专利名称：固态激光器和光发射机的制作方法
技术领域：
本发明涉及小型固态激光器和使用固态激光器的光发射机。
伴随光传送容量的急剧扩大，在波分复用光传送中光的复用数急剧增加。确保波长复用数的方法现在是通过按照所有的复用数排列半导体激光器实现(例如，鸟羽弘，0 plus E,vol.21,No.8,pp.965-974)。但是，如果今后复用数继续增加，则从成本的观点、装置大小的观点、波长精密控制的必要性的观点等考虑，需要替代装置。
在波分复用光传送中的课题有，减少光源数，降低成本和装置的小型化，还有易于波长的控制。
为了解答此课题在本发明中使用脉冲宽度在1ps以下的超短脉冲固态激光器作为光发射机的光源。超短脉冲固态激光器因为具有宽的光谱，所以可以从1台激光器中取出在波分复用光传送中所需要的许多波长成分。各通道的波长成分因为可以从超短脉冲固态激光器的输出中通过被动元件取出，所以波长控制变得容易。其结果带来成本减小和装置的小型化，为了把超短脉冲固态激光器作为波分复用光传送的多波长光源使用，需要用和光传送速率一致的速率输出脉冲列。在干线系统中的光传送中通常以2.4GHz或者10GHz的速率传送，而一般的超短脉冲固态激光器以100MHz的重复速率输出脉冲列。超短脉冲激光器也得到了改进，最近可以实现1.2GHz的重复速率，但还需要更高的重复速率。针对此必要性在本发明中制成了只由增益介质，和具有和其相反的波长依赖性的固体材料或者线性调频脉冲镜这二者构成的谐振器，以此谋求小型化，实现高重复化。当使固态激光器超短脉冲动作时，需要把谐振器内的色散值设定为适当的值，以及把在增益介质中的谐振模的最小射线直径设定为适当的值，而且可以通过与色散值有关地调整固体材料的种类和长度或者调整线性调频脉冲镜的线性调频脉冲量进行设定，可以通过与最小射线直径有关地调整对增益介质或者固体材料实施的曲面研磨的曲率进行设定。
参照附图，结合本发明优选实施例的详细描述，本发明的这些和其他的目的、特征和优点将会更加明显。
图1是展示涉及本发明的实施例1的固态激光器的构成例之一的图。
图2是展示涉及本发明的实施例1的固态激光器的构成例之一的图。
图3是展示涉及本发明的实施例1的固态激光器的构成例之一的图。
图4是放大图1、2、3的谐振器部分，表示振荡光的光轴的图。
图5是展示涉及本发明的实施例2的固态激光器的构成例之一的图。
图6是展示涉及本发明的实施例2的固态激光器的构成例之一的图。
图7是展示涉及本发明的实施例2的固态激光器的构成例之一的图。
图8是展示涉及本发明的实施例3的固态激光器的构成例之一的图。
图9是展示涉及本发明的实施例3的固态激光器的构成例之一的图。
图10是展示涉及本发明的实施例4的固态激光器的构成例之一的图。
图11是展示涉及本发明的实施例4的固态激光器的构成例之一的图。
图12是展示涉及本发明的实施例5的固态激光器的构成例之一的图。
图13是展示涉及本发明的实施例5的固态激光器的构成例之一的图。
图14是展示涉及本发明的实施例5的固态激光器的构成例之一的图。
图15是展示涉及本发明的实施例5的固态激光器的构成例之一的图。
图16是展示本发明的实施例5中的时分复用器550的构成例之一的图。
图17是展示本发明的实施例5中的时分复用器550的构成例之一的图。
图18是展示本发明的实施例5中的时分复用器550的构成例之一的图。
(实施例1)在图1中示出了本实施例的构成。谐振器由增益介质10和与之色散波长依赖性相反的固体材料20这二者构成。增益介质10和固体材料20的相互不相对的面11以及21对于振荡光的波长，被涂敷到具有反射率为99.9％的程度，构成谐振器的端面镜。在作为增益介质10使用了Cr:YAG晶体的情况下，振荡光在1.5μm附近，作为与之搭配的固体材料20的适宜材料，有代表性的是在其波长区域中表示负色散特性的合成石英。除了合成石英外，也可以使用各种玻璃材料。一般把作为增益介质10使用如Cr:YAG晶体那样的固体材料的情况下的激光器称为固态激光器，尤其是在增益介质是Cr:YAG晶体的情况下称为Cr:YAG激光器。作为增益介质除了Cr:YAG晶体之外，可以利用Ti:Al2O3晶体、Cr:LiSrAlF6晶体、Cr:Mg2SiO4晶体、Yb:YAG晶体、Yb:Ca4GdO(BO3)3晶体、Yb玻璃、Nd玻璃等可以克尔透镜模同步的所有固态激光器的增益介质。和增益介质10成一对的固体材料20的种类必须相对各个增益介质考虑色散特性来加以选择。
为了得到稳定的谐振器一般需要在谐振器内的要素上配置透镜或者凹面镜以聚集振荡光的射线。在本实施例中通过把固体材料20面对增益介质10的面22研磨成曲面使其具有透镜的功能得到稳定谐振器。如果把射线的直径确定为在射线的中心强度为1/e2的情况下的直径，则设计面22的曲率使得在增益介质内的面11上的射线直径2w在0.1mm以下。在Cr:YAG激光器的情况下，典型地确定为2w为70μm。曲面22涂敷对于振荡波长为透射率99.9％的抗反射涂层(Antireflection Coating:AR涂层)。增益介质10是长度为18mm的Cr:YAG晶体，在固体材料20是合成石英的情况下，合成石英的长度从10mm到20mm比较合适，在面11和面12的间隔从0mm到10mm时，面22的曲率半径从2mm到4mm较为合适。
增益介质10和固体材料20相对的面12进行平面研磨，而且研磨角度有3种选择。第一种是相对振荡光研磨成布儒斯特(Brewster)角(参照图4。如果假设增益介质的折射率为ngain，则tanθgain=ngain)，这种情况下相对图1纸面内的偏振光(p偏振光)反射率理论上为0，在面12上的损失几乎可以为0。第二种是把面12研磨成对于振荡光的传播方向垂直(θgain=0)，这种情况下为了抑制在面12上的反射，相对振荡光进行无反射涂敷。第3种是相对上述的垂直研磨偏离几度(θgain≠0)，可以抑制垂直研磨引起的多重反射的效果。另外因为在垂直研磨时转动不对称所以可以使振荡光的偏振波稳定。这种情况下因为也在面12上产生反射所以实施无反射涂敷。在第一和第三种情况下由于面12上的折射而失去旋转对称性，所以在子午面(切向面)内和球缺面(弧矢面)内谐振器在稳定条件上产生差异。在此切向面表示图1的纸面，弧矢面表示与之垂直的面。为了补偿该差，需要产生象散使振荡光不垂直入射到固体材料20的曲面22上。相对该垂直方向的偏离角度(图4的θFS)，在使用长度18mm的Cr:YAG晶体，面22的曲率是3mm,θgain是布儒斯特(Brewster)角的情况下，θFS＞20度，在θgain是18度的情况下，θFS变为10度。
激发上述的激光谐振器是通过把来自激发光源30的激发光导入增益介质10实现。该激发光通过聚光透镜40把焦点聚集在增益介质10的面11上。激发光源30和面11之间距离的确定和聚光透镜40焦点距离的确定，在进行超短脉冲振荡的情况下特别重要。这种情况下设计成在面11上的激发光的射线直径比谐振器模的射线直径还小。设置成面11的涂敷对振荡光产生高反射(例如99.9％)，但对于激发光变为无反射(希望反射率零，但在实际中有5％左右的反射)。激发光源可以使用半导体激光器、固态激光器、气体激光器等。在增益介质10是Cr:YAG晶体的情况下，激发光的波长最好在1.05μm附近，作为激发光源除了半导体激光器之外，Nd:YAG、Nd:YVO4、Nd玻璃、Nd:YLF激光器等比较适合。
从谐振器取出光输出的方法有3种。第一种方法如图1所示是从面21取出的方法。这种情况下，面21的涂层是使一部分透过的反射涂层。最佳的透射率因所使用的增益介质的不同而不同，在百分之几以下。Cr:YAG激光器的情况下使用0.5％的透射率。
第二种方法如图2所示从面11取出输出，这种情况下，面21的涂层是对于振荡光使一部分透过的反射涂层。最佳的透射率因所使用的增益介质的不同而不同，在百分之几以下。在Cr:YAG激光器的情况下，使用0.5％的透射率。面21进行高反射涂敷。从面11取出的输出光因为和激发光通过同一光路，所以需要用分色镜50从激发光的光路中分离出。分色镜是使激发光透过反射输出光的镜面。从面11输出的输出光在面11上变为最小射线直径，输出后的射线直径逐渐扩大。因而，把分色镜50作成凹面镜有利于使输出光成为平行光。这种情况下，分色镜50对于激发光起到了凹面镜作用，考虑到这一点需要选择聚光透镜40。凹面镜50因为相对激发光的光轴不垂直所以产生象散。该象散，如特愿平12-34306所揭示的那样，通过使聚光透镜40以凹面镜50的倾斜方向或者与其相反的方向倾斜就可以补偿。
第三种方法如图3所示，当通过研磨面12仅使其稍微偏离布儒斯特(Brewster)角的情况下，或者研磨面12使其相对垂直方向具有一定角度，在抗反射涂敷中稍微具有反射成分的情况下，把面12作为输出耦合器。这种情况下，面11和面12对于振荡光进行高反射涂敷。
(实施例2)在实施例1中，通过把增益介质10研磨成平面，把固体材料20的一个面22研磨成曲面形成具有透镜功能的谐振器的稳定区域。相反，平面研磨固体材料120，曲面研磨增益介质110的一个面112也可以形成稳定的谐振器。展示它们的是图5、6、7。和图1、2、3一样根据输出光的取出方法不同展示了3个图。固体材料120的面122的研磨角度和实施例1一样，有布儒斯特(Brewster)角度，垂直研磨，偏离垂直方向角度的研磨。增益介质110的曲面112的曲率半径，在Cr:YAG激光器的情况下，例如如果设增益晶体长18mm，作为固体材料120的合成石英13mm，重复速率2.4GHz，则只要取半径6mm即可。该曲率半径比实施例1约大2倍。如此确定曲率半径使得在增益晶体110的面111上的射线直径为最佳。在实施例2中因为采用曲面的透镜位置与实施例1相比接近面111，所以不需要比实施例1焦点距离短的透镜，能够增大面111的曲率半径。这种情况下，具有球面象差减小、曲面研磨容易等的效果。
除此之外，涂敷的方法、谐振器内象散的修正方法、分色镜150的样式、聚光透镜140的样式等和实施例1的情况一样。
(实施例3)在实施例1、2中通过曲面研磨增益介质或者固体材料的相互相对的面之一，形成具有透镜功能的谐振器的稳定区域。在本实施例中如图8、9所示曲面研磨增益介质210以及固体材料220两者的相互相对的面212、222形成稳定的谐振器。通过在谐振器内设置2个曲面部分就可以减轻球面像差。输出光的取出方法有2种，从固体材料220的面221取出的情况下是图8，从增益介质210的面211取出的情况下是图9。各面的涂敷方法和实施例1、2相同。图9的情况和实施例1、2一样用分色镜250使输出光反射。当在分色镜250中使用凹面镜的情况下，为了补偿激发光象散使聚光透镜240倾斜。
在图8、9中，都在谐振器内转动变为对称。在转动对称的情况下存在振荡光的偏振波不稳定的现象，但和实施例1、2一样如果使振荡光的光轴偏离谐振器的转动中心轴就可以失去转动对称性，使偏振波稳定。
(实施例4)在实施例1、2、3中以增益介质和具有与之相反波长依赖性的固体材料为一对形成谐振器，通过调整固体材料的长度把谐振器内的色散值设定为预定值。在本实施例中代替固体材料，使用在反射时产生色散的线性调频脉冲镜(chirped mirror)(图10、11)。使用了线性调频脉冲镜的固态激光器的例子可以在本申请发明者的申请(特开平11-168252)中看到。线性调频脉冲镜用电介质或者半导体的多层膜形成，是通过一点点地使层厚度变化伴随色散的镜(例如，N.Matuschek,F.X.Krtner,and U.Keller,IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.35,No.2,pp.129-137(1999))。色散的符号、大小在层厚度的控制中可以设定成任意的值，对照增益介质的色散值设计。为了形成稳定的谐振器在谐振器内需要具有透镜功能，而这是通过曲面研磨增益介质310的面312实现的。输出光的取出方法有2种，从线性调频脉冲镜一侧取出的方法是图10，从增益介质一侧取出的方法是图11。在后者的情况下使用分色镜350，而方法和实施例1、2、3一样。图10、11的谐振器内转动对称，存在偏振波不稳定的现象，但和实施例3一样通过使振荡光的光轴偏离转动对称轴就可以破坏对称性使偏振波稳定。
可以克尔透镜模同步的固态激光器可以自发地进行超短脉冲振荡，但如果在谐振器内制作可饱和吸收层则超短脉冲振荡更加稳定。
可饱和吸收层因为具有在光强度强时透射率高，在光强度低时透射率小的性质，所以在脉冲部分存在光的部分中透射率高，在不存在光的地方透射率下降，有增强脉冲振荡的作用。可饱和吸收层也可以用半导体制作(例如，U.Keller,K.J.Weingarten,F.X.Kartner,D.Kopf,B.Braun,I.D.Jung,R.Fluck,C.Honninger,N.Matuschek,and J.A.derAu,IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,Vol.2,No.3,pp.435-453(1996))，如果在线性调频脉冲镜360的线性调频脉冲镜涂层上叠层可饱和吸收层，即，如果把线性调频脉冲镜的构造设置为伴随有色散的多层膜反射涂层和可饱和吸收层的叠层构造，则可以制作稳定的超短脉冲固态激光器。
(实施例5)
超短脉冲固态激光器具有宽的光谱，如果以每一波长切出则可以作为波分复用光传送用的多波长光源使用。以方框图具体展示它的是图12。光传送因为通常使用1.5μm的波长，所以适用于该传送的固态激光器是Cr:YAG激光器。固态激光器510的输出，被导入由衍射光栅和波导型衍射光栅(例如，A,Kaneko,T.Goh,H.Yamada,T.Tanaka,and I.Ogawa,IEEE.Journal of Selected Topics in QuantumElectronics,Vol.5,No.5,pp.1227-1236(1999))组成的分波器520分离为各自波长。被分离的各自波长成分被导入各自的调制器530中搭载信号。被调制的各波长成分由用衍射光栅和波导型光栅组成的合波器540合波后传送。组合以上的各部分形成光发射机500。
在图12中是由合波器540把各波长成分汇集为一束传送到一个地方，但因网络管理的需要也有按照波长传送到不同地址的情况。这种情况下如图13所示不设置合波器，按照各个波长输出即可。在干线系统的光传送中通常使用2.4GHz或者10GHz的位速率。如果使用实施例1-4中的超短脉冲固态激光器也可以实现那样的位速率，但当谐振器长度使用从10cm到数m的其他固态激光器的情况下，位速率变小。这种情况下如图14、15所示把固态激光器510的输出，输入到具有整数倍放大脉冲重复速率功能的时分复用器550中使位速率增大。从时分复用器550输出后和图12、13一样。
时分复用器550的构成有许多种，有代表性的展示在图16-18中。图16是使用了延迟线的方法，它把输入光分配在2个光路551和552中，其后合波。光路551和552因为光路长度不同所以合波后位速率变为2倍。一对光路553和554、一对光路555和556也具有同样的作用，图15的时分复用器550总体使位速率变为8倍。
图17是使用了线性调频脉冲光纤衍射光栅557的时分复用器550的例子。向时分复用器550输入的输入光通过光循环器被导入线性调频脉冲光纤衍射光栅557。在线性调频脉冲光纤衍射光栅557中和线性调频脉冲光纤一样伴随色散被反射。其后再次返回光循环器从时分复用器输出。在线性调频脉冲光纤衍射光栅557中设定的色散量色散的结果使脉冲宽度扩展，相邻的脉冲重合的程度加大。如果把色散量设定在适当的值则脉冲之间的干涉的结果，使脉冲变换为位速率增大的脉冲列。有关色散量的设定的方法记载在文献(J.Azaa andM.A.Muriel,Optics Letters,Vol.24,No.23,PP.1672-1674(1999))上。
虽然在图17中使用了线性调频脉冲光纤衍射光栅557赋与脉冲列色散，但不一定要使用线性调频脉冲光纤衍射光栅557，只要能赋与规定的色散量任何色散介质558都可以。这种情况展示在图18中。
可以通过对增益介质或者固体材料实施曲面研磨实现透镜的功能，可以实现小型高重复速率的超短脉冲固态激光器。另外，通过把固态激光器用于波分复用光传送的发射机的光源，就可以大幅度减少在发射机中的光源的数量。
虽然结合优选实施例详细描述了本发明，本领域普通技术人员能够理解可以对这些实施例作出各种更改而不会超出后附的权利要求书所确定的本发明的范围和精神。
权利要求
1.一种固态激光器，具有激发光源、聚集从该激发光源输出的激发光的透镜系统、接受被聚集的激发光的输入而激光振荡的激光谐振器，其特征在于该谐振器由增益介质以及色散对波长的依赖性与该增益介质相反的固体材料组成，与该增益介质以及该固体材料的相互面对的面相反一侧的两面被涂敷成具有反射性，该增益介质和该固体材料的相互面对的面的至少一方被研磨成曲面，通过上述被聚集的激发光激发该增益介质，在上述谐振器内形成激光振荡。
2.如权利要求1所述的固态激光器，上述增益介质由Cr:YAG晶体，Ti:AL2O3晶体，Cr:LiSrAlF6晶体，Cr:Mg2SiO4晶体，Yb:YAG晶体，Yb:Ca4GdO(BO3)3晶体，Yb玻璃或者Nd玻璃的某个组成。
3.如权利要求1所述的固态激光器，其特征在于如果把在上述谐振器模在光轴上强度为1/e2的位置处的直径定义为射线直径，则在上述增益介质中的最小射线直径在0.1mm以下。
4.如权利要求1所述的固态激光器，其特征在于上述激发光源是半导体激光器，气体激光器或者固态激光器之一。
5.如权利要求1所述的固态激光器，其特征在于色散对波长的依赖性和上述增益介质相反的上述固体材料是合成石英，玻璃，MgF2，或者CaF2之一。
6.如权利要求1所述的固态激光器，其特征在于在上述增益介质和上述固体材料的相互面对的两个面中，未曲面研磨的面被研磨成相对振荡光成布儒斯特(Brewster)角。
7.如权利要求1所述的固态激光器，其特征在于在上述增益介质和上述固体材料的相互面对的两个面中，未曲面研磨的面被研磨成相对振荡光的传播方向成直角，并且被涂敷成不具备反射性。
8.如权利要求1所述的固态激光器，其特征在于上述增益介质和上述固体材料的相互面对的两个面中未被曲面研磨的面，被研磨成使得从该增益介质或者该固体材料的外侧入射到该面的振荡光的入射角在0度以上90度以下，并被涂敷成不具备反射性。
9.如权利要求1所述的固态激光器，其特征在于上述谐振器的输出光是从上述增益介质以及上述固体材料的相互不面对的面上的透过光，或者在上述增益介质和上述固体材料的相互相对的两个面中的未被曲面研磨的面上的反射光之一或者双方。
10.如权利要求1所述的固态激光器，其特征在于从上述增益介质或者上述固体材料的外侧入射到在该增益介质或者该固体材料中的被曲面研磨的面的振荡光的入射角是0度以上90度以下。
11.一种固态激光器，具有激发光源、聚集从该激发光源输出的激发光的透镜系统、接受被聚集的激发光的输入而激光振荡的激光谐振器，其特征在于该谐振器由增益介质以及色散对波长的依赖性和该增益介质相反的线性调频脉冲镜组成，该增益介质的与该线性调频脉冲镜不面对的面被涂敷成具备反射性，该增益介质的与该镜相对的面被研磨成曲面，通过上述被聚集的激发光激发该增益介质，在上述谐振器内形成激光振荡。
12.如权利要求11所述的固态激光器，其特征在于上述线性调频脉冲镜由电介质或者半导体的多层膜组成。
13.如权利要求11所述的固态激光器，其特征在于上述线性调频脉冲镜具有伴随色散的多层膜反射涂层和可饱和吸收层的叠层构造。
14.如权利要求11所述的固态激光器，其特征在于上述增益介质由Cr:YAG晶体，Ti:AL2O3晶体，Cr:LiSrAlF6晶体，Cr:Mg2SiO4晶体，Yb:YAG晶体，Yb:Ca4GdO(BO3)3晶体，Yb玻璃或者Nd玻璃的某个组成。
15.如权利要求11所述的固态激光器，其特征在于如果把上述谐振器模在光轴上强度为1/e2的位置处的直径定义为射线直径，则在上述增益介质中的最小射线直径在0.1mm以下。
16.如权利要求11所述的固态激光器，其特征在于上述激发光源是半导体激光器，气体激光器或者固态激光器之一。
17.如权利要求11所述的固态激光器，其特征在于上述谐振器的输出光是从上述增益介质的与上述线性调频脉冲镜不相对的面上的透过光，或者从线性调频脉冲镜上的透过光之一或者双方。
18.如权利要求11所述的固态激光器，其特征在于从上述增益介质的外侧入射到该增益介质被曲面研磨的面的振荡光的入射角是0度以上90度以下。
19.一种光发射机，其特征在于包括克尔透镜模同步的固态激光器、把该固态激光器的输出光分波成各波长的分波器、在该被分波后的光上搭载信号的调制器，发送该调制后的光。
20.如权利要求19所述的光发射机，其特征在于上述固态激光器具有激发光源、聚集从该激发光源输出的激发光的透镜系统、由增益介质以及色散对波长的依赖性和该增益介质相反的固体材料组成的激光谐振器，与该增益介质以及该固体材料的相互面对的面相反一侧的两面被涂敷成具备反射性，该增益介质和该固体材料的相互面对的面的至少一方被研磨成曲面，通过上述被聚集的激发光的输入激发该增益介质，在上述谐振器内形成激光振荡。
21.如权利要求19所述的光发射机，其特征在于上述固态激光器具有激发光源、聚集从该激发光源输出的激发光的透镜系统、由增益介质以及色散特性对波长的依赖性和该增益介质相反的线性调频脉冲镜组成的谐振器，该增益介质的与该线性调频脉冲镜不面对的面被涂敷成具备反射性，该增益介质的与该镜面对的面被研磨成曲面，通过上述被聚集的激发光的输入激发该增益介质，在上述谐振器内形成激光振荡。
22.一种光发射机，其特征在于包括克尔透镜模同步的固态激光器、把该固态激光器的输出脉冲列的重复速率放大整数倍的时分复用器、把该时分复用器的输出光分波成各波长的分波器、在该被分波后的光上搭载信号的调制器，发送该调制后的光。
23.如权利要求22所述的光发射机，其特征在于上述固态激光器具有激发光源、聚集从该激发光源输出的激发光的透镜系统、由增益介质以及色散对波长的依赖性和该增益介质相反的固体材料组成的激光谐振器，与该增益介质以及该固体材料的相互面对的面相反一侧的两面被涂敷成具备反射性，该增益介质和该固体材料的相互面对的面的至少一面被研磨成曲面，通过上述被聚集的激发光的输入激发该增益介质，在上述谐振器内形成激光振荡。
24.如权利要求22所述的光发射机，其特征在于上述固态激光器具有激发光源、聚集从该激发光源输出的激发光的透镜系统、由增益介质以及色散特性对波长的依赖性和该增益介质相反的线性调频脉冲镜组成的谐振器，与该增益介质和线性调频脉冲镜不相对的面被涂敷成具备反射性，该增益介质的和该镜相对的面被研磨成曲面，通过上述被聚集的激发光的输入激发该增益介质，在上述谐振器内形成激光振荡。
全文摘要
在波分复用光传送中作为发射机的光源使用超短脉冲固态激光器，用分波器分割宽的光谱分配到各通道中，可以大幅度消减光源的数量。虽然作为发射机在超短脉冲固态激光器的重复速率中要求2.4GHz、10GHz等的高重复，但如图1所示只用两个部件构成谐振器就可以实现高重复。各通道因为从分波器中被动地被生成，所以不需要高精度的波长管理。光源小型，其数量变少。作为整体可以使装置小型化，还降低了成本。
文档编号H01S3/06GK1316809SQ0012867
公开日2001年10月10日 申请日期2000年9月20日 优先权日2000年4月5日
发明者户丸辰也, 荷沃杰·皮泰克 申请人:株式会社日立制作所