JPH04504032A - レーザ増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ増幅器 本発明は３または４レベルのレーザシステムを含むタイプの縦方向にポンプされ るレーザ増幅器、特に光フアイバレーザ増幅器に関するが、それに限定されない 。

レーザ増幅器は特定の波長の適切なイオン粒子によりドープされた光ファイバを 光学的にポンプすることによって形成できることが知られている。このようなレ ーザ増幅器は高いポンプパワー密度および良好な熱放散を呈し、したがって低い ポンプパワーしきい値を持つレーザ放射の動作を可能にする。事実、ドープされ たファイバにおける連続波レーザ放射は、従来は室温でバルクガラスにおいて動 作されなかった３レベルレ一ザ転移部において近年達成されている。

遠隔通信のために、エルビウムをドープされたシリカベースの光ファイバはレー ザ源および増幅器として特に重要である。イオン転移は融着されたシリカファイ バの低損失の窓と一致する約１．５μｍに存在する。さらに、エルビウムをドー プされたファイバは８００ｎｍで吸収帯域を有しているため、コンパクトな効率 的なヒ化ガリウムレーザダイオードによってポンプされた種々のアクチブファイ バ装置が得られる可能性がある。しかしながら、上記されたエルビウムをドープ されたファイバのようなあるレーザシステムのエネルギレベルは、励起状態吸収 （ＥＳＡ）として知られた疑似現象を光学ポンプするのに適したある波長に存在 している。これは、システムの上部レーザマユフォールド中のイオンがポンプ光 子によって高エネルギ状態に励起されるプロセスである。これらの励起されたイ オンは準安定性マニフォールドに非放射で緩和されて戻る。これは、ポピユレー ション反転に通常関与しているポンプ光子の比率を減少する効果を有する。消費 されるポンプ光子の割合は上部および接地状態マニフォールドの相対的なポピユ レーションに比例している。ポンプパワーが大きくなると、上部レベルのポピユ レーションが大きくなり、したがってＥＳＡの効果が大きくなる。ポンプパワー が増大されほど、これは結果的にポンププロセスの効率を低下させる。

本発明の目的は、所定のポンプパワーに対して改良されたポンプ効率を有するフ ァイバレーザ増幅器を提供することでしたがって、本発明は単一モード光ファイ バと、ポンプ波長で光放射を行なわせる光学ポンプソースと、各セクションが光 ポンプ信号の一部分によってポンプされるようにポンプソースが各セクションに 縦方向に結合されているポンプ波長で励起状態吸収を呈するレーザ放射媒体を含 む複数のファイバ増幅器セクションとを含んでいるレーザ増幅器を提供する。

本発明における使用に適したタイプの光ファイバは典型的にほぼ１０μｍの直径 を有する。

任意の端部でポンプされるファイバ増幅器に対して、所定のポンプパワーに対し て得られる最大ポンプ効率がある。本発明者は、ポンプパワーを増加することに より増大するＥＳＡの結果として所定のポンプパワーに関連した利得減少が２つ 以上の部分にポンプパワーを分割し、それぞれポンプパワーの一部分を持つ２つ 以上のファイバセクションを縦方向にポンプすることによって低下され、したが ってポンプ効率を高めることを確認したものである。このようにして、ファイバ に沿ったポンプエネルギ分布は低く維持され、したがってＥＳＡの相対的な効率 は以下詳細に説明されるように減じられる。

ファイバ増幅器セクションは単一ファイバの隣接した部分であるか、或はそれら は光学的に互いに結合された分離した長さのファイバであってもよい。

２つのファイバ増幅器セクションを有するシステムにおいて、セクションは少な くとも部分的に一致しており、第１の部分のポンプパワーがあるセクションにお いてポンプされる方向は、第２の部分が別のセクションでポンプされるものと逆 である。１つのファイバ増幅器セクションからの残りのポンプパワーが第２のフ ァイバ増幅器セクションにおいてポンプパワーと組合せられるため、これは結果 的に付加的な利得が得られることになる。

ポンプソースは、１つ以上の２色ファイバカップラによってファイバに縦方向に 結合されることが好ましい。このようなカップラはポンプ信号を結合することが でき、一方同じファイバに信号放射を結合することができる。

３レベルレーザシステムを含むレーザ増幅器において、所定のポンプパワーに対 して最大ポンプ効率が実現されることができる最適なファイバの長さが存在する 。この最適な長さは発射されたポンプパワーおよびポンプ吸収に依存する。低い ポンプパワーに対して、最適なファイバ長は高いポンプパワーに対するものより 短い。

各ファイバ増幅器セクションの長さは、実質的にポンプされているポンプパワ一 部分に対して最適な長さであることが好ましい。

以下、図面を参照にして、単なる例示として本発明を説明する。

図１はＳｉＯ２ホスト材料中におけるエルビウムイオン（Ｅｒ”）のエネルギレ ベル構造の概略図である。

図２はファイバ中に発射されたポンプパワーを持つ最適な利得の変形を示すグラ フである。

図３は本発明の１実施例の概略図である。

図４は本発明の第２の実施例の概略図である。

図１を参照すると、エルビウムイオン（Ｅｒ３＋）の１．５μｍの低い転移に対 するエネルギレベル構造が示されている。

３レベルレーザシステムにおけるＥｒ３＋イオンは接地状態１、中間準安定性マ ニフォールド２および高い状態３を含むエネルギレベル構造を有する。システム は約８００ｎｍの波長のポンプバンド４を、また約１５４０ｎａ＋の波長の放射 ／吸収バンド５を含む。したがって、８００Ｉ１ｍでエルビウムをドープされた シリカベースファイバを光学的にポンプすることによって、エルビウムイオンは 高い状態３に活性化され、そこからそれらは準安定性マニフォールド２に減少す る。低いポンプパワーに対して、準安定性マニフォールド２よりも接地状態１に おいて多数のイオンがある。マニフォールド２と接地状態１との間のポピユレー ション反転であるように十分なイオンが準安定性マニフォールド２にあると、１ ５４０ＩＩＩ１１の領域において光利得が生じ、したがってシステムは入力信号 を増幅することができる。マニフォールド２と接地状態１との間でポピユレーシ ョン反転を生成するためにファイバに沿った任意の位置において、ある最小の光 ポンプパワーが必要とされる。このパワーは透過パワーとして知られている。フ ァイバの下方の任意の位置においてポンプパワーが透過パワーより低い場合、そ の点における利得係数は負である。任意の点におけるポンプパワーが透過パワー に等しい場合、その点における利得係数はゼロである。透過パワーより大きいポ ンプパワーは正の利得係数を生成する。約８００ｎｍの波長を有するポンプ信号 に対して、１５４０ｎｍ吸収バンド５を破壊することを要求される透過パワーは 数ミルワットである。

残念ながら、エネルギレベル構造は励起状態吸収（ＥＳＡ）バンド６である別の 吸収バンドを含む。励起状態吸収バンド６は準安定性マニフォールド２と高いレ ベル７との間に存在する。ＥＳＡバンドは実質的にポンプ吸収バンド４と同じ約 ８００ｎｍの波長で生じる。したがって、８００１でファイバをポンプすること によってイオンは準安定性マニフオールド２に励起される。これらのイオンは高 いレベル７に励起され、そこから準安定性マニフォールド２に非放射的に低下す る。これは、ポピユレーション反転を生成することに通常関連しているポンプ光 子の比率を減少させる効果を有する。消費されるポンプ光子の一部分はマニフォ ールド２および接地状態１の相対的なポピユレーションに比例する。高いポンプ パワーでポンプすることによりＥＳＡの効果が高められることが発明者によって 決定されている。

図２を参照すると、ファイバに放射されたポンプパワーによる最適な利得の変形 が示されている。すなわち、各特定のポンプパワーに対して最適な利得は最適な ファイバの長さが使用されたときの利得である。

高い発射ポンプパワーにおいて、最適な利得はこのようなポンプパワーでポンプ プロセスがＥＳＡのために効率が悪くなるため増大するポンプパワーと共に非常 にゆっくり増加する。

曲線３１に対する接線であるグラフの原点を通る直線３２を引くことによって、 発射されたポンプパワーに対する最適な利得の比が最大であるポンプパワーが存 在していることが認め）　−られる。このポンプパワーは示された例において６ ｍｗである。

この比が最大値に達するポンプパワーは、一般に接地状態および上部レーザマニ フォールドからのファイバ構造およびポンプ吸収断面の寸法に依存する。図２か ら、発射されるパワーに最適な長さのファイバの単−長に２４ｍｗのポンプパワ ーを発射することによって、１３ｄＢの利得が達成されることが認められる。し かしながら、ある長さのファイバにポンプパワー全てを発射する代りに、ポンプ パワーはそれぞれ６ｍｗの４つの部分に分割され、これら４つの部分がそれぞれ ６ｍｗパワーファイバに最適な長さのファイバに供給されれば、利用可能な利得 全体は２２ｄＢである。例示の増幅器のポンプ効率の大きい改良はこのようにし て所定の利用可能なポンプパワーに対して実現されている。一般に、所定の利用 可能な入カボンブパワーに対して、利得は複数の部分にそのポンプパワーを分割 することによって最大にされることができ、各部分におけるポンプパワーは特定 のファイバに対して発射されたポンプパワーに対する最大利得の比率が最大であ るようなものであり、最適な長さのファイバ増幅器の分離した長さに各部分を発 射する。

図３を参照すると、本発明によるファイバレーザが概略的に示されている。光フ ァイバ４１は４つのファイバ増幅器セクション４２．４３．４４．４５に概念的 に分割される。セクション４２は点ａから点すに延在し、セクション４３は点す から点Ｃに延在し、セクション４４は点ｄから点ｅに延在し、セクション４５は 点ｅから点ｆに延在する。ファイバ増幅器セクション４２゜４３、４４．４５は エルビウムをドープされたある長さの先ファイバから構成され、一方ファイバ４ １の残りのセクションは光ファイバのドープされない部分を含む。ファイバ４１ は、単一のファイバ長を形成するために適切な方法でドープされないある長さの ファイバにドープされたファイバをスプライスすることによって形成される。光 ポンプ４６は３つのカップラを４７゜４８、４９を介してファイバ４１に縦方向 に結合される。３つの各カップラは２色ファイバカップラである。各カップラは ファイバ４１と第２のファイバを融着し、カップラがファイバ４１にポンプ放射 を結合することが可能であり、−万人力信号放射５０が影響を受けないように適 切な量だけそれぞれを引伸ばすことによって形成されてもよい。このようなカッ プラは良く知られており、さらに説明しない。

カップラ４７においてポンプ部分は、入力信号放射５０と同じ方向にアーム５１ を介してファイバセクション４２に縦方向に結合される。カップラ４８において 、第２のポンプ部分は入力信号５０と反対方向に進むようにアーム５２を介して ファイバ増幅器セクション４３に縦方向に結合される。第３のポンプ部分は入力 信号と同じ方向にアーム５３を介してファイバ増幅器セクション４４に縦方向に 結合される。第４のポンプ部分はカップラ４９のアーム５４を介してファイバ増 幅器セクション４５に縦方向に結合される。このようにして増幅された信号５５ が生成される。ファイバ増幅器セクション４２．４３．４４．４５は、システム の特定のパラメータに対して図３のものに類似したグラフを示すことによってそ れらがポンプされる特定のパワーに対して最適な長さに近いように構成される。

ファイバセクションは、常に正の利得であるように透過点が越されないことを保 証するように短くなければならない。

ポンプ信号はファイバ増幅器セクションの長さに沿って伝播されたとき、ある程 度のポンプ信号は残っている。ポンプ部分の対がこの実施例に示されているよう に隣接したファイバ増幅器セクションにおいて反対方向にポンプされるように構 成することによって、１つのファイバ増幅器セクションからの残りのポンプは利 得をさらに最大にするように隣接したセクションにおいてポンプ部分と結合する 。

図４を参照すると、本発明によるレーザ増幅器の第２の実施例が概略的に示され ている。符号６０により全体的に示されたファイバ増幅器は互いに分離している ３つのファイバセクション６１．６２．６３を含む。８０７ｎｍのＳｔ７ｒ１９ Ｍダイレーザのような光ポンプソース６４は誘電体反射器６５によってファイバ 増幅器セクション６２に縦方向に結合された光ポンプ信号を生成する。入力信号 はまたファイバセクション６１および反射器６５を介してファイバセクション６ ２中に結合される。第２の光ポンプ信号はポンプソース６４によって生成され、 ファイバセクション６３に縦方向に結合される。ファイバセクション６２を通じ て伝播された後、入力信号はまたファイバセクション６３に結合される。このよ うにして増幅された信号６７が生成される。

この明細書において、用語“光学的”とは、光ファイバのような誘電体光導波体 によって伝達されることができる可視領域の各端部における赤外線および紫外線 領域の部分を持つ可視領域として一般に知られている電磁スペクトルの部分を含 むものとする。

ポンプ手段から光パワーを分配する別の方法は上記に示された特定の実施例に示 されたもの以外に使用されることができ、ポンプパワーが分割される部分は付加 的な利得を得るために等価な部分である必要はないことが理解されるであろう。

光ポンプ分配は、一般にあるポンプ波長でＥＳＡを呈する３または４つのレベル システムに適用可能であり、上記のタイプのエルビウムをドープシリカベースフ ァイバレーザ増幅器に限定されるものではない。

利得 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）単一モード光ファイバと、ポンプ波長で光放射を行なわせる光学ポンプソ ースと、ポンプ波長で励起状態吸収を呈するレーザ放射媒体を含む複数のファイ バ増幅器セクションとを含み、光ポンプソースは、各セクションが光ポンプ信号 の部分によってポンプされるように各セクションに対して縦方向に結合されるレ ーザ増幅器。
2. （２）各ファイバセクションの長さはそれがポンプされているポンプパワー部分 に対して実質的に最適な長さである請求項１記載のレーザ増幅器。
3. （３）ファイバセクションは単一ファイバの隣接した部分である請求項１または ２記載のレーザ増幅器。
4. （４）少なくとも部分的に一致している２つのファイバセクションがあり、ポン プパワーの第１の部分は第２の部分が別の方向にポンプされるものと反対方向に １つのセクションにおいてポンプされる請求項１または２記載のレーザ増幅器。
5. （５）ポンプソースはレーザダイオードアレイである請求項１乃至４のいずれか １項記載のレーザ増幅器。
6. （６）ポンプソースは１つ以上の２色ファイバカップラによってファイバに縦方 向に結合される請求項１乃至５のいずれか１項記載のレーザ増幅器。
7. （７）ファイバはエルビウムでドープされたシリカベースファイバを含む請求項 １乃至６のいずれか１項記載のレーザ増幅器。
8. （８）ポンプ波長は約８００ｎｍである請求項７記載のレーザ増幅器。