JP2000502193A - 光ファイバを側面ポンピングする方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 入力及び出力光結合のためにファイバ端部がアクセス可能な状態を維持しつつファイバの側面から入射させてポンプ光をファイバ中に効果的に光結合させる技法である。この技法は、ファイバの側面に溝部、すなわちマイクロプリズムを製造できるか否かにかかっている。溝部の形状は、光の波長の変数、光源の方位およびファイバ構造に関連する変数に対して効果を及ぼして、ポンプ光を効率的に入射できるようになっている。ファイバの反対側にあってファイバ壁の近傍に置かれたレーザ・ダイオードまたは他の光発射用の適当な手段から発した光はファイバ内を横方向に伝播して溝部の側面に捕捉される。溝部の刻面に衝突する縦方向光線は鏡面反射して外部コアのファイバの水平軸に沿って方向付けされる。溝部に反射コーティングを施すことによって、溝部刻面の反射率は広範囲の入射角に対してほぼ１００％となる。このようにして、外部からの光信号を光ファイバ中に発射することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 光ファイバを側面ポンピングする方法とその装置 発明の背景 発明の分野 本発明は一般的にはファイバ・クラッド部の側面からファイバ導波管中にポン プ光を光結合する技法に関し、特に光ファイバの増幅器とレーザに関する。 従来の技術 光信号を光ファイバ中に発射することは、光ファイバ・システムを設計し、構 築し、採用する科学者や技術者が直面する最も基本的な問題の一つである。ひと たび光ファイバ内を伝播する光信号を処理するとなると、情報や他の信号を送信 するために光ファイバを使用しようとする者にとって同等に難しい問題を提起す る。光ファイバ中を伝播する光信号は、異なる波長の光を同一のファイバ中に発 射したりカップリングさせたりすることによって処理してもよい。 これらのファイバはしばしば、自身の中で符号化された情報のためのポンプと して作用するレーザ光源に光結 合される。光を光ファイバ中にカップリングさせるために用いられる方法として はピグテール法（pigtailing）が好ましい方法である。普通は、約１ｘ３μｍの 放射開口部を持つ単一空間モードの回折制限式レーザ・ダイオードを用いて、効 率的なダイオードからファイバに至る光結合を達成する。ポンプ光は、ファイバ の研磨面に対する近接光結合またはレーザ開口部とファイバ入力面の間に小型の レンズを置くことによってファイバ・コア部中に入射される。このファイバ・ピ グテール・プロセスは、サブミクロン台のアラインメントと、効果的で安定した レーザからファイバに至る光結合を達成するために必要とされる機械的安定性に ために高価なものとなる。 コア部がドーピングされた光ファイバの使用は、光情報信号の送信と増幅のた めの光システムの構築にとっては不可欠である。これらのファイバに別々のイオ ンをドーピングすると、さまざまな波長範囲にわたってファイバ・コア部中に光 伝播の光学利得が発生する。 ドーピングしたファイバ・コア部中を伝播する信号の光学利得は、ポンプ光が 吸収されるために内部コア材料中で反転分布が誘発されると発生する。大多数の システムにとって、ポンプ光は、波長選択されたフューズド・ファイバ・カップ ラーを介して内部コア中に直接に光結合される。しかしながら、ポンプ光をカッ プリングさせ波長分割マルチプレクサを構成するこれらのフューズド・ファイバ ・カップラーは、メカニズムを複雑で高価な ものとする。 現行の技術的開発としては、二重クラッド構造を持つ活性ファイバ構成の使用 がある。二重クラッド構造は、単一モード・ファイバの内部コア、外部コアおよ び外部クラッドから成っている。屈折率は内部コア中で最高となり外部クラッド 中で最小となるので、ファイバの内部コアと外部コアの双方ともが光導波管とし て機能する。二重クラッド構造の重要な特徴は、光は、それが伝播して結局はフ ァイバの内部コア内の活性ドーパントに吸収される外部コア中に入射することが できるということである。 外部コアの屈折率と外部クラッドの屈折率の差は相対的に大きくなっているの で、外部コア導波管の有効開口数（臨界角度）は通常０．３を上回る非常に大き い値となる。外部導波管の直径が大きく開口数が多いことによって、高出力で大 開口数の広範囲レーザまたはレーザ・ダイオード配列からの空間的にインコヒー レントな放出を効果的に光結合させることが可能である。これらのポンプ・レー ザは通常は、１μｍｘ１００μｍというの放出領域から１から２ワット、すなわ ち単一モード・ファイバ中にピグテールされた単一モード・レーザ・ダイオード によって得られる電力の１０倍の電力を発生する。広範囲レーザ・ダイオードの 重要な利点は、その値段がピグテールされた単一モード・レーザ・ダイオードと 比較して約１０倍安いことである。 高出力の二重コア式ファイバ増幅器とレーザは、大活性領域ダイオードを複数 個使用する端部ポンピングによって構築することができる。しかしながら、この 構成ではファイバの両端にアクセスすることができず、そのため光源を配置する 際のフレキシビリティが減少する。二重コア設計のファイバはまた原則として、 ポンプ光を多重モード・ファイバから外部コア中に伝送させながらもファイバの 内部コア中で信号の伝播を妨害しない特殊なタイプのフューズド・ファイバ・カ ップラーを用いて複数の点においてポンピングできる。しかしながら、このポン ピングによって効率が犠牲となり、装置が複雑で高価なものとなる。 発明の概要 本発明の１つの目的は、ポンプ光をポンプ・レーザから光ファイバ導波管中に 効果的に光結合させることにある。 本発明の別の目的は、高出力の光ファイバ増幅器およびファイバ・レーザを実 現するために複数のポンプ・レーザから一本のファイバ中に光を光結合させる手 段を提供することにある。 本発明のさらに別の目的は、空間的にインコヒーレントで大活性領域の高出力 レーザ・ダイオード配列または広域ストライプ・ダイオード・レーザからファイ バ中にポンプ光を効果的に光結合させる手段を提供することに ある。 本発明のさらに別の目的は、波長多重伝送（Wavelength Division Multiplexi ng）ファイバ・カップラーの必要性を消すことである。 本発明のさらに別の目的は、信号光の入力及び出力カップリングのためにファ イバ端部がアクセス可能な状態を維持しつつファイバ側面にポンプ光を入射させ る手段を提供することである。 本発明のさらに別の目的は、より安価なレーザで効果的な光結合を可能とする ことによってシステム全体のコストを下げることにある。 本発明のさらに別の目的は、信号光の入力及び出力カップリングのためにファ イバ端部がアクセス可能な状態を維持しつつファイバ側面に複数のレーザからの ポンプ光を入射させる手段を提供することである。 本書に述べるこれらの目的および他の目的に従って、本発明は、信号光の入力 及び出力カップリングのためにファイバ端部がアクセス可能な状態を維持しつつ 、ファイバ側面にポンプ光をファイバ内に効果的に光結合させる技法に関する。 この技法は、溝部すなわちマイクロプリズムをファイバの側面中に形成できるか 否かにかかっている。溝部の形状は、ポンプ光を効果的に入射できるように、光 波長の変数、光源の方位およびファイバ構造に関する変数に対して効率的なもの となっている。ファイバの反対側でしかもファイバ壁の近傍に位置している 光放出用のレーザ・ダイオードまたは他の適当な手段から発生する光はファイバ 内を横方向に伝播して溝部の側面に衝突する。溝部の刻面に衝突する縦方向光線 は反射されて、外部コアのファイバの水平軸方向に沿って送られる。溝部に反射 コーティングを採用していることによって、溝部刻面の反射率は広範囲の入射角 に対してほぼ１００％となっている。このようにして、外部光信号を光ファイバ 中に発射することができる。 本発明のこれらおよび他の目的、特徴ならびに利点は、全体にわたって同じ参 照符号や記号が同じまたは対応する部品を示し、同時に同等の部品が元の指定を 持つ添付図面を参照してなされる以下の詳細な説明によってよく理解されるだろ う。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による光ファイバの正面図。 図２は、図１を線２−２で切った断面図。 図３は、図１を線３−３で切った側面図。 図４は、図１を線４−４で切った上面図。 図５は、図１を線５−５で切った前端面図。 図６は、複数のレーザから光をポンピングするための１構成の略図。 図７は、複数の光源をクラッド・ファイバに光結合するための１構成の略図。 詳細な説明 添付図面、とくに図１−２を参照すると、光ファイバ１９およびレーザ光源１ ６が示されている。ファイバ１９は内部コア１４，内部コアの回りに配設された 外部コア１２および外部コア１２の回りに配置された外部クラッド１０を持って いる。外部コア１０および外部クラッド１２は、自身上に溝部１８および刻面２ ２を持つ。レーザ光源１６は溝部１８および刻面２２の反対側に配置され、光３ ０を、境界面２０を横切ってファイバ１９中に、さらにこれを横断して内部コア １４および外部コア１２さらに外部クラッド１０に発射する。溝部１８および刻 面２２は、レーザ１６から自身に入射する光が、以下に説明する理由により、鏡 面反射するようなものが選ばれる。 図２は光ファイバの断面図である。屈折率は通常は外部クラッド１０内で最小 であり、内部コア１４内で最大である。外部クラッド１０内の方が屈折率が低い ため、外部コア１２および内部コア１４は光導波管として機能し、光をファイバ １９内部で効果的に伝播させ、これによって外部クラッド１０を通過する際のエ ネルギ損失を最小にする。 図３を参照すると、溝部１８はファイバの外部コア１２および外部クラッド１ ０中に作られていることが分かる。溝部１８は外部クラッド１０を通って外部コ ア１２内に伸張している。広範囲レーザ・ダイオード１６がレ ーザ光源１６となっているが、光３０を有効な波長と強度で送出する光源であれ ば他の光源を用いてもよい。 レーザ光ダイオード１６が、動作すると、ファイバの外部クラッド１０および 外部コア１２を通って溝部１８の刻面付き表面２２上に光３０を送出する。光３ ０はダイオード１６から放出されて、溝部１８の刻面付き表面２２に衝突し、フ ァイバ１９中に鏡面反射する。鏡面反射によって外部コア１２中への反射が最大 となるが、この理由は、鏡面反射によって入射光３０のさらなる発散が最小にな るからである。光３０は、溝部１８の刻面付き表面２２で反射してファイバ１９ の外部コア１２に入射する。このようにして、１８で示されるような溝部を持つ 光ファイバ１９にどのような光信号でも入射させることができる。クラッド付き ファイバ１９を用いるある実施態様では、内部コア１４はＥｒや他のドーパント などの活性媒体を包含することがあるが、このような活性媒体は、波長を適当に 選択すると、内部コア１４中を伝播している光３０を吸収し、Ｅｒを活性化して 、Ｅｒが、内部コア１４中を伝播している他のどんな光信号に対しても増幅器と して機能するようにする。 例えば、外部コア１２の典型的な直径が１２５μｍ、内部コア１４の典型的直 径を１０μｍと仮定する。さらに、溝部１８の角度φを９０度、溝部１８の深さ と幅の最大値をそれぞれ５２．５μｍと１０５μｍと仮定する。これらの数値は 、溝部１８と内部コア１４の間の空隙 を５μｍとし、溝部１８の頂部を内部コア１４の少し上に配置し、これによって 光信号が内部コア１４中を妨げられることなく伝播できるようにするためである 。ファイバ１９の反対側でファイバの外部クラッド１０に近接して置かれたレー ザ・ダイオード１６または他のタイプのポンプ・レーザから発した光３０は、フ ァイバ１６内を横方向に伝播し、溝部１８の側面に突き当たり、鏡面反射して外 部コア１２に入射する。 上記の例証実施態様が屈折率１．５のグラス・ファイバを用いる場合は、全内 部反射に必要な臨界角度は垂直表面に対して４１度であり、空気からガラスに至 る溝部の刻面２４に４５度の角度で入射する垂直光線がすべて反射され、ファイ バの水平軸の方向に送出される。典型的な広領域レーザ・ダイオード１６の場合 、結合面での放射発散角度は、空中で１０度 ＦＷＨＭ またはファイバ１９の内 側で６．６度であるので、ポンプ放出の実質的にすべてが溝部刻面２２で全内部 反射し、これによって非常に高い効率で外部コア１２中に光３０を送出する。外 部コア１２の開口数が０．３の外部コア導波管１２の場合、許容角度は１７．５ 度であり、したがって、レーザ放出の実質的にすべてが外部コア導波管１２に捕 らえられる。溝部刻面２２の反射率は、薄膜反射コーティング５５が溝部表面２ ４に施されていれば広い範囲の入射角に対してほぼ１００％になる。 前述の寸法は単に例示目的の値であるが、実際には、 通常に使用されている光ファイバにとって異常な値ではない。このように、誰に も分かるように、１８で示されるような溝部によって、広領域レーザ・ダイオー ド（すなわち安価なレーザ・ダイオード）からの光が高効率で入射することが可 能である。このことは以下に示す例でも等しく当てはまる。 図４とさらに図３を参照し、さらに、例えば、１．０から２．０Ｗの広領域レ ーザ・ダイオード１６の典型的な放射開口部がが１０μｍで、結合面上での出力 光円錐が、ファイバ１９の断面の反対側で１１２μｍの幅に発散すると仮定する 。１０５μｍ幅の溝部１８の場合、したがって、ポンプ光３０の実質的にすべて が捕獲されてファイバ１９中に光結合される。大きな外部コア直径を持つファイ バを用いれば、溝部の幅を大きくできる。もちろん、希望とあれば、レーザ・ダ イオード１６とファイバ１９の間にレンズを置いてビームの発散を減少させたり 、レーザ放出開口部の縮小画像を溝部上に投影することが可能である。レーザ１ ６はまた図３に示すように方位付けしたり９０度だけ回転させて、放出領域が溝 部１８の頂部に平行になるようにすることも可能である。 図５を参照すると、上記の例と同様の考慮が、結合部２０に直角な面（すなわ ち図５のページに直角な面）にも当てはまるが、この場合はレーザ・ダイオード 放出領域２１は約１μｍであり、ポンプ光３０は図３の場合よ りはるかに速く発散するが、空気中での典型的な発散角度は４０度であり、ガラ ス中では２５度である。レーザ・ダイオード１６がファイバ壁１０に近接して置 かれている場合、放射は、ファイバの直径の長さだけ伝播すると約５０μｍだけ 広がる。溝部１８の全長は通常は頂部では１００μｍであるので、この面上での ビームの広がりは十分小さく、ポンプ光３０の実質的にすべてが溝部の刻面２２ によって捕獲される。 円筒形のファイバから空気への境界面９９は、レーザ・ダイオード機能部に直 角な面を伝播している光３０を平行にしたり焦点合わせしたりするのに用いるこ とが可能なレンズ効果を持つ。例えば、屈折率が１．５であるグラス・ファイバ の場合、ファイバの半径をＲとした時に、円筒形レンズの有効焦点距離は１／３ Ｒで与えられる。ファイバの外径が１２５μｍの場合、これは焦点距離２１μｍ に相当する。光は、ファイバ側壁１０から約２１μｍのところに置かれたレーザ ・ダイオードの小面によって平行化されるが、この距離がさらに大きいとビーム が発散する結果となる。 ドーピングしたファイバの内部コアを用いる実施態様では、ポンプ光３０は外 部コア１２に入射し、その中を、ファイバ内部コア１４中のドーパントに吸収さ れるまで伝播する。ポンプ光３０は、外部コア１２の特殊な形状を用い、内部コ ア１４を中心からずらして配設させ、これによって、外部コア導波管１２中に入 射した光がフ ァイバの内部コア１４と空間的にオーバラップするようにし、さらにポンプ光３ ０が内部コア１４に吸収されるようにすることによってより効果的に吸収するこ とが可能となる。当業者には、本明細書の本文にしかるべき理由に基づいて指示 されれば、この実現方法は分かるであろう。このような一例は、内部コアを中心 に配置した矩形状の外部コア１２を持つファイバである。もちろん、ファイバに 寸法がファイバの周囲の回りに配置されたモードを生じさせるようなものである 場合（円筒形ファイバの場合はしばしばそうである）、内部コアをファイバの周 囲に単に近づけることによって空間的にオーバラップさせることが可能である。 図６を参照すると、ファイバ１９の長さ方向に沿って反対方向から溝部１８に 光ビーム３０，３０’を送出するためにファイバ１９の反対側にレーザ対１６， １６’が配置されている。これを完全に実現するためには、小面６０がビーム３ ０，３０’のおのおのに対して約４５度の角度に配置されるのが望ましい。ビー ム３０’が小面６２に入射する角度ができる限り９０度に近くて小面６２から反 射されるビーム３０がほとんどないようにするように、小面６２は小面６０に対 して約４５度（方向６４に対して９０度）の角度に配置されるのが望ましい。 図７を参照すると、複数のレーザ１６からの光をファイバの外部コア１２中に 光結合させるために複数の溝部 １８がファイバ１９に沿って適切に間隔を置いて置かれている１つの実施態様が 示されている。側面ポンピング技法のこの実施態様を用いれば、ファイバ１９中 の全ポンプ出力を増大させ、ファイバ・レーザ出力やファイバ増幅器の飽和出力 を増加させることが可能である。４レベルの原子遷移の場合、１つの溝部１８か ら入射したポンプ光が、隣接する溝部１８’に達する前に利得媒体によって吸収 されるように、溝部１８の間隔（Ｌ）が取られる。吸収係数ａを特徴とする指数 関数的に減衰するポンプ光強度の場合、これは約２／ａという間隔に相当する。 例えば、典型的なＮｄドーピングまたは３レベルのＥｒ／Ｙｂ共ドーピング（ co-doped）したファイバの場合、吸収長は１ｍから１０ｍの範囲であり、一方、 単一モード誘導光の活性伝送損失は数ｄＢ／ｋｍである。複数のポンプ・ダイオ ード１６は、１０ｍから１００ｍの活性ファイバ長でファイバ１９に沿って多重 化される。Ｅｒ／Ｙｂドーピング・ファイバで発生するような３レベルの原子遷 移の場合、ポンプ強度は、低ポンプ出力の領域を含めあらゆる領域で利得や透明 さを達成するに十分な値でなければならない。１つの溝部１８によって入射され たポンプ出力が完全に吸収されないと、ファイバ１９の残留ポンプ出力の一部が 隣接する溝部１８’によって光結合され、このため、全体のレーザ効率が少し低 下する。この影響は、２つの溝部から与えられたポンプ強 度が重なり合って、単一のファイバの刻面からのエンドファイア・ポンピングの 場合のようにポンプ分布がいっそう均一になるという事実によって幾分か減少す る。 明らかに、本発明の多くの修正と変更が上記の説明から可能である。したがっ て、添付クレームの範囲内で本発明は記述された以外の方法によっても実現可能 であることが理解されるであろう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．クラッド部と、 前記クラッド部内部に配設されたコア部であり、前記コア部が外部コアおよび 内部コアからなり、前記内部コアが前記外部コアの内部に配設され、前記内部コ アが予め選択された利得媒体がドーピングされているコア部と、 前記クラッド部を通って前記外部コア中に伸張する溝部であって、前記溝部が 予め選択された方向から入射した予め選択された周波数を持つ光を前記外部コア 中へ鏡面反射し、前記内部コア中に容易に吸収されるように配置された表面を持 つ溝部と、 を備えることを特徴とする光ファイバ。 ２．前記溝部が、前記ファイバの長さ方向に沿って互いにほぼ反対側に配置され た一対の小面を有し、前記小面が約４５度の角度で互いに交差することを特徴と する請求項１記載のファイバ。 ３．前記小面の一方が前記ファイバの前記長さ方向に対して約４５度の角度で配 置されており、前記小面の他方が前記長さ方向に対して略９０度の角度で配置さ れていることを特徴とする請求項２記載のファイバ。 ４．前記ファイバがさらに、前記小面の前記一方に形成された反射コーティング を備えることを特徴とする請求項３記載のファイバ。 ５．前記溝部が、前記ファイバの長さ方向に沿って互い にほぼ反対側に配置された一対の小面を有し、前記小面が約４５度の角度で互い に交差することを特徴とする請求項１記載のファイバ。 ６．前記小面の一方が前記ファイバの前記長さ方向に対して約４５度の角度で配 置されており、前記小面の他方が前記長さ方向に対して略９０度の角度で配置さ れていることを特徴とする請求項５記載のファイバ。 ７．前記ファイバがさらに、前記小面の前記一方に形成された反射コーティング を備えることを特徴とする請求項６記載のファイバ。 ８．前記ファイバが少なくとも１つの追加の溝部を有し、前記少なくとも１つの 追加溝部が、予め定められた方向から入射し予め定められた周波数を持つ光を前 記コア部中に鏡面反射し易いように配置された表面を持つことを特徴とする請求 項１記載のファイバ。 ９．予め選択された周波数を持つ光を光ファイバに入射させる方法において、前 記方法が： 前記ファイバ内に溝部を設けるステップと、前記クラッド部を通って前記コア 部中に伸張し、予め選択された方向から入射し予め選択された周波数を持つ光を 前記コア部中に鏡面反射させやすいように配置された表面を有する溝部を形成す るステップと； 前記予め選択された周波数を持つ光を前記予め定められた方向から前記溝部に 送出するステップと； からなることを特徴とする方法。 １１．前記コア部が外部コアであり、前記ファイバが前記外部コア内部に形成さ れた内部コアを有し、前記溝部が前記外部コア中に伸張し、前記内部コアが光学 的に活性である予め選択された利得媒体を有し； 前記光の前記方向付けが、前記内部コアと前記外部コアの間での前記光の光学 的な結合によって前記ドーパントを励起する効果があること； を特徴とする請求項１０記載の方法。