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公開番号2025010112
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2024108224
出願日2024-07-04
発明の名称超狭線幅レーザ発生装置
出願人浙江大学,ZHEJIANG UNIVERSITY
代理人個人
主分類H01S 3/13 20060101AFI20250109BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】超狭線幅レーザ発生装置を提供する。
【解決手段】超狭線幅レーザ発生装置は、光自己注入ロックループと超安定キャビティ位相ロックループとを含み、光自己注入ロックループは、レーザ共振キャビティの品質因子を向上させ且つ線幅を狭幅化し、超安定キャビティ位相ロックループは、光自己注入における光信号の位相をロックし、レーザ器の周波数と光学共振キャビティとの同期を実現し、フィードバック制御レーザ器の駆動電流によってさらにレーザ器の周波数雑音を低減させてレーザ器の線幅狭幅化率を向上させるとともに、超安定キャビティ位相ロックループのレーザ器の周波数に対する安定的な制御のため、レーザ器の周波数のドリフトによるモードホッピング現象の発生を回避し、システムの安定性を向上させる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
超狭線幅レーザ発生装置であって、光自己注入ロックループと超安定キャビティ位相ロ
ックループとを含み、光自己注入ロックループは、レーザ器の共振キャビティの共振品質
因子を向上させ且つレーザ器の線幅を狭幅化するために用いられ、超安定キャビティ位相
ロックループは、光自己注入ロックループ光信号の位相を安定化するために用いられ、フ
ィードバック制御レーザ器の電流によってさらにレーザ器の周波数雑音を低減させ、光自
己注入ロックループと超安定キャビティ位相ロックループとを結合し、周波数の高安定性
の超狭線幅レーザ出力を実現する、超狭線幅レーザ発生装置。
続きを表示（約 2,700 文字）【請求項２】
前記光自己注入ロックループは、
光信号Ｌ１を光ファイバサーキュレーターの第二のポートに発生させるレーザ器と、
光信号Ｌ１の光ファイバサーキュレーターの第二のポートから第三のポートへの一方向
伝送を実現する光ファイバサーキュレーターであって、第三のポートの出力光信号がＬ２
として記され、光信号Ｌ２が第一の１×２光ファイバカプラに伝送される光ファイバサー
キュレーターと、
光信号Ｌ２を二つの光信号Ｌ３１とＬ３２に分けるための第一の１×２光ファイバカプ
ラであって、光信号Ｌ３１が位相変調器に伝送され、光信号Ｌ３２が前記装置により出力
された狭線幅レーザ信号である第一の１×２光ファイバカプラと、
電気信号Ｅ２２を光信号Ｌ３１上に変調し、光信号Ｌ４を発生させ、且つ光学共振キャ
ビティに伝送する位相変調器と、
光学共振キャビティであって、光信号Ｌ４が光学共振キャビティを通過した後に、光信
号Ｌ４の二つのサイドバンドに異なる位相変化が発生し、この時に光信号がＬ５として記
され、且つ光信号Ｌ５が第二の１×２光ファイバカプラに伝送される光学共振キャビティ
と、
光信号Ｌ５を二つの光信号Ｌ６１とＬ６２に分けるための第二の１×２光ファイバカプ
ラであって、光信号Ｌ６１がエルビウム添加光ファイバ増幅器に伝送され、光信号Ｌ６２
がアバランシェフォトダイオードに伝送される第二の１×２光ファイバカプラと、
光信号Ｌ６１を光信号Ｌ７に増幅するためのエルビウム添加光ファイバ増幅器であって
、光信号Ｌ７が光バンドパスフィルタに伝送されるエルビウム添加光ファイバ増幅器と、
光信号Ｌ７におけるエルビウム添加光ファイバ増幅器により導入された自然放出雑音を
低減させ、且つ光信号Ｌ８を偏光コントローラに出力するための光バンドパスフィルタと
、
光自己注入ロックループの偏光状態を調整し、光信号Ｌ８が偏光コントローラを経た後
に光信号Ｌ９を圧電セラミックコントローラに出力するための偏光コントローラと、
電気信号Ｅ７により制御され、光自己注入ロックループの長さに対して微調整を行うこ
とができ、且つ光信号Ｌ１０を光ファイバサーキュレーターの第一のポートに出力する圧
電セラミックコントローラとを含み、
光信号Ｌ１０は、光ファイバサーキュレーターの第一のポートに入って一方向で第二の
ポートに伝送され、それによってレーザ器内に注入されて完全な光自己注入ロックループ
を形成する、ことを特徴とする請求項１に記載の発生装置。
【請求項３】
前記超安定キャビティ位相ロックループは、
光信号Ｌ１を光ファイバサーキュレーターの第二のポートに発生させるレーザ器と、
光信号Ｌ１の光ファイバサーキュレーターの第二のポートから第三のポートへの一方向
伝送を実現する光ファイバサーキュレーターであって、第三のポートの出力光信号がＬ２
として記され、光信号Ｌ２が第一の１×２光ファイバカプラに伝送される光ファイバサー
キュレーターと、
光信号Ｌ２を二つの光信号Ｌ３１とＬ３２に分けるための第一の１×２光ファイバカプ
ラであって、光信号Ｌ３１が位相変調器に伝送され、光信号Ｌ３２が前記装置により出力
された狭線幅レーザ信号である第一の１×２光ファイバカプラと、
電気信号Ｅ２２を光信号Ｌ３１上に変調し、光信号Ｌ４を発生させ、且つ光学共振キャ
ビティに伝送する位相変調器と、
光学共振キャビティであって、光信号Ｌ４が光学共振キャビティを通過した後に、光信
号Ｌ４の二つのサイドバンドに異なる位相変化が発生し、この時に光信号がＬ５として記
され、且つ光信号Ｌ５が第二の１×２光ファイバカプラに伝送される光学共振キャビティ
と、
光信号Ｌ５を二つの光信号Ｌ６１とＬ６２に分けるための第二の１×２光ファイバカプ
ラであって、光信号Ｌ６１がエルビウム添加光ファイバ増幅器に伝送され、光信号Ｌ６２
がアバランシェフォトダイオードに伝送される第二の１×２光ファイバカプラと、
光信号Ｌ６２を電気信号Ｅ１に変換し、且つ電気バンドパスフィルタに伝送するための
アバランシェフォトダイオードと、
電気信号Ｅ１をフィルタリングし、電気信号Ｅ２をミキサの無線周波数ポートに出力す
る電気バンドパスフィルタと、
リファレンス電気信号Ｅ３を発生させるためのアナログ信号源であって、電気信号Ｅ３
が電力分配器に伝送されるアナログ信号源と、
電気信号Ｅ３をパワーが等しく、位相差が９０°である電気信号Ｅ４１とＥ４２に分け
る電力分配器であって、電気信号Ｅ４２が位相変調器に伝送され、電気信号Ｅ４１がミキ
サの局部発振ポートに伝送される電力分配器と、
電気信号Ｅ４１と電気信号Ｅ２との位相差を比較し、電気信号Ｅ５を得、且つループフ
ィルタに伝送するためのミキサと、
電気信号Ｅ５に対して積分などの処理を行い、電気信号Ｅ６１とＥ６２を発生させるル
ープフィルタであって、電気信号Ｅ６１が増幅器に伝送され、電気信号Ｅ６２がサーボ回
路に伝送されるループフィルタと、
制御信号Ｅ６１を増幅し、電気信号Ｅ７を発生させて圧電セラミックコントローラを制
御する増幅器と、
電気信号Ｅ６２を電流信号Ｅ８に変換し、加算回路に伝送するサーボ回路と、
電流信号Ｅ８と定電流源により出力された電流信号Ｅ９とを加算し、フィードバック制
御レーザ器の電流Ｅ１０を得る加算回路とを含み、
電気信号Ｅ７は、圧電セラミックコントローラを制御して光自己注入ロックループ光信
号の位相を制御するために用いられ、電気信号Ｅ１０は、フィードバック制御レーザ器の
電流によってレーザ器の位相雑音を低減させるために用いられ、両方は、共に超安定キャ
ビティ位相ロックループの閉ループ制御を実現する、ことを特徴とする請求項１に記載の
発生装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電技術分野に関し、具体的には超狭線幅レーザ発生装置に関する。
続きを表示（約 5,100 文字）【背景技術】
【０００２】
レーザのフルネームは、誘導放出光増幅であり、高エネルギー準位にある粒子が外界光
子により励起され、低エネルギー準位へ遷移し、励起光子の光学特性に非常に一致する光
子ビームをリリースすることを指す。そのため、レーザは、普通の光源と比べて単色性、
指向性などの利点を有して光ファイバ通信、レーザレーダー、工業デバイス加工、医療な
どの分野に幅広く応用される。理想的な場合におけるレーザ器について、誘導放出のみが
存在し、高エネルギー準位原子の損失したエネルギーは、誘導プロセスにおいて補充され
るとともに、発生した光波は、元の光波と干渉的に重なり、共振キャビティにおける光波
振幅を終始に定常に保持させるため、線幅は、限りなくゼロに接近すべきである。しかし
ながら、自然放出の影響により、レーザ器における誘導放出利得は、キャビティにおける
合計損失よりも僅かに小さく、さらに発生した非干渉光波は、誘導放出による干渉光と重
なり、レーザ器の線幅の拡張を引き起こす。そして実際の応用において、プロセス及び環
境などの要素でレーザ器に周波数ドリフトと位相ジッタとは、不可避的に現れ、これがパ
ワースペクトルに反映されると所謂拡張である。干渉光通信を例にし、レーザ線幅の拡張
は、受信端の信号対雑音比の悪化を引き起こし、さらに通信の品質に影響を与える。その
ため、狭線幅レーザ器は、レーザ応用における欠けられない一部である。現在、すでに成
熟して商用化されている分布フィードバック式半導体レーザ器の線幅は、約メガヘルツで
あり、一般的な応用に対してすでに十分であるが、いくつかの精密な光学測定と高品質の
マイクロ波光子信号発生などの応用に対してまだ足りない。商用化されている狭線幅レー
ザ器は、値段が非常に高く、システムのコストを極めて向上させる。そのため、研究者ら
は、他の外部構造によってレーザ器の線幅を狭幅化できることを期待する。
【０００３】
光自己注入ロック技術は、レーザ器の線幅を狭幅化することができる方法である。それ
は、レーザ器の出力光の一部をサーキュレーターによってレーザ器内に結合すれば、レー
ザ器の線幅を狭幅化することを実現することができる。そのため、光自己注入ロックシス
テムは、非常に簡単な構造を有するとともに、比較的高い線幅狭幅化率を実現することが
できる。しかしながら、自己注入の方式は、共振キャビティのループ長さを実質的に増加
させることによってより高い共振キャビティ品質因子（Ｑ値）を取得することに相当する
。そのため、比較的長いループ長さは、より大きい位相ジッタを導入するとともに、自由
スペクトルの範囲の縮小を引き起こし、より多くの縦モードは、発振器の発振条件を満た
し、比較的低いサイドモード抑圧比を引き起こし、これは、レーザ器の周波数安定性を大
幅に制限する。そのため、研究者らは、フィードバックループ内に一つの狭帯域の光学フ
ィルタを追加することで不必要なモードを濾過して取り除いてもよいことを提案する。よ
く見られている狭帯域フィルタは、ファブリペロー共振キャビティ、グレーティング共振
キャビティ、エコーウォールモード共振キャビティなどを含む。しかしながら、比較的小
さい自由スペクトル範囲は、さらに狭帯域フィルタの品質因子に対してより高い要求を提
案するとともに、フィードバック注入光の補強に伴い、光自己注入ロックの線幅狭幅化率
は、飽和に接近し、一般的には約数百倍から千倍である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記に鑑み、本発明は、超狭線幅レーザ発生装置を提供する。この装置は、光自己注入
ロックより高い線幅狭幅化率とより低い周波数雑音を有するとともに、非常に高いＱ値の
光学共振キャビティの使用を回避し、システムのコストを低減させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
超狭線幅レーザ発生装置は、光自己注入ロックループと超安定キャビティ位相ロックル
ープとを含み、光自己注入ロックループは、レーザ器の共振キャビティの共振品質因子を
向上させ且つレーザ器の線幅を狭幅化するために用いられ、超安定キャビティ位相ロック
ループは、光自己注入ロックループ光信号の位相を安定化するために用いられ、フィード
バック制御レーザ器の電流によってさらにレーザ器の周波数雑音を低減させ、光自己注入
ロックループと超安定キャビティ位相ロックループとを結合し、発振周波数の高安定性の
超狭線幅レーザ出力を実現する。
【０００６】
前記光自己注入ロックループは、一つのレーザ器、一つの光ファイバサーキュレーター
、二つの１×２光ファイバカプラ、一つの位相変調器、一つの超安定光学共振キャビティ
、一つの偏光コントローラ、一つのエルビウム添加光ファイバ増幅器、一つの光バンドパ
スフィルタ、一つの圧電セラミックコントローラからなり、前記超安定キャビティ位相ロ
ックループは、一つのレーザ器、一つの光ファイバサーキュレーター、二つの１×２光フ
ァイバカプラ、一つの位相変調器、一つの超安定光学共振キャビティ、一つのアバランシ
ェフォトダイオード、一つの電気バンドパスフィルタ、一つのアナログ信号源、一つの電
力分配器、一つのミキサ、一つのループフィルタ、一つの増幅器、一つのサーボ回路、一
つの加算回路、一つの定電流源からなり、光自己注入ロックループと超安定キャビティ位
相ロックループとは、共通の構成部分を有し、一つのレーザ器、一つの光ファイバサーキ
ュレーター、二つの１×２光ファイバカプラ、一つの位相変調器、一つの光学共振キャビ
ティを含む。
【０００７】
さらに、前記光自己注入ロックループは、
光信号Ｌ１を光ファイバサーキュレーターの第二のポートに発生させるレーザ器と、
光信号Ｌ１の光ファイバサーキュレーターの第二のポートから第三のポートへの一方向
伝送を実現する光ファイバサーキュレーターであって、第三のポートの出力光信号がＬ２
として記され、光信号Ｌ２が第一の１×２光ファイバカプラに伝送される光ファイバサー
キュレーターと、
光信号Ｌ２を二つの光信号Ｌ３１とＬ３２に分けるための第一の１×２光ファイバカプ
ラであって、光信号Ｌ３１が位相変調器に伝送され、光信号Ｌ３２が前記装置により出力
された狭線幅レーザ信号である第一の１×２光ファイバカプラと、
電気信号Ｅ２２を光信号Ｌ３１上に変調し、光信号Ｌ４を発生させ、且つ光学共振キャ
ビティに伝送する位相変調器と、
光学共振キャビティであって、光信号Ｌ４が光学共振キャビティを通過した後に、光信
号Ｌ４の二つのサイドバンドに異なる位相変化が発生し、この時に光信号がＬ５として記
され、且つ光信号Ｌ５が第二の１×２光ファイバカプラに伝送される光学共振キャビティ
と、
光信号Ｌ５を二つの光信号Ｌ６１とＬ６２に分けるための第二の１×２光ファイバカプ
ラであって、光信号Ｌ６１がエルビウム添加光ファイバ増幅器に伝送され、光信号Ｌ６２
がアバランシェフォトダイオードに伝送される第二の１×２光ファイバカプラと、
光信号Ｌ６１を光信号Ｌ７に増幅するためのエルビウム添加光ファイバ増幅器であって
、光信号Ｌ７が光バンドパスフィルタに伝送されるエルビウム添加光ファイバ増幅器と、
光信号Ｌ７におけるエルビウム添加光ファイバ増幅器により導入された自然放出雑音を
低減させ、且つ光信号Ｌ８を偏光コントローラに出力するための光バンドパスフィルタと
、
光自己注入ロックループの偏光状態を調整し、光信号Ｌ８が偏光コントローラを経た後
に光信号Ｌ９を圧電セラミックコントローラに出力するための偏光コントローラと、
電気信号Ｅ７により制御され、光自己注入ロックループの長さに対して微調整を行うこ
とができ、且つ光信号Ｌ１０を光ファイバサーキュレーターの第一のポートに出力する圧
電セラミックコントローラとを含み、
光信号Ｌ１０は、光ファイバサーキュレーターの第一のポートに入って一方向で第二の
ポートに伝送され、それによってレーザ器内に注入されて完全な光自己注入ロックループ
を形成し、
前記超安定キャビティ位相ロックループは、
光信号Ｌ１を光ファイバサーキュレーターの第二のポートに発生させるレーザ器と、
光信号Ｌ１の光ファイバサーキュレーターの第二のポートから第三のポートへの一方向
伝送を実現する光ファイバサーキュレーターであって、第三のポートの出力光信号がＬ２
として記され、光信号Ｌ２が第一の１×２光ファイバカプラに伝送される光ファイバサー
キュレーターと、
光信号Ｌ２を二つの光信号Ｌ３１とＬ３２に分けるための第一の１×２光ファイバカプ
ラであって、光信号Ｌ３１が位相変調器に伝送され、光信号Ｌ３２が前記装置により出力
された狭線幅レーザ信号である第一の１×２光ファイバカプラと、
電気信号Ｅ２２を光信号Ｌ３１上に変調し、光信号Ｌ４を発生させ、且つ光学共振キャ
ビティに伝送する位相変調器と、
光学共振キャビティであって、光信号Ｌ４が光学共振キャビティを通過した後に、光信
号Ｌ４の二つのサイドバンドに異なる位相変化が発生し、この時に光信号がＬ５として記
され、且つ光信号Ｌ５が第二の１×２光ファイバカプラに伝送される光学共振キャビティ
と、
光信号Ｌ５を二つの光信号Ｌ６１とＬ６２に分けるための第二の１×２光ファイバカプ
ラであって、光信号Ｌ６１がエルビウム添加光ファイバ増幅器に伝送され、光信号Ｌ６２
がアバランシェフォトダイオードに伝送される第二の１×２光ファイバカプラと、
光信号Ｌ６２を電気信号Ｅ１に変換し、且つ電気バンドパスフィルタに伝送するための
【発明の効果】
【０００８】
本発明の装置は、光自己注入ロックループと超安定キャビティ位相ロックループとを含
み、光自己注入ロックループは、レーザ共振キャビティの品質因子を向上させ且つ線幅を
狭幅化し、超安定キャビティ位相ロックループは、光自己注入ロックのループ長さとレー
ザ器の駆動電流とを調節し、レーザ器の周波数と光学共振キャビティとの同期を実現する
ことによって、さらにレーザ器の周波数雑音を低減させてレーザ器の線幅狭幅化率を向上
させるとともに、超安定キャビティ位相ロックループのレーザ器の周波数に対する安定的
な制御のため、レーザ器の周波数のドリフトによるモードホッピング現象の発生を回避し
、システムの安定性を向上させる。そのため、本発明の装置は、光ファイバ通信、レーザ
レーダー、工業デバイス加工、医療などの分野に安定的な狭線幅レーザ源を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の装置の具体的な構造概略図である。
本発明の装置のｓ領域モデルブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明をより具体的に記述するために、以下では、図面及び発明を実施するための形態
を結び付けながら本発明の技術案を詳細に説明する。
（【００１１】以降は省略されています）

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