う異方性による、ファイバーファブリペローキャビティからの２つのピークは、互いに約１．８４ＧＨｚ離れている。レーザビーム１１２の偏光がファイバ１２０の選択された方向に対して正確に４５度である場合、２つのピークはスペクトルの形と強度が基本的に同一であるが、スペクトルとしては互いに偏倚している。したがって、合計信号は２つのピーク間の中心周波数でゼロとなり、レーザ周波数がその中心周波数から外れると、正か負のどちらかになる。この中心周波数は、レーザ周波数が同期(lock)される基準周波数（ｆ_ref）として用いることができる。
【００１９】
ファイバーキャビティ１３０は、例えば、ファイバ１２０の屈折率の異方性、回折格子１３１と１３２の構造、および間隙１３３を制御することにより、基準周波数を所望の値に設定するよう設計できる。ＷＤＭへの応用では、例えば、基準周波数を、ＩＴＵ標準規格で規定されたＷＤＭ波長の一つとしてもよい。
【００２０】
図１へ戻って参照すると、誤差信号１７０は回路１６０からの電圧であっても、電流信号であってもよく、合計信号の符号と振幅を表す。誤差信号１７０は次に、レーザ１１０へフィードバックされて、サーボ制御フィードバックループを形成する。誤差信号１７０に応答してサーボループが作動し、レーザ１１０の周波数を基準周波数へ向けて調整し、それにより誤差信号１７０の振幅は許容できる範囲内に減らされ、したがってレーザ周波数は基準周波数に「ロックされて」留まる。誤差信号１７０の符号はレーザ周波数に対する修正の方向を指示し、振幅はレーザ周波数に対する修正量を決定する。
【００２１】
レーザ１１０は一般に、その出力周波数が周波数制御ユニット１１４からの信号１１６により制御できる任意の同調可能なレーザでよい。レーザ１１０は例えば、半導体レーザ、線形またはリングキャビティを有するファイバーレーザ、あるいは半導体かファイバーレーザに基づくレーザを含んでもよい。周波数制御ユニット１１４は、レーザ１１０の内部部品であっても、レーザ１１０の外部装置であってもよい。例えば、レーザ１１０が半導体ダイオードレーザである場合、周波数制御装置１１４は駆動回路であってもよく、また、制御信号１１６はダイオードへの駆動電流であってもよい。それに代えて、周波数制御装置１１４は、ダイオードの温度を制御する温度制御装置でもよい。レーザ１１０が光経路の一部としてファイバを含む場合、周波数制御ユニット１１４は、ファイバ長を制御してその結果レーザ周波数を制御するファイバストレッチャを含んでもよい。
【００２２】
図４は、図１に示すサーボ回路がある場合とない場合の、レーザダイオードへの注入電流の関数としての測定レーザ波長を示す。曲線４１０は、周波数サーボ制御装置が作動しているときの測定データを示す。それに対して曲線４２０は、周波数サーボ制御装置が作動していないときの測定データを示す。その測定値が示しているのは、サーボ制御装置はダイオードレーザの周波数安定性を、振幅で１オーダー改善するということである。より高い安定度は、より高いサーボループゲインにより得られる。
【００２３】
図５は、２つの個別のファイバ１２０Ａと１２０Ｂに２つのファイバーキャビティ１３０Ａと１３０Ｂをそれぞれ用いた別の周波数サーボ制御システム５００を示す。ファイバカプラ５１０を用いてレーザビーム１１２を２つの等しいビームに分割し、２つのビームをそれぞれファイバ１２０Ａと１２０Ｂへ結合することができる。単一ファイバーシステム１００で用いられたファイバ１２０とは異なり、２本のファイバ１２０Ａと１２０Ｂは、偏光モード分散により同じ共振キャビティモードと一致するよう近接して離間する共振ピークを発生するように２つの直交偏光用の２つの異なる屈折率を持つ必要はない。その代わり、２個のファイバーキャビティ１３０Ａと１３０Ｂは、同じオーダーの共振の共振周波数が互いに所望量だけ僅かに偏倚されるように設計される。これは例えば、２個の回折格子の間隙、または回折格子の周期、またはその両方を異なって構成することにより達成できる。一実施では、２本のファイバ１２０Ａと１２０Ｂを、僅かに異なる張力のもとに置いて、２つのピーク間の周波数偏倚を達成する。
【００２４】
各ファイバーキャビティ中の２個のファイバ回折格子間の間隙は十分狭く設定されるので、キャビティのＦＳＲは反射帯域幅より広い。したがって、単一の透過共振ピークだけが、各ファイバーキャビティの反射帯域幅内に現れる。図１のシステム１００における偏光分散のように、２個のファイバーキャビティ１３０Ａと１３０Ｂからの２つの異なる透過ピーク間の中心周波数を基準周波数として用いて、レーザ１１０を同期（lock）できる。検出器１５１と１５２を用いて２つの透過ピークに関する信号を受信し、回路１６０を用いて信号の一つを反転し、フィードバック制御として合計信号１７０を発生する。
【００２５】
図１のシステム１００および図５のシステム５００の両方で、基準に同期化されたまま、レーザ周波数が同調可能であるように基準周波数は調整可能であってよい。例えば、両システムでの２つの偏倚した共振ピークは、中心周波数を偏倚して変更できる。サーボ制御が適切に作動している限り、レーザ１１０は信号１１６に応答して調整されることにより、レーザ周波数を中心周波数に合わせることができる。
【００２６】
図１のシステム１００で、これは、両方のピークが同一方向へ同一量だけ偏倚するように、回折格子の間隔、および２個のファイバ回折格子１３１と１３２との間隙１３３を変更することにより達成できる。ファイバーストレッチャはキャビティ１３０の位置でファイバ１２０へ係止されて同調を実行できる。図５のシステム５００では、ファイバ１２０Ａと１２０Ｂの一方または両方が伸張されて、２つの共振ピーク間の中心周波数を偏倚させる。
【００２７】
以上、多くの実施の形態を説明した。しかし、様々な変更と改良が、前記請求項の精神と範囲を逸脱することなく成されてもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、一本のファイバ内に設けられた２組のファイバ回折格子から形成されたファイバーキャビティ中の偏光モード分散に基づくレーザ周波数ロッカーの一実施形態を示す。
【図２Ａ】 図２Ａは、２個の離間するファイバ回折格子を有するファイバーファブリペロー共振器の、偏光モード分散がない場合の透過スペクトルを示し、そこでは単一透過ピークが、約１５３４．５ｎｍから約１５３５．６ｎｍまでの反射帯域幅内の１５３０ｎｍ近傍に現れる。
【図２Ｂ】 図２Ｂは、図１に示すシステム中において偏光モード分散によって単一透過ピークを分割することによって生じた、ファイバーファブリペロー共振器の反射帯域幅内の２つの近接した透過ピークの実施例を示す。
【図３】 図３は、図１に示すシステムの実施により発生された、代表的な誤差信号を示す。
【図４】 図４は、図１に示す周波数制御がある場合とない場合の、ダイオードレーザ注入電流の関数として測定されたレーザ周波数を示す。
【図５】 図５は、２本の別々のファイバに形成された２個のファイバーキャビティに基づくレーザ周波数ロッカーの別の実施形態を示す。

Claims (24)

1. レーザ波長でのレーザビームを受信するために結合され、互いに離間して前記レーザ周波数で反射性である２組のブラッグ回折格子で形成されたファイバーキャビティを有し、ファイバーコアに垂直な第１方向に沿う光偏光用の第１屈折率と、前記第１方向に直交する第２方向に沿う光偏光用の異なる第２屈折率とを有するファイバと、
   前記ファイバに結合されていて前記ファイバーキャビティからの透過レーザビームを受信して、前記第１方向に沿って偏光された第１ビームと、前記第２方向に沿って偏光された第２ビームとを発生させる偏光素子と、
   前記第１レーザビームを受信して、第１検出器信号を発生する第１光検出器と、
   前記第２レーザビームを受信して、第２検出器信号を発生する第２光検出器と、
   前記ファイバーキャビティにより定められた基準周波数に対する前記レーザ周波数の偏差を示す誤差信号を生成するために、前記第１および前記第２検出器信号を組合せるように作動可能な電子回路とを備える装置。
2. 請求項１の装置であって、前記レーザビームは、前記第１方向に対して４５度の角度を成す方向に沿って偏光される装置。
3. 請求項１の装置であって、前記ファイバが偏光保存ファイバである装置。
4. 請求項１の装置であって、前記ファイバは、前記第１と前記第２の方向の一方に沿って機械的に応力を加えられる装置。
5. 請求項１の装置であって、前記ファイバが複屈折誘電体材料を含む装置。
6. 請求項１の装置であって、前記電子回路は、前記第１検出器信号を反転し、次に、前記反転した第１検出器信号を前記第２検出器信号へ加算して前記誤差信号を発生する回路素子を含む装置。
7. 請求項１の装置であって、前記偏光素子が偏光ビームスプリッタを含む装置。
8. 請求項１の装置であって、前記偏光素子が偏光ファイバカプラを含む装置。
9. 請求項１の装置であって、更に、前記レーザビームを発生するために作動可能なレーザを備える装置。
10. 請求項９の装置であって、前記レーザが半導体レーザを含む装置。
11. 請求項９の装置であって、前記レーザが、前記レーザのレーザキャビティのポートとしてのファイバを含む装置。
12. 請求項１１の装置であって、前記レーザが、前記ファイバで形成されるリングキャビティを含む装置。
13. 請求項９の装置であって、前記レーザは、前記基準周波数に対する前記レーザ周波数を安定化するために前記誤差信号に応答して前記レーザビームの前記レーザ周波数を調整するよう作動可能である装置。
14. 請求項１の装置であって、更に、前記基準周波数を変化させるために前記ファイバーキャビティを制御するよう組み込まれた素子を含む装置。
15. レーザ周波数でレーザビームを受信し、前記レーザビームを第１レーザビームと第２レーザビームへ分割するファイバカプラと、
    前記第１のレーザビームを受信するために結合され、互いに離間して前記レーザ周波数で反射性である２組のブラッグ回折格子で形成された第１ファイバーキャビティを有する第１ファイバと、
    前記第２レーザビームを受信するために結合され、互いに離間して前記レーザ周波数で反射性である２組のブラッグ回折格子で形成された第２ファイバーキャビティを有する第２ファイバと、
    前記第１ファイバーキャビティから第１透過光を受信して第１検出器信号を発生する第１光検出器と、
    前記第２ファイバーキャビティから第２透過光を受信して第２検出器信号を発生する第２光検出器と、
    前記第１および前記第２検出器信号を組合せて、前記ファイバーキャビティにより定められた基準周波数に対する前記レーザ周波数の偏差を示す誤差信号を発生するように作動可能な電子回路とを備える装置。
16. 請求項１５の装置であって、更に、前記基準周波数を制御して、変化させる前記第１と前記第２のファイバーキャビティの少なくとも一つへ結合される素子を備える装置。
17. 請求項１６の装置であって、前記素子がファイバーストレッチャを含む装置。
18. 互いに離間する２組のブラッグ回折格子をファイバ中に設置することにより、前記ファイバ中にファイバーキャビティを形成し、
    ファイバーコアに垂直な第１方向に沿う光偏光用の第１屈折率と、前記第１方向に直交する第２方向に沿う光偏光用の異なる第２屈折率とを前記ファイバに持たせ、
    前記ブラッグ回折格子の反射帯域幅内に入るレーザ周波数でレーザビームを結合し、
    前記第１方向に対して４５度の角度を成すように、前記レーザビームの偏光を整列させ、
    前記ファイバーキャビティから、２つの周波数で２つの透過ピークを発生させ、
    前記透過ピークを２つの信号へそれぞれ変換し、
    前記２つの信号の一方を反転して、前記反転信号を他方の信号へ加算し、２つの透過ピーク間の中心の基準周波数からのレーザ周波数の偏差を示す誤差信号を発生し、かつ
    前記レーザ周波数を調整して、前記レーザ周波数が前記基準周波数に対して安定化するように前記誤差信号を減少させるようにした方法。
19. 請求項１８の方法であって、更に、前記基準周波数を変える一方、基準周波数に対して前記レーザ周波数を維持して前記レーザ周波数を同調するようにした方法。
20. 請求項１９の方法であって、前記基準周波数は、前記ファイバーキャビティを制御することにより変更されるようにした方法。
21. 請求項１８の方法であって、前記ファイバーキャビティの前記ブラッグ回折格子間の間隔は、前記ファイバーキャビティの前記自由スペクトル領域が前記ブラッグ回折格子の反射帯域幅より広くなる値に設定されるようにした方法。
22. 互いに離れた２組のブラッグ回折格子を第１ファイバに設置して、第１透過共振ピークを生成することにより第１のファイバーキャビティを発生させ、
    互いに離れた２組のブラッグ回折格子を第２ファイバに設置して、前記第１の透過共振ピークと異なる第２の透過共振ピークを発生させることにより、第２のファイバーキャビティを形成し、
    前記第１と第２のキャビティの前記ブラッグ回折格子の反射帯域幅内に入るレーザ周波数でレーザビームを結合し、
    前記透過ピークを２つの信号へ別々に変換し、
    前記２つの信号の一方を反転して、前記反転信号を他方の信号へ加算し、前記２つの透過ピークの中心値である基準周波数からの前記レーザ周波数の偏差を示す誤差信号を発生させ、かつ
    前記レーザ周波数を調整して、前記レーザ周波数が前記基準周波数に対して安定化するよう前記誤差信号を減少させるようにした方法。
23. 請求項２２の方法であって、各ファイバーキャビティは、前記ブラッグ回折格子の反射帯域幅より広い自由スペクトル領域を有するようにした方法。
24. 請求項２２の方法であって、更に、前記基準周波数を変える一方、前記基準周波数に対する前記レーザ周波数を安定化して、前記レーザ周波数を同調するようにした方法。

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