JP5773328B2 - レーザ装置における電気光学変調器の調整方法、及びレーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、信号光の一部を電気光学変調器により切り出してパルス光を出力するレーザ装置、及びこのようなレーザ装置における電気光学変調器の調整方法に関する。

信号光の一部を電気光学変調器により切り出してパルス光を出力するレーザ装置は、顕微鏡や形状測定装置、露光装置などに好適な光源として知られている（例えば、特許文献１を参照）。電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro Optic Modulator）は、ＬiＮbＯ₃（ニオブ酸リチウム）のような強誘電体材料の電気光学効果を利用して、入力光の位相や振幅等を電気信号により変調して出力する光変調器である。入力光の振幅すなわち光強度を変調する強度変調器として、マッハツェンダ型のＥＯＭが広く用いられている。

マッハツェンダ型のＥＯＭは、マッハツェンダ干渉計を構成する２本の光路の屈折率を変化させ、各光路を通る光に位相差を生じさせて、出力光の強度を変化させるように構成される。そのため、両光路に印可する電圧を制御することにより、電気光学変調器に入射する光を高速でオン／オフ制御することができ、例えばオン時間が１０ｎsec程度の信号光から１ｎsec程度を切り出してパルス光を出力するように構成ことができる（例えば、特許文献２を参照）。

特許第４２３２１３０号公報 再公表特許ＷＯ２００２／０９５４８６号公報

上記のように入射光をオン／オフするような電気光学変調器では、入射光が出射されない状態（オフ状態）にするためにバイアス電圧を制御する必要がある。例えば、マッハツェンダ型の光変調器のように干渉を利用した電気光学変調器では、干渉計を構成する２本の光路の光路長差を一定に保つため、バイアス電圧を制御する必要がある。光路長差を一定に保つバイアス電圧は時間的に変化するため、高い消光比を維持するためにはバイアス電圧を適宜調整する必要がある。

そのため、従来では電気光学変調器から出力されたパルス光を高速のディテクタで検出し、オシロスコープ等でパルス波形を観察しながら消光比が最大となるようにバイアス電圧を調整するバイアス調整作業を定期的に行っていた。上記のようなバイアス調整作業は煩雑であり改善が求められていた。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、煩雑な電気光学変調器のバイアス調整作業を改善可能な手段を提供することを目的とする。

本発明を例示する第１の態様は、信号光を出力する信号光源と、信号光源から出力された信号光を増幅する光増幅器（例えば、実施形態におけるファイバ光増幅器２１）と、光増幅器により増幅された信号光の一部を切り出してパルス光を出力する電気光学変調器とを備えたレーザ装置における電気光学変調器の調整方法である。この調整方法は、光増幅器において発生するＡＳＥ光を含む光から電気光学変調器の出射側に設けた分離素子によりＡＳＥ光を分離し、分離素子により分離されたＡＳＥ光をＡＳＥ光検出器により検出し、このＡＳＥ光検出器により検出されるＡＳＥ光の強度が最小になるように、電気光学変調器のバイアス電圧を調整する。

本発明を例示する第２の態様はレーザ装置である。このレーザ装置は、信号光を出力する信号光源と、信号光源から出力された信号光を増幅する光増幅器（例えば、実施形態におけるファイバ光増幅器２１）と、光増幅器により増幅された信号光の一部を切り出してパルス光を出力する電気光学変調器と、電気光学変調器の出射側に設けられ、光増幅器において発生するＡＳＥ光を含む光からＡＳＥ光を分離する分離素子と、分離素子により分離されたＡＳＥ光を検出するＡＳＥ光検出器と、電気光学変調器の作動を制御するＥＯ制御部とを備え、ＥＯ制御部が、ＡＳＥ光検出器により検出されるＡＳＥ光の強度が最小になるように、電気光学変調器のバイアス電圧を調整するように構成される。

なお、前記電気光学変調器は、マッハツェンダ型の光強度変調器とすることができる。また、前記ＥＯ制御部は、電気光学変調器により切り出すパルス光の切り出し時間よりも長い時間幅におけるＡＳＥ光の平均パワーが最小になるように、電気光学変調器のバイアス電圧を調整するように構成することができる。なお、前記ＡＳＥ光検出器は信号光と異なる波長のＡＳＥ光を検出するように構成することができる。また、前記光増幅器はイットリビウムをレーザ媒質とするイットリビウム・ドープ・ファイバ光増幅器であり、前記信号光の波長は１．０６μｍ帯、前記ＡＳＥ光検出器が検出するＡＳＥ光の波長は１．０３μｍ帯とすることができる。

本発明は、電気光学変調器のバイアス電圧調整に、光増幅器において不可避的に発生するＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光を利用する。励起状態にある光増幅器では、信号光が入射していないときにも上位順位から下位順位への遷移が発生し、この緩和過程で自然放出光が発生する。自然放出光は光増幅器自身によって増幅され広帯域のＤＣノイズ的なＡＳＥ光が出力される。そのため、電気光学変調器を透過してくるＡＳＥ光の強度が最小になるように電気光学変調器のバイアス電圧を調整することで、高速のディテクタやオシロスコープ等を用いることなく、容易に電気光学変調器のバイアス電圧を最適化することができる。

従って、第１の態様の電気光学変調器の調整方法によれば、煩雑な電気光学変調器のバイアス調整作業を改善して容易に最適化が可能なバイアス調整手法を提供することができる。

また、第２の態様のレーザ装置によれば、煩雑な電気光学変調器のバイアス調整作業を廃し、消光比が高い綺麗な短パルス光を出力するレーザ装置を提供することができる。さらに、光増幅器から出力された増幅光を電気光学変調器により切り出す構成のため、パルス光の前後に付帯するＡＳＥ光を削除することができ、ＳＮ比が高く波形が綺麗なパルス光を出力することができる。

本発明の適用例として示すレーザ装置の概要構成図である。 電気光学変調器に印可する電圧と電気光学変調器を透過するＡＳＥ光のパワーとの関係を示すグラフである。 電気光学変調器に入射する光の様子を示す模式図である。 電気光学変調器により切り出されて出射する増幅短パルス光の様子を示す模式図である。（ａ）は電気光学変調器に印可するバイアス電圧が最適バイアス電圧からずれた状態のとき、（ｂ）はバイアス電圧が最適バイアス電圧に調整設定された状態を示す。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。図１に本発明を適用したレーザ装置ＬＳの概要構成図を示す。レーザ装置ＬＳは、大別的に、信号光を出力する信号光発生部１０と、信号光発生部から出力された信号光を増幅して出射する増幅部２０と、信号光発生部１０及び増幅部２０の作動を制御する制御装置５０とを備えて構成される。

信号光発生部１０は、信号光を発生する信号光源１１を主体として構成される。信号光源１１は、レーザ装置ＬＳの用途及び機能に応じて適宜な波長帯域の光源を用いることができる。本構成形態においては、波長１０６４ｎｍの信号光を出力可能なＤＦＢ半導体レーザを用いた構成を例示する。ＤＦＢ半導体レーザは、出力光のパルス波形を高速で制御することができ、また温度制御することにより所定の波長範囲で狭帯域化された単一波長のパルス光を出力させることができる。信号光源１１により発生され信号光発生部１０から出力された信号光は増幅部２０に入力され、ファイバ光増幅器２１に入射される。

増幅部２０は、信号光源１１から出力された信号光を増幅して出力するファイバ光増幅器２１を主体として構成される。波長１０６４ｎｍの信号光を増幅するファイバ光増幅器として、１０００〜１１００ｎｍの波長帯域に利得を有するイッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）が好適に用いられる。ファイバ光増幅器２１は、コアにイッテルビウム（Ｙｂ）がドープされた増幅用光ファイバ２１ａと、Ｙｂを励起する励起光源２１ｂと、励起光源から出射された励起光を増幅用光ファイバ２１ｂに導く導光用光ファイバ２１ｃと、導光用光ファイバ２１ｃとを増幅用光ファイバ２１ａに結合するＷＤＭカプラ２１ｄなどから構成される。

ファイバ光増幅器２１の出射側には、ファイバ光増幅器２１により増幅されて出射する信号光の一部を切り出してパルス光を出力する電気光学変調器（ＥＯＭ）２５が設けられている。本構成例の電気光学変調器２５はマッハツェンダ型の光変調器であり、制御装置５０に設けられたＥＯ制御部５５により作動が制御される。

制御装置５０は、信号光源１１やファイバ光増幅器２１（励起光源２１ｂ）、電気光学変調器２５を含むレーザ装置全体の作動を制御するコントロールユニットである。制御装置５０には、詳細図示を省略するが、レーザ装置ＬＳの制御プログラムや各種パラメータが格納された記憶部、制御プログラムに基づいて演算処理を実行する演算処理部、ＥＯ制御部５５を例示するように各部を駆動するドライバなどが設けられている。また、レーザ装置のオペレータが操作するキーボードや各種のスイッチ類、制御プログラムの実行状態や各種アラーム等を表示する表示パネルやランプ類などが操作盤に設けられている。

本構成形態では、制御装置５０は、信号光源１１から繰り返し周波数２ＭＨｚ、ＯＮ時間が１０ｎsec程度のパルス状の信号光Ｓpを出射させ、これをファイバ光増幅器２１により増幅させる。そして、増幅されたパルス状の信号光Ａpをファイバ光増幅器２１の出射側に設けた電気光学変調器２５により１ｎsec程度を切り出し、ＯＮ時間が短いパルス光（以下、便宜的に「増幅短パルス光」という）Ｌpを出力するように制御する。

電気光学変調器２５は干渉を利用した光強度変調器であるため、増幅短パルス光Ｌpのオフ時に信号光が漏れ出ないようにバイアス電圧を設定する必要がある。特にマッハツェンダ型の電気光学変調器は、干渉計を構成する２本の光路の光路長差を一定にする（位相差を１／２波長にする）バイアス電圧が時間的に変化して消光比が変化する。このため、高い消光比を維持するためには、バイアス電圧を適宜調整する必要がある。

レーザ装置ＬＳでは、電気光学変調器２５のバイアス電圧調整に、ファイバ光増幅器２１で不可避的に発生するＡＳＥ光を利用する。ファイバ光増幅器２１で発生するＡＳＥ光は、ＹＤＦＡの利得帯域である１０００〜１１００ｎｍの波長に広く分布したＤＣノイズ的な光である。但し、信号光のオン／オフ状態に影響されずにＡＳＥ光を検出するためには、信号光と分離可能な波長であることが好ましい。また、ＡＳＥ光のパワースペクトルはＹＤＦＡのゲイン分布に比例するため１０３０ｎｍ付近のパワーが最も高くなる。

レーザ装置ＬＳでは、電気光学変調器２５の出射側に、波長１０３０ｎｍの光を検出するＡＳＥ光検出器２７を設け、ＥＯ制御部５５が、ＡＳＥ光検出器２７により検出される波長１０３０ｎｍのＡＳＥ光の強度が最小になるように、電気光学変調器２５のバイアス電圧を調整する。

具体的には、電気光学変調器２５の出射側に、波長１０６４ｎｍの光（増幅短パルス光Ｌｐ）を透過し波長１０３０ｎｍの光（ＡＳＥ光）を反射するダイクロイックミラーまたはＷＤＭカプラ等の分離素子２６を設け、分離素子２６により分離されたＡＳＥ光をＡＳＥ光検出器２７により検出する。ＡＳＥ光検出器２７は、波長１０３０ｎｍを含む赤外領域に検出感度を有するものであれば良く、時定数が比較的長い（例えばｍsecオーダの）光検出器を用いることができる。このような光検出器によって検出されるＡＳＥ光の強度は、電気光学変調器により切り出されるパルス光の切り出し時間（ｎsecオーダ）よりも長い時間幅におけるＡＳＥ光の平均パワーを検出することになる。ＡＳＥ光検出器２７の検出信号はＥＯ制御部５５に入力される。

ＥＯ制御部５５は、演算処理を行う処理回路５５ａ、電気光学変調器２５に印可するバイアス電圧（ＤＣバイアス電圧）を調整するバイアス調整回路５５ｂ、電気光学変調器２５をオン／オフ駆動するＥＯドライバ５５ｃなどから構成される。処理回路５５ａは、バイアス調整回路５５ｂにより電気光学変調器２５に印可するバイアス電圧を変化させ、ＡＳＥ光検出器２７により検出されるＡＳＥ光の強度が最小になるバイアス電圧（「最適バイアス電圧」という）を導出する。バイアス調整回路５５ｂは、処理回路５５ａにより導出された最適バイアス電圧に基づき、電気光学変調器２５に印可するバイアス電圧を調整設定する。

図２に、電気光学変調器２５に印可するＤＣ電圧Ｖiと、電気光学変調器２５を透過するＡＳＥ光のパワーＰaseとの関係を示す。図のように、電気光学変調器２５を透過するＡＳＥ光のパワーＰaseは、電気光学変調器２５に印可するＤＣ電圧Ｖiの増減に対して正弦波状に変化する。そのため、ＡＳＥ光検出器２７により検出されるＡＳＥ光のパワーＰaseが低い領域でＤＣ電圧Ｖiを変化させ、ＡＳＥ光のパワーＰaseが最小値となるＤＣ電圧を求めることにより、最適バイアス電圧Ｖoptを導出することができる。

図３に、電気光学変調器２５に入射する光の様子を模式的に示し、図４に、電気光学変調器２５により切り出されて出射する増幅短パルス光Ｌpの様子を模式的に示す。両図における横軸は時間、縦軸は光強度である。なお、図４における（ａ）は電気光学変調器２５に印可するバイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptからずれた状態のとき、（ｂ）はバイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptに調整設定された状態を示す。また、各図では、理解容易のためにＡＳＥ光や透過する信号光を誇張して表現している。

図３に示されるように、ファイバ光増幅器２１から出射し電気光学変調器２５に入射する光は、ファイバ光増幅器２１により増幅された信号光Ａp及びファイバ光増幅器２１で発生したＡＳＥ光が含まれる。信号光のパルスエネルギーが十分小さい場合には、ファイバ光増幅器２１への信号光の入射による利得の低下はほとんど見られず、ＡＳＥ光のパワーは信号光の有無によらずほぼ一定レベルとなる。

そのため、電気光学変調器２５から出力される光は、電気光学変調器２５に印可するバイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptからずれた状態では、図４（ａ）に示されるように、電気光学変調器２５をオフにしたときにも信号光及びＡＳＥ光を十分に遮断することができず、これらが漏れ光として出射される。一方、バイアス電圧が最適バイアス電圧Ｖoptに調整設定された状態では、図４（ｂ）に示されるように、電気光学変調器２５をオフにしたときに信号光及びＡＳＥ光が十分に遮断され、漏れ光はほとんど生じない

従って、ＡＳＥ光を分離素子２６により分離し、分離されたＡＳＥ光のパワーＰaseが最小値となる最適バイアス電圧Ｖoptに設定することにより、信号光や増幅短パルス光のオン／オフ状態の如何に拘わらず、電気光学変調器２５のバイアス調整を行うことができ、漏れ光が生じない状態に設定することができる。なお、ＡＳＥ光と信号光の波長の違いにより、バイアス電圧の最適値にわずかな差が生じる場合には、あらかじめその差を測定しておき、補正するようにすれば良い。電気光学変調器２５のバイアス調整は、使用する電気光学変調器２５のバイアス電圧の変化状況等に応じて適宜行うように構成することができ、例えば、レーザ装置ＬＳの起動時、あるいは稼働中の所定時間ごとに実行し、あるいは、オペレータの調整指示操作に基づいて実行するように構成することができる。

従って、以上説明した電気光学変調器の調整方法及びレーザ装置ＬＳによれば、高速のディテクタやオシロスコープ等を用いることなく、容易に電気光学変調器２５のバイアス電圧を最適化することができる。そして、時間的なオン／オフのＳＮ比が高く、綺麗な波形の増幅端パルス光を出力するレーザ装置を提供することができる。

なお、以上の説明では、光増幅器としてイッテルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＹＤＦＡ）を用いた構成を例示したが、信号光の波長や光増幅器の形態は異なるものであっても良く、例えば、エルビウム・ドープ・ファイバ光増幅器（ＥＤＦＡ）や、バルクの増幅媒体を用いた光増幅器などであっても良い。また、電気光学変調器２５から出力された増幅短パルス光を波長変換する波長変換部を設け、例えば波長１９３ｎｍの短パルス光を出力するようにレーザ装置を構成しても良い。

ＬＳ レーザ装置
１０ 信号光発生部
１１ 信号光源
２０ 増幅部
２１ ファイバ光増幅器
２５ 電気光学変調器
２６ 分離素子
２７ ＡＳＥ光検出器
５０ 制御装置
５５ ＥＯ制御部
Ｓp 信号光源から出力された信号光
Ａp ファイバ光増幅器により増幅された信号光
Ｌp 電気光学変調器により切り出されたパルス光（増幅短パルス光）

Claims (6)

1. 信号光を出力する信号光源と、前記信号光源から出力された信号光を増幅する光増幅器と、前記光増幅器により増幅された信号光の一部を切り出してパルス光を出力する電気光学変調器とを備えたレーザ装置における前記電気光学変調器の調整方法であって、
   前記光増幅器において発生するＡＳＥ光を含む光から前記電気光学変調器の出射側に設けた分離素子によりＡＳＥ光を分離し、
   前記分離素子により分離されたＡＳＥ光をＡＳＥ光検出器により検出し、
   前記ＡＳＥ光検出器により検出されるＡＳＥ光の強度が最小になるように、前記電気光学変調器のバイアス電圧を調整することを特徴とする電気光学変調器の調整方法。
2. 信号光を出力する信号光源と、
   前記信号光源から出力された信号光を増幅する光増幅器と、
   前記光増幅器により増幅された信号光の一部を切り出してパルス光を出力する電気光学変調器と、
   前記電気光学変調器の出射側に設けられ、前記光増幅器において発生するＡＳＥ光を含む光からＡＳＥ光を分離する分離素子と、
   前記分離素子により分離されたＡＳＥ光を検出するＡＳＥ光検出器と、
   前記電気光学変調器の作動を制御するＥＯ制御部とを備え、
   前記ＥＯ制御部が、前記ＡＳＥ光検出器により検出されるＡＳＥ光の強度が最小になるように、前記電気光学変調器のバイアス電圧を調整するように構成したことを特徴とするレーザ装置。
3. 前記電気光学変調器がマッハツェンダ型の光変調器であることを特徴とする請求項２に記載のレーザ装置。
4. 前記ＥＯ制御部は、前記パルス光の切り出し時間よりも長い時間幅におけるＡＳＥ光の平均パワーが最小になるように、前記電気光学変調器のバイアス電圧を調整するように構成したことを特徴とする請求項２または３に記載のレーザ装置。
5. 前記ＡＳＥ光検出器は、前記信号光と異なる波長のＡＳＥ光を検出することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のレーザ装置。
6. 前記光増幅器はイットリビウムをレーザ媒質とするイットリビウム・ドープ・ファイバ光増幅器であり、前記信号光の波長は１．０６μｍ帯、前記ＡＳＥ光検出器が検出するＡＳＥ光の波長は１．０３μｍ帯であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のレーザ装置。

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