JPH0464197B2 - - Google Patents

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JPH0464197B2
JPH0464197B2 JP58233465A JP23346583A JPH0464197B2 JP H0464197 B2 JPH0464197 B2 JP H0464197B2 JP 58233465 A JP58233465 A JP 58233465A JP 23346583 A JP23346583 A JP 23346583A JP H0464197 B2 JPH0464197 B2 JP H0464197B2
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fiber
light
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optic device
signal
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Jon Shoo Haabaato
Chodoro Maabin
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Leland Stanford Junior University
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Leland Stanford Junior University
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Publication date
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Publication of JPH0464197B2 publication Critical patent/JPH0464197B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明はフアイバ光学増幅器に関するもので
ある。アメリカ合衆国政府はこの発明に関し、ア
メリカ合衆国空軍科学研究局によつて付与され
た、認可番号AFOSR−76−3070による権利を有
している。
一定の物質のレーザ放射能力に基づき、特に、
巨視的レベルにおける光学増幅器の概念はよく知
られている。このように、たとえばポンピング光
源および単結晶ネオジム−イツトリウム・アルミ
ニウム・ガーネツト（ND：YAG）のロツドを
数mmの直径かつ数cmの長さで管状反射空洞内に配
置することが知られている。たとえば、光源およ
びND：YAGロツドは各々、楕円形状の断面を
有する空洞の２つの焦点に沿つて延びるように位
置している。そのような配置において、光源によ
つて放出され、空洞壁から反射された光は、
ND：YAGロツドと衝突する。光源は好ましく
は、結晶のネオジムイオンのエネルギ状態が上部
レーザ放射レベル以上のエネルギレベルに反転さ
れるように、ND：YAG結晶の吸収スペクトル
に相当する波長を放出するように選択される。反
転後に、フオノン放射を介するネオジムイオンの
初期緩和は、上部エネルギレベルにおけるイオン
分布を生じる。上部レーザ放射レベルから下部エ
ネルギレベルへ、イオンはND：YAG材料の特
性である波長の放出光をレーザ放射する。有利な
ことに、この下部エネルギレベルは、イオンに対
するアースレベル以上であり、急速なフオノン放
出緩和がこの下部エネルギレベルとアースレベル
との間で発生し、ポンピングされたイオン内にお
ける上部レーザ放射レベルとこの下部エネルギレ
ベルとの間で高反射率が存在し続けることを可能
にする。
レーザ技術からよく知られているように、その
ように反転された分布によつて、ND：YAGは
また、非常にゆつくりとしたけい光、すなわちコ
ヒーレントでない光のランダム放出を提供する。
しかしながら、反転された状態におけるイオンの
平均寿命は230マイクロ秒なので、この自然放射
は増幅ロツドに最小の影響を与える。
もしも、ND：YAGロツドのネオジムイオン
が反転された後に、レーザ放射周波数の光信号が
ロツドを介して伝送されるならば、光信号はネオ
ジムイオンのレーザ放射遷移をトリガし、誘導放
射コヒーレント放出を引き起こし、それは伝送さ
れた信号に効果的に加えられ、このようにこの信
号を増幅する。
ND：YAG結晶内のポンピング照射の吸収長
（すなわち、照射の60％が吸収される前に照射が
それを介して通過する物質の長さ）は、典型的に
は２および３mmの間の範囲にあり、このように、
増幅構造において使用されるND：YAG結晶は、
空洞壁からの初期反射中および結晶を通過中にポ
ンピング放射の実体部分を結晶が吸収することが
できるように、少なくともこの大きさの直径を有
している。もしも、結晶を介するこの初期通過期
間中に、ポンピング照射が吸収されないならば、
それは空洞壁によつて反射されて光源に戻され、
そこで再吸収され、光源で熱を発生し、そして増
幅器の全体的な効率を減少させる。
そのような増幅器がフアイバ光学システムに使
用されたときに、光学フアイバからの光をND：
YAGロツドに焦点合わせし、そしてND：YAG
ロツドからの増幅された光信号を他方のフアイバ
に戻す、レンズのような光学構成要素を使用する
ことが必要であると考えられる。そのような光学
システムは注意深いアライメントを必要とし、そ
して振動や熱のような環境の変化の影響を受けや
すい。さらに、光学構成要素およびND：YAG
ロツドのサイズは、増幅システムを相対的に大き
くし、そのため一定の応用に対しては非実用的で
ある。さらに、ND：YAGロツドの相対的に大
きなサイズはロツド内のビームのふらつきを引き
起こす。このように、入力フアイバ光学要素から
の信号は、出力フアイバは小さな受光角度内での
光のみを受けるという事実のために出力光が消失
するように、温度に関連しかつ時間によつて変化
する特性のロツドを介して異なる経路を通過す
る。このように、ND：YAGロツド内のビーム
がふらつくにつれて、出力信号は制御不可能な態
様で変化する。さらに、ND：YAGロツドの大
きなサイズは、ロツド内の高エネルギ密度を維持
するために莫大な入力エネルギを必要とする。そ
のような大きなポンピングパワーは、典型的には
空洞の液体冷却によつて消散される多量の熱を発
生する高出力ポンピング光源を必要とする。
このタイプの増幅器がいくつかの通信応用のよ
うな多くの応用において有用である一方で、再循
環フアイバ光学ジヤイロスコープにおける使用
は、増幅システムに厳密な制限を設けている。そ
のようなジヤイロスコープにおいて、光学フアイ
バは典型的には１Kmまたはそれ以上の長さでルー
プ状に構成され、そして光信号はループ内で典型
的に双方向に再循環される。ループの動きは、ジ
ヤイロスコープの回転を計測するのに使用される
対向して伝播する光信号間の位相差を生じさせ
る。１回転につき起こる位相ずれは相対的に小さ
くかつ回転に関連する周期的な出力が必要なの
で、ループ内で入力光をできるだけ多い回数で再
循環させることが有利である。
１Kmの光学フアイバを通過するときに、光学信
号は典型的にはその強度の30ないし50％を消失す
る。もしも増幅器がループ内に直列に配置され、
２ないし3dbの利得が与えられたならば、増幅器
は双方向性の対向して伝播する光信号を増幅する
ことができれば、光信号をループ内で何回も伝播
させる。
あいにく、上述のような先行技術のND：
YAGロツド増幅器の相対的に大きなサイズ、相
対的に効率の悪い性能によつて引き起こされる大
電力の要求、ビームのふらつきの影響、そして冷
却の必要性は、そのような増幅器を高度に正確な
ジヤイロスコープにとつては比較的実用性のない
ものにしている。これらの原因は、もちろん通信
回路網のような他の応用におけるそのような増幅
器の利用も制限する。
発明の概要 結晶ロツド増幅器に関するこれらの欠点はこの
発明において軽減された。この発明はポンピング
光源フアイバおよびドープされた増幅媒体の双方
を小さな直径の光学フアイバにする。これらのフ
アイバは、外被に極めて接近してともに配置さ
れ、光学結合器を形成する。ポンピングフアイ
バ、増幅器フアイバ、および外被の屈折率は、ド
ープされたフアイバを通過する増幅されるべき信
号が良好に案内される一方で、ポンピングフアイ
バを通過する、ポンピングに使用される光がその
フアイバ自体の中を良好に案内されず、しかし結
合器システム全体の内部のみを案内するように選
択される。この信号はポンピングフアイバに結合
されず、一方で、ポンピングフアイバからドープ
されたフアイバに結合するようにポンピング信号
は故意に不十分に案内されるので、結合器はこの
ようにドープされたフアイバを通過する信号の損
失を制限する。
好ましい実施例において、この結合特性は、第
１の屈折率を有するND：YAGのようなドープ
されたフアイバと、第２の屈折率を有する水晶の
ようなポンピングフアイバとを、双方のフアイバ
を取り巻き第３の屈折率を有する結合器本体内部
において並列の関係に設けることによつて達成さ
れる。この結合器本体は、第４の屈折率を有する
空気または他の適当な物質によつて順番に取り囲
まれる。
増幅されるべき信号を伝えるドープされたフア
イバの第１の屈折率は、結合器本体の第３の屈折
率よりも高く、このように増幅されるべき信号は
ドープされたフアイバ内で案内される。ポンピン
グ水晶フアイバの第２の屈折率は、結合器本体の
第３の屈折率よりも低く、そしてこのように水晶
フアイバにおけるポンピング照射は水晶フアイバ
によつて案内されず、しかし結合器本体内で屈折
させられる。結合器本体の第３の屈折率は、結合
器本体を取り囲む物質あるいは空気の第４の屈折
率よりも大きく、これらの物質間のインターフエ
イスは、(a)結合器本体、(b)水晶ポンピングフアイ
バ、または(c)案内された入力信号に対する増幅器
を形成するドープされたフアイバのいずれかによ
る吸収に対するポンピング照射を案内する。もし
も外被の直径がフアイバの直径よりもわずかに大
きいならば、ポンピングフアイバから屈折された
ポンピング照射の重要な部分は、ND：YAG結
晶フアイバに吸収され、それが伝送する光学信号
の増幅をもたらすND：YAG結晶フアイバ内に
おける高エネルギ密度および高反転率をもたら
す。
この発明の増幅器を双方向性にするために、す
なわちドープされたフアイバを介して反対方向に
通過する信号に等しい利得を導入するために、反
転分布がこのフアイバの長さに沿つて対称に分布
されるように両端において水晶ポンピングフアイ
バを照射（ポンピング）することが有利である。
もしもポンピングフアイバが十分に長く製造され
るならば、ポンピングフアイバの両端に与えられ
た実質的にすべてのポンピングパワーは、空洞構
造内において吸収され、このパワーの実質的なパ
ーセントは結合器内のドープされたフアイバ内で
吸収される。
これに代わる実施例において、ポンピングフア
イバおよびドープされたフアイバは双方ともにク
ラツド型のフアイバであり、そしてクラツデイン
グは、プレーナ外部クラツデイング表面を形成す
るように各々のフアイバの一側面上で研磨され
る。もしもプレーナ表面が並列に配置され、結合
器本体を形成するならば、フアイバのクラツデイ
ングは、結合器本体内でポンピング光学信号を案
内するのに必要な第３の屈折率を形成する。さら
に他の選択として、水晶およびND：YAGのク
ラツド型でないフアイバは、もしも平行に配置さ
れたならばポンピングパワーを案内する第３の屈
折媒体として周囲の空気と必要な結合をするプレ
ーナ表面を設けるために研磨される。
さらに他の選択された配置において、この発明
による複数の増幅器は、発光ダイオードのような
比較的小さな光源が各々のそのような増幅器にお
いて増幅された信号に小さな利得を与えるのに使
用され、付加的な効果を介して全体的に必要とさ
れる利得を与えるように、ND：YAGフアイバ
要素の長さに沿つて配置される。この実施例にお
いてさえ、均一な双方向性増幅が達成されるよう
に各々のポンピングフアイバの両端に発光ダイオ
ードを配置することが望ましい。
この発明のこれらのそして他の長所は、図面を
参照する以下の説明によつてより一層理解される
であろう。
好ましい実施例の詳細の説明 まず第１図および第２図を参照すると、この発
明の好ましい実施例はポンピングフアイバ１２お
よび信号フアイバ１４を含んでいる。ポンピング
フアイバ１２は典型的にはほぼ200ミクロンの直
径を有し、典型的な形状の水晶フアイバである。
このフアイバ１２は、ほぼ２cmの距離１６を介し
て信号フアイバ１４に平行にかつ極めて接近して
延ばされる。信号フアイバ１４は、増幅されるべ
き周波数でレーザ放射するイオンドープされた物
質の単結晶である。第１図において、そして以下
の説明によつて、増幅されるべき入力光信号は、
信号フアイバ１４の第１の端部１８への入力であ
り、フアイバ１４の第２の端部２０からの増幅後
の出力であることが推測される。しかしながら、
通信および回転センサの応用のような多くの応用
において、信号はフアイバ１４の両端１８，２０
における入力であり、そしてフアイバ１４を介す
る伝播の方向にかかわらず均一に増幅されるとい
うことは認識されるべきである。
この典型的な実施例におけるフアイバ１４は
100ミクロンの直径を有している。フアイバ１２
および１４の平行に延ばされた長さ１６を通じ
て、これらのフアイバは、以下に説明されるよう
にフアイバ１４をポンピングするのに使用される
照射のための導波管を提供する外被２２内にカプ
セル封じされる。これらのフアイバ１２，１４の
双方は、外被２２がクラツデイングを提供する範
囲を除いて、クラツド型ではない。
フアイバ１４はND：YAG材料の単結晶とし
て形成される。１対の光源２４，２６はポンピン
グフアイバ１２の反対側の端部に結合され、そし
て、たとえば光エネルギすなわちポンピング光を
与え、ND：YAG結晶１４内でネオジムイオン
を反転させ、増幅させるレーザ光源である。
各々のフアイバ１２，１４および外被２２は、
ポンピング光源２４，２６からの光の波長に対し
ては透過性である。外被２２はこの周波数におい
てできるだけ低い損失特性を有することが好まし
く、一方でND：YAGフアイバ１４においてこ
の周波数の吸収長をできるだけ短くすることが有
利である。
フアイバ１２，１４および外被２２の屈折率
は、信号フアイバ１４にその端部１８における信
号入力を案内させるように選択される。しかしな
がら、屈折率はまた、ポンピング光源２４，２６
からの光がフアイバ１２から外被２２に入り、そ
してその後フアイバ１４に入り吸収されるように
選択される。このように、第２図の例に示されて
いるように、ND：YAGフアイバ１４は1.8に等
しい屈折率N1を有している。一方で、水晶フア
イバ１２は、1.5の屈折率N2を有している。外被
２２の屈折率N3は、1.5から1.8の間に選択され、
その結果N1＞N3＞N2となる。最後に、外被２２
を取り巻く屈折率N4は、外被２２の屈折率N3以
下である。第２図に示す例において、第２のクラ
ツデイングは外被２２を取り巻き、外被２２にお
ける表面の不規則さとそのために起こる散乱のた
めに、外被２２と周囲の空気との間のインターフ
エイスにおいて、さもなければ発生する損失を除
去するということが理解されるべきであるが、屈
折率N4は空気によつて形成される。
上述の説明から、フアイバ１４の屈折率N1は
外被２２の屈折率N3よりも大きいので、フアイ
バ１４の端部１８における信号入力は、システム
によつて増幅されるべきであるが、フアイバ１４
内で良好に案内されるということは理解されるで
あろう。水晶フアイバ１２の屈折率N2は外被２
２の屈折率N3以下であるので、光源２４，２６
からのポンピング光はフアイバ１２によつては案
内されず、しかし外被２２の中で屈折される。し
かしながら、第２図の典型的な光線２４および２
６と、第１図の２８とによつて示されるように、
外被２２の屈折率N3は周囲の物質の屈折率N4よ
りも大きいので、この光は外被２２によつて良好
に案内される。このように、ポンピング照射は外
被２２の範囲内で案内されフアイバ１４によつて
最終的に吸収される。第１図に示すように、光線
２８によつて例示されるポンピング照明は、これ
らの要素の各々を介する経路の長さおよびこれら
の要素の各々のポンピング波長における吸収長に
比例して、フアイバ１２および１４と周囲の外被
２２との各々によつて吸収される。このため、外
被２２を包む大きさをできるだけ小さく維持して
外被２２による吸収を最小にしそしてそれによつ
てND：YAGフアイバ１４における吸収を最大
にすることが有利であると理解される。
次に、300°KにおけるND：YAG結晶の吸収ス
ペクトルの図である第３図を参照すると、ND：
YAG材料は、選択された波長において相対的に
高い光学密度を有し、そして短い吸収長を有して
いることがわかる。この理由により、(a)水晶フア
イバ１２および外被２２に対向するND：YAG
フアイバ１４におけるポンピング照射の吸収を最
大にし、そして(b)増幅構造におけるポンピング照
射の吸収を実質的に完全にする一方で吸収長をで
きる限り短くしかつ吸収領域の長さ１６（第１
図）をできる限り短くするために、これらの周波
数において放射するポンピング照射光源２４，２
６（第１図）を選択することが賢明である。第３
図に示されるように、0.75および0.81ミクロンの
波長が比較的よく適しているけれども、この典型
的な実施例における照射光源２４，２６に対して
は0.58ミクロンの波長が最も適している。
次に、ND：YAG結晶のエネルギレベル図で
ある第５ａ図を参照すると、上述の吸収波長にお
けるポンピング光がND：YAG結晶によつて吸
収されたときに、ネオジムイオンはアース状態か
らポンピング帯へ励起されるということは理解さ
れるであろう。ポンピング帯からフオノン干渉領
域を介して上部レーザ放射レベルへイオンは急速
に緩和される。この上部レーザ放射レベルから、
ネオジムイオンは下部エネルギレベルへの比較的
遅いけい光を生じる。この後者のレベルから、最
後の急速なフオノン緩和がアース状態に対して生
じる。下部エネルギレベルおよびアース状態の間
の急速なフオノン緩和は現実に空の下部エネルギ
レベルを提供するので、第５ａ図に示されたタイ
プの４レベルレーザシステムにおける後者の急速
な緩和状態は有利である。この特徴は第５ｂ図に
おいて示されており、連続ポンピング期間中にお
けるND：YAGフアイバに対するポンピング帯、
上部レーザ放射レベル、下部エネルギレベルおよ
びアース状態における分布密度が示されている。
上部レーザ放射レベルおよび下部エネルギレベル
の間のけい光の率は、下部エネルギレベルおよび
アース状態の間と同様に、ポンピング帯および上
部レーザ放射レベルの間におけるフオノンの緩和
と比較して相対的に遅いので、上部レーザ放射レ
ベルにおける分布密度は、下部エレルギレベルに
おけるそれよりも実質的に高く、高反転率を生じ
る。自然けい光に先行する上部レーザ放射レベル
におけるネオジムイオンの平均寿命は230マイク
ロ秒である。
第４図はこの物質に対するレーザ遷移と同様
に、ND：YAG材料の多重エネルギ状態をより
詳細に示す図である。
励起されたレーザフアイバ１４（第１図）を介
して移動するレーザ遷移波長（1.064ミクロン）、
すなわち上部レーザ放射レベルおよび下部エネル
ギレベルの間の緩和期間中におけるND：YAG
イオンによつて放出された光の波長における入力
光信号は、信号とコヒーレントな同一周波数にお
ける誘導された光子の放出をトリガし、信号はそ
れによつて増幅される。このように、この周波数
における光の通過は、増幅されるべき光信号と同
じ位相で、第５ａ図の上部レーザ放射レベルおよ
び下部エネルギレベルの間の光子放出緩和を引き
起こし、入力光信号に対する効果的な利得を発生
させる。
この発明の増幅器において達成され得る利得
は、ND：YAG結晶内における反転されたネオ
ジムイオン分布の密度に依存している。まず、最
終的な反転分布は、YAG材料自体の格子構造に
よつて制限される。ND：YAG材料は結晶格子
においてイツトリウム原子をネオジム原子で置き
換えるためである。100個のイツトリウム原子ご
とにほぼ１つのイツトリウム原子がND：YAG
材料の格子構造を曲げることなく置換えられる。
この発明の増幅器の小さな利得の信号g0の理論
上の計算は、g0＝σ△Ｎの関係を用いて行なわ
れ、ここで、σはND：YAGに対する誘導放出
の断面、8.8×1019cm2であり、かつ△Ｎは、 △Ｎ＝（PP／Ｖ）・（n1n2tSP／hν）によつて与え
られる反転分布密度であり、PPは、吸収された
ポンピングパワーであり、Ｖは結晶の体積であ
り、ゆえにPP／Ｖは、フアイバの１単位体積あ
たりの吸収されたポンピングパワーであり、tSP
は、自然放射寿命、すなわちネオジムイオンの
230マイクロ秒のけい光緩和時間であり、n1は、
第３図に示されているように、ポンピング出力の
効果的なスペクトルのND：YAG吸収線との重
複であり、n2は1.06ミクロンのけい光の量子効
率、すなわち0.63に等しく、hνは１つのポンピン
グ光子のエネルギに等しい。
上述の関係を結合すると、 g0＝（σPP／Ｖ）・（n1n2tSP／hν）となり、利得
はポンピングパワーに依存する。PPの値は、吸
収されたポンピングパワーであり、フアイバの長
さの増大は必ずしも利得を増大させるものではな
いということは認識されるべきである。このよう
に、もしもポンピング放射が、ND：YAGフア
イバを介して、このフアイバに完全にポンピング
放射を吸収させるのに充分な距離を通過するため
にフアイバの長さが十分であるならば、そのとき
はこの方程式における値PPは入力パワーレベル
で置換えられる。n1の典型的な値は0.5であり、
120ミクロンの直径を有する単結晶フアイバ１４
においてPPが1mWに等しいのに対しg0が0.01db
に等しいということを我々は発見した。しかしな
がら、正味利得を得るために、g0から1.06ミクロ
ンにおけるフアイバ伝播の損失を差し引かなけれ
ばならない。１Kmあたりのフアイバの100dbの損
失は、１cmあたりわずか0.001dbずつ利得を減少
させる。このように、増幅器（第１図）内におけ
る光線２８に対する高い入射角度を維持すること
によつて増幅器の全長が相対的に短く維持され得
るならば、すべての入力ポンピングパワーを実質
的に吸収する一方で、増幅器内における伝播の損
失は低レベルに維持され得る。
ポンピングパワー密度は、現在使用可能な発光
ダイオードによつて比較的高いレベルに維持され
ている。実際、ほぼ1000A／cm2の電流密度で動作
し、ほぼ5W／sr・cm2の放射輝度を有する寿命の
長いLEDが使用可能であり、さらに、ほぼ
50W／sr・cm2の放射輝度が報告されている。前者
は、ほぼ1mWの電力を100ミクロンの直径の
YAGフアイバに結合することができ、後者は、
ほぼ10mWの電力を同一のフアイバに結合するこ
とができる。YAGの大きな屈折率の結果、57°
（すなわち2.8sr）の半分の角度で受け入れるの
で、この相対的に大きな電力が使用可能である。
これらのポンピングパワーの値によつて、利得は
フアイバ１４の長さの１cmあたり0.01ないし
0.1dbとなる。上述の結果は空気中で動作させら
れるYAGフアイバに適用される。もしもフアイ
バがクラツド型のガラス（Ｎがほぼ1.5に等しい）
ならば、受光角度はほぼ1srとなり、ポンピング
パワーおよび信号利得の上述の値は、2.8という
要素によつて減少される。
レーザダイオードによつて、ポンピングパワー
のより大きな値をフイアバ１４に集中することが
可能である。いずれにしても、ほぼ30mWの平均
電力を有し、120ミクロンの直径のフアイバにお
ける0.3dbの信号利得と、50ミクロンの直径のフ
アイバにおける1.7dbの信号利得とに応答するポ
ンピング信号を、フアイバに注入することが考え
られる。
上述の説明から明白なように、そして再び第１
図を参照すると、ND：YAGフアイバ１４を適
正にポンピングするために、ポンピング光源２
４，２６が連続的に動作させられるか、あるいは
入力信号がフアイバ１４に与えられる前に直ちに
動作させられること、すなわちネオジムイオンの
230マイクロ秒のけい光緩和時間内において良好
であることのいずれかが必要である。ポンピング
光源２４および２６からの波長は、短い吸収距離
でND：YAGフアイバ１４内において吸収され
るので、フアイバ１４を介する信号伝播を干渉す
ることなく、そしてポンピング照射がそれ自体フ
アイバ１４を介して伝播されることに関係なく、
ポンピング光源２４，２６を連続的に動作させる
ことが可能である。再度第１図を参照すると、屈
折率N1は周囲の空気の屈折率よりも高いので、
端部１８，２０に隣接し、しかし外被２２の外側
である領域において、ND：YAGフアイバ１４
が増幅前および増幅後の信号を案内するというこ
とが注目される。
同様に、その屈折率N2が周囲の空気の屈折率
よりも高いので、外被２２の下の領域において、
水晶フアイバ１２はポンピング光源２４，２６か
らの光を案内する。もちろん、外被２２の両端部
の下の領域において使用されるクラツデイングの
屈折率が水晶の屈折率よりも低い限り、表面の損
失を減少させるためにこの領域における水晶フア
イバ１２をクラツデイングすることもまた可能で
ある。
光源２４からのポンピング光が増幅器システム
内において端部１８に隣接して最初に吸収される
傾向があり、そしてフアイバ１４の長さは光源２
４によつて均一に照射されないということが認識
されるであろう。このように、ネオジムイオンの
反転分布は、長さ１６に沿つて均一には分布され
ていない。増幅器内部におけるこの不均一なある
いは非対称的な状態は、端部２０における信号入
力と比べ、端部１８における信号入力に対して異
なる利得を生じるので（特にこれらの信号が同時
に発生したとき）、ポンピング光源２４，２６に
よつて水晶フアイバ１２を両端で同時にポンピン
グし、反転されたネオジムイオン分布は長さ１６
に沿つて左右対称であり、端部１８，２０のいず
れかからの信号を均一に増幅することを保証する
ことが有利であると判明した。
ネオジムイオンの非対称的な反転分布を伴い異
なる方向にフアイバ１４を通過する信号に対する
類似していない利得の現象は、以下のように発生
する。増幅されるべき信号がフアイバ１４の端部
１８から伝播されるときに、それが長さ１６を通
過するにつれてND：YAGフアイバ内部におい
て誘導された光子の放出をトリガするということ
は認識されるであろう。そのようなトリガされた
放出は、もちろんフアイバ１４内における反転分
布を低くする。たとえばジヤイロスコープにおい
て、もしも１対の波がフアイバ１４を介して端部
１８および２０から反対の方向に同時に伝わるな
らば、第１図に示されるように、端部２０におけ
る信号入力がフアイバ１４の左端部に到着する前
に、端部１８における信号入力は、端部１８に隣
接する反転分布をなくする。もしも反転分布がフ
アイバ１４の右端部におけるよりも左端部におい
てより高ければ、端部２０における入力である信
号が高密度の左端部に到着する前に反転分布をな
くするので、端部１８における信号入力はより大
きな増幅を受ける。
ポンピング光源２４，２６からND：YAGフ
アイバ１４に与えられたポンピング照射は、連続
するバイアスにおいて、信号が増幅されたときに
発生するフアイバ１４内における消滅した分布を
置換えるのに十分であるということもまた認識さ
れるべきである。このように、たとえばパルス信
号が１Kmのフアイバを循環するジヤイロスコープ
において、第１図に示されるように対向して伝播
する信号は、ほぼ５マイクロ秒ごとに一度増幅器
を通過する。もしも連続するポンピング光源２
４，２６が使用されれば、増幅器の増幅定数また
は利得が相対的に一定に保たれるような、緩和さ
れた分布に等しい分布を再度反転するために、信
号の各々の連続する通過期間中に緩和されたネオ
ジムイオン分布を、５マイクロ秒の期間ごとに再
度反転することができるように、それらは十分な
出力を提供する。
第６図は、第２図に類似し、第２図の外被２２
を利用せず、しかしND：YAGフアイバ１４と
水晶フアイバ１２との間の屈折率の差に依存し、
一方で周囲の空気の屈折率に依存し、さらに他方
でシステム内のポンピング光および信号光を案内
する構造の他方の断面図を示している。この実施
例において、フアイバ１４およびフアイバ１２の
双方は、第１図の長さ１６のような必要とされる
干渉の長さを介して隣接するプレーナ外部表面３
４および３６を設けるように一方の表面に沿つて
研磨される。
第６図において示されている構成によつて、フ
アイバー空気の境界面およびフアイバ−フアイバ
の境界面の双方によつて増幅されるべき信号がフ
アイバ１４内で良好に案内されるように、ND：
YAGフアイバ１４の屈折率は水晶フアイバ１２
の屈折率よりも高い。一方で、水晶フアイバ１２
内部のポンピング信号は、周囲の媒体と接合する
その周囲の部分を通じて案内され、しかし表面３
２において案内されず、そしてこのようにND：
YAGフアイバ１４に伝えられ、そのフアイバ１
４においてネオジムイオンをポンピングする。も
ちろん、第６図に示される実施例は、第２図の外
被２２のような周囲の外被内部に設けられ、そこ
では外被は、水晶フアイバ１２またはND：
YAGフアイバ１４のいずれかよりも低い屈折率
を有しているということもまた認識されるであろ
う。この周囲の外被は装置の基本的な動作を変え
ることはないが、しかし表面の不均一性によつて
生じる表面の散乱を除去し、そしてこのようにフ
アイバ１２および１４の境界内でポンピングおよ
び信号光を維持するのを助ける。
第１図の実施例において、光源２４および２６
から十分な照射を与え、フアイバ１４内における
高反転分布を維持するために、ポンピング光源２
４および２６はレーザ光源でなければならない。
第７図の実施例は、直列の増幅器に対する、発光
ダイオード光源のような複数の低レベルの光源を
適用させるが、各々の増幅器は、第１図の増幅器
によつて与えられる利得に等しい全体的な利得
と、しかし発光ダイオードのより低いコストおよ
び電力の要求とを、信号を伝える小さな利得にも
たらす。
第７図に示すように、水晶フアイバ１２ａ−ｅ
および信号引き延ばしND：YAGフアイバ１４
の双方を取り巻く２２ｅを介する外被２２ａによ
つて、１２ｅを介する複数の水晶フアイバ１２ａ
は第１図に類似する態様で配置される。この配置
によつて、発光ダイオード３８ａ−ｅおよび３９
ａ−ｅは、各々１２ｅを介して水晶フアイバ１２
ａの各々の向かい合う端部に結合され、直列の低
利得増幅器に対するポンピング光源を提供する。
第１図また第７図のいずれかの配置によつて、
ほぼ２cmの全長にわたつて、単一ポンピング光線
をND：YAGフアイバ１４を介してほぼ100の反
射通過をさせ、高い空洞を形成する。このよう
に、ND：YAGフアイバ１４を横方向に介する
単一光線の経路は、実質的には物質における吸収
長よりも短いが、複数の通過光は、ND：YAG
フアイバ１４内におけるポンピング光源照射の実
質的な割合を吸収させる。
もしも端部１８および２０が適当に反射されれ
ば、第１図に示された構造は、発振器または
ND：YAGフアイバのレーザ放射周波数におけ
る照射のための光源を提供するということもまた
認識されるべきである。このように、フアイバ１
４の端部１８上にレーザ放射周波数において照射
のほぼ100％を反射するミラーを配置し、かつフ
アイバ１４の端部２０上に同一の周波数で照射の
より低い割合を反射する第２のミラーを配置する
ことにより、第１図に示された構造は、フアイバ
１４内で長さ１６を介して前後に反射されたコヒ
ーレント光波を伴うフアイバレーザ光源として使
用され、そしてフアイバのレーザ放射周波数にお
ける光に面するコヒーレント波として、端部２０
における部分的な反射ミラーを介して放出され
る。
第１図に示された構造が照射光源として使用さ
れるときに、ポンピング光源２４，２６はポンピ
ング波長において安定した光出力を提供し、その
場合、安定し連続した光出力はフアイバ光源によ
つて提供される。もしも、一方で光源２４，２６
からのポンピング光が変調されれば、変調された
出力は第１図の構造内部において発生する。
上述の説明から認識されるように、信号フアイ
バ１４内で増幅されるべき信号を案内し、しかし
増幅システムの全体の外被２２内でのみポンピン
グ光を案内する屈折率を与える物質の適当な選択
は、このフアイバ１４の直径が実質的にポンピン
グ波長におけるND：YAG材料の吸収長以下で
あつても、全体の空洞構造内における複数の反射
がND：YAGフアイバ１４を側面にポンピング
させる、小さな比較的高い利得の増幅システムを
提供する。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明のフアイバ増幅器の好ましい
実施例の物理的構成を示す図である。第２図は第
１図の線２−２に沿つた第１図の構成の断面図で
ある。第３図は300°KにおけるND：YAGの吸収
スペクトルを示す図である。第４図はND：
YAGのエネルギレベルを示す図である。第５ａ
図および第５ｂ図はND：YAGのようなドープ
された物質を使用する４レベルレーザの簡略化さ
れたエネルギレベルを示す図である。第６図は増
幅器の他の形状を示す、第２図に類似した断面図
である。第７図は低レベルの光源を有する直列の
光学増幅器を示し、第１図に類似する第２の他の
形状の図である。 図において、１２はポンピングフアイバ、１４
は信号フアイバ、１８，２０は端部、２２は外
被、２４，２６は光源を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ コヒーレント光を発生するフアイバ光学装置
    であつて、第１の屈折率を有する第１のフアイバ
    １２と、 レーザ放射する活性レーザ放射物質でドープさ
    れ、前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を
    有し、干渉領域１６を形成するように前記第１の
    フアイバに相対的に極めて接近して位置決めされ
    た第２のフアイバ１４と、 前記第１のフアイバ１２に光を導入して、前記
    第２のフアイバ１４の前記レーザ放射物質をポン
    ピングする光源２４，２６と、 前記第１のフアイバ１２から前記第２のフアイ
    バ１４への光の転送を許容する一方で、前記第２
    のフアイバ１４から前記第１のフアイバ１２への
    光の転送を妨げる外被２２とを備え、前記外被２
    ２は、前記第２の屈折率よりも小さいが前記第１
    の屈折率よりも小さくない屈折率を有する、フア
    イバ光学装置。 ２ 前記第２のフアイバ１４における光信号を発
    生する光源をさらに備え、 前記信号はレーザを放射する前記物質から自然
    コヒーレント光の放出を誘導する、特許請求の範
    囲第１項記載のフアイバ光学装置。 ３ 前記信号は、前記第２のフアイバ１４の前記
    物質のレーザ放射周波数に等しい周波数を有す
    る、特許請求の範囲第２項記載のフアイバ光学装
    置。 ４ 前記第２のフアイバ１４の前記屈折率および
    前記外被２２の前記屈折率は、前記光信号を前記
    第２のフアイバ１４内で案内させる、特許請求の
    範囲第１項記載のフアイバ光学装置。 ５ 前記第１のフアイバ１２の前記屈折率および
    前記外被２２の前記屈折率は、前記第１のフアイ
    バ１２内に導入された前記光が前記第１のフアイ
    バ１２内を案内されることを禁止するように選択
    される、特許請求の範囲第１項記載のフアイバ光
    学装置。 ６ 前記外被２２は、前記外被２２の屈折率より
    も低い屈折率を有する物質によつて取り巻かれ
    る、特許請求の範囲第１項記載のフアイバ光学装
    置。 ７ 前記第２のフアイバ１４はND：YAG材料
    から形成される、特許請求の範囲第１項記載のフ
    アイバ光学装置。 ８ 前記第１および第２のフアイバ１２，１４
    は、各々一方の外側のフアイバ表面３４，３６に
    沿つて研磨され、かつ前記研磨された表面３４，
    ３６は前記干渉領域１６を形成するように並列に
    配置される、特許請求の範囲第１項記載のフアイ
    バ光学装置。 ９ 前記第１のフアイバ１２に光を導入する前記
    光源２４，２６は、前記第２のフアイバ１４の前
    記レーザ放射物質の吸収スペクトルピークに相当
    する波長を有する光を発生する、特許請求の範囲
    第１項記載のフアイバ光学装置。 １０ 前記第１のフアイバ１２に光を導入する前
    記光源２４，２６は、前記第２のフアイバ１４の
    前記レーザ放射物質を均一にポンピングするよう
    に前記第１のフアイバ１２に沿つて双方向に光を
    発生する、特許請求の範囲第１項記載のフアイバ
    光学装置。 １１ 増幅されるべき光信号を前記第２のフアイ
    バ１４内に導入する光源をさらに備え、 前記第１のフアイバ１２内に光を導入する前記
    光源２４，２６は、増幅されるべき前記光信号の
    前記第２のフアイバ１４内への導入に先行する
    が、十分前記レーザ放射物質の自然緩和けい光時
    間内に前記光を導入する、特許請求の範囲第１項
    記載のフアイバ光学装置。 １２ 前記第１のフアイバ１２内に光を導入する
    前記光源２４，２６は、前記第２のフアイバ１４
    の前記レーザ放射物質内で、増幅されるべき前記
    光信号の増幅期間中に消滅した反転イオン分布を
    回復するのに十分な光を導入する、特許請求の範
    囲第１１項記載のフアイバ光学装置。 １３ コヒーレント光を発生する方法であつて、 第１の屈折率を有する第１のフアイバ１２を設
    けるステツプと、 前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有
    し、レーザ放射する物質から形成された第２のフ
    アイバ１４を設けるステツプと、 前記第１のフアイバ１２にポンピング照射の光
    源２４，２６を結合して前記第２のフアイバ１４
    の前記物質をポンピングするステツプと、 前記第１のフアイバ１２から前記第２のフアイ
    バ１４への光の転送を許容する一方で、前記第２
    のフアイバ１４から前記第１のフアイバ１２への
    光の転送を妨げるステツプと、 前記透明な外被２２の屈折率を前記第２の屈折
    率よりも小さいが前記第１の屈折率よりも小さく
    ないように選択するステツプとを含む、方法。 １４ 増幅されるべき信号を前記第２の光フアイ
    バ１４内に導入してレーザ放射する前記物質のコ
    ヒーレントなレーザ放射を誘導するステツプをさ
    らに含む、特許請求の範囲第１３項記載の方法。 １５ 前記ポンピング照射を結合するステツプ
    は、レーザ放射する前記物質の吸収スペクトルに
    おける高い吸収レベルを示す周波数における照射
    をもたらすステツプをさらに含む、特許請求の範
    囲第１３項記載の方法。
JP58233465A 1982-12-10 1983-12-09 フアイバ光学装置および光信号増幅方法 Granted JPS59114883A (ja)

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