JPH06503921A - 光ファイバ増幅器およびレーザ - 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】 光フアイバ増幅器およびレーザ 本発明は光フアイバ増幅器、レーザおよびこれらを備えた光通信システムに関す る。本発明は特にフルオロジルコニウム酸塩光フアイバ群のＴｍ３＋イオンに関 連する変化に基ずくシステムに関する。

シリカベースのガラスと比較したときのフルオロジルコニウム酸塩ガラス母体の 減少した光子エネルギの結果としてマトリックスにドープされた希土類イオンの 多くのエネルギレベルの寿命が非常に増加する。このことはレーザ放射で上部の 集団貯蔵器を提供する能力のある非常に多数の準安定レベルを生成する。長距離 と導波体幾何学的形態のポンプおよび信号モードの良好な空間的オバーラップに わたる限定と結合すると、このことはファイバ形態の多くの新しいレーザソース の実現につながることが可能である。

ツリウムはＡｌＧａＡｓレーザダイオードから容易に得られる波長である７９０ ｎｍを中心とする強い吸収帯域を有するのでファイバレーザで使用するとき特に 魅力のあるドープ剤である。ダイオードポンプしたＴｍ３＋でドープしたフルオ ロジルコニウム酸塩のファイバレーザは文献（Ｃａｒｔｅｒ　Ｊ、Ｎ９、Ｓｍａ ｒｔ　Ｒ９Ｇ、、Ｈａｎｎａ　Ｄ、　Ｃ，、Ｔｒｏｐｐｅｒ　Ａ、　Ｃ，の“Ｃ Ｗ　ｄｉｏｄｅ　ｐｕｍｐｃｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　１．９７　μ ｍ　ｔｈｕｌｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ　ｆｌｕｏｒｏｘｉｒｃｏｎａｆｅ　ｆｉｂｒ ｅ　１ａｓｅｒ”　、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　、　１９９０ 年、２６．５９９〜６０１頁とＡ１１ｅｎ　Ｒ，、Ｅｓｔｅｒｏｗｉｔｘ　Ｌ、 の“ＣＷ　ｄｉｏｄｅ　ｐｕｍｐｅｄ　２．３　μｍ　ｆｉｂｅｒ　１ａｓｅｒ ”　、Ｈｅｃｆｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　、　１９８９年４月、５５．７ ２１〜７２２頁）でそれぞれ既に１．９μｍについて報告されており、レーザ放 射は６７６．４μｍでクリプトンイオンレーザでポンプされたときの３Ｆ　−３ Ｈ６変換について文献（Ａｌｌａｉｎ　１．Ｙ、　Ｍｏｎｅｒｉｅ　Ｍ、とＰｏ ｉｇｎａｎ！　Ｈ，の“Ｔｕｎａｂｌｅｃｗ　ｌａｓｉｎｇ　ａｒｏｕｎｄ　Ｏ ，８２，１，４８，１，８８，２，３５μｍ　ｉｎ　ａ　ｆｈｕｌｉｕｍ−ｄｏ ｐｅｄ　ｆｌｕｏｒｏｘｉｔｃｏｎａｊｅ　ｆｉｂｅｒ　”　、　Ｅｌｅｃｔｒ ｏｎｉｃｓ　Ｌｅ目ｅｒｓ　。

１９８９年、２５．１６６０〜１６６２頁）で８２０μｍについて報告されてい る。本発明によると光フアイバ増幅器はＴｍ３＋でドープしたコアを有するフル オロジルコニウム酸塩光ファイバと、Ｔ３＋　、　３ ｍ　イオンを直接　Ｆ４に増加する光ポンプパワーを供給するためのポンプ手段 からなる。

本発明のポンプ方式により利用される変換はダイオードレーザによりポンプされ ることが可能であるだけでなく利得もＡｌＧａＡｓのダイオードレーザの波長領 域内に落ちる特定の値である　Ｆ　Ｈ６変換である。ＡｌＧａＡｓダイ第−ドレ ーザ波長で得られる高利得増幅とエネルギ蓄積（Ｑスイッチ能力）の見込みはこ の変換がダイオードレーザソースの融通性を大きく増加する手段を提供すること を示唆する。

３Ｆ　−３Ｈ６変換は　Ｆ４レベルからの非放射性で多重光子崩壊率が放射率と 比較して無視できる状態であり、さらにこの変換のブランチング比が２．３μｍ と１．４７μｍで他の放射率より顕著であるので、ＺＭＬＡＮＰガラスにおける 特に好らの非放射崩壊は急速である（典型的に２０μｓより少ない寿命であり、 フルオロジルコニム酸塩の寿命の測定結果は１．１ｍｓであった）。

光ポンプパワーはＴｍ３＋イオンを３Ｆ　レベルの上部スタ−フレベルに増加す ることが好ましい。ポンプ手段はダイオードレーザであり、特にＡ　Ｉ　ＧａＡ ｓレーザである。

本発明のさらに別の視点によると、レーザは３Ｆ　−３Ｈ洞内の全ての請求の範 囲内で請求されている光増幅器からなる。共振空洞は例えば誘電体ミラーに対し てファイバ増幅器の端部を突合わせ接触させることにより限定される。

本発明のさらに別の局面によると、光通信システムは本発明の最初の２つの観点 のいずれかによる光増幅器又はレーザに光学的に結合された光通信ネットワーク からなる。

添付図面を参照して本発明の実施例および動作の原理が説明される。

図１はＴｍ３＋でドープしたＺＢＬＡＮＰ光ファイバの吸収損失と蛍光強度のグ ラフである。

図２はＴｍ３＋でドープしたＺＢＬＡＮＰガラスの部分的エネルギレベルの線図 である。

図３は８０３ｎｍにおける７０％の出力結合に対する７７７ｎｍにおける出力パ ワ一対入射ポンプパワーのグラフである。

図４は本発明による光増幅器を備えた本発明の光通信システムの概略図である。

図５は本発明によるレーザの概略図である。

図１は吸収測定がＴｍ３＋でドープしたバルクＺＢＬＡＮＰガラスサンプルで行 われた　Ｆ　Ｈ６レベルの間の変換に対応する７４０〜８５０ｎｍ領域にわたる 吸収損失と蛍光スペクトルの両者を示している。これらの試験で使用されたファ イバ５０（図５参照）は標準的なＺＢＬＡＮＰ構造であり、詳細はここでは記載 しない既知の鋳造技術により製造される。

しかし、文献（ＰＷ　ＦｒａｎｃｅとＳＦ　ＣａｒｔｅｒとＭＷＭｏｏｒｅとＣ ＲＤａＹによる“？ｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｆｌｕｏｒｉｄｅ　ｆｉｂｒｅｓ　ｆ ｏｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ”　、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｉｃｓ　Ｌｅｖｅｒｓ　、　１９３８年、２４．１２２２〜１２２３頁）を参考 文献として示してお（。ファイバはツリウムイオン（Ｔ　ｍ　３＋）イオンの重 量で１０００ｐ　ｐ　ｍドープされ、Ｔｉ：サフィヤレーザ５２により７８０ｎ ｍでポンプした１、６μｍの遮断波長を有する６μｍのコア直径を具備する。

７９０ｎｍのピークの吸収損失はファイバ中の濃度に対して２４Ｄｂ／ｍである と計算される。蛍光スペクトルはＴｉ：すフィアレーザから（Ｆ４の上部スター クレベルへ）　７８４　ｎｍでポンプすることにより得られ、再吸収によるひず みを阻止するためサイドライトで観察された。３Ｆ　レベルのイ第ンは計算され たブランチングでほぼ全体的に放射的にそれぞれ３％、９％、８９％の　Ｈ、、 Ｈ，Ｈ６レベルに緩和される。計算はＧｕｅｒｙ　Ｃ，、ＡｄａｌＩＩＪ、Ｌ、 　、Ｌｕｃｘｇ　Ｊ、による文献（“０ｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｔｓ　 ｏｆ　Ｔｍ３＋１ｏｎｓ　ｉｎ　ｉｎｄｉｕｍ−ｂａｓｅｄｆｌｕｏｒｉｄｅ　 ｇｌａｓｓｅｓ−ＳＪ　Ｌｕｍ１ｎｅｓｃｅｎｃｅ、１１９８８年、４２．１８ １〜１８８頁）の場合と類似であるが、ここではＺＢＬＡＮＰガラスに適切なパ ラメータで実行する。約８００ｎｍで光子を生じる崩壊はそれ故好ましいルート でありこの方式で利用できるものである。

レーザ動作では標準的なファプリーペロー空洞は０．７ｍの長さのファイバ５０ の破断端部４６．４８を２つの絶縁体ミラー５４．５６と突合わせて接触部を屈 折率整合流体５８に浸すことにより形成された。同調可能なＴｉ：サフィアレー ザ６２からのポンプ光は１０倍の顕微鏡対物レンズ６４を使用してファイバに結 合された。入力ミラー５４は８０５ｎｍより大きい波長で高反射性（〉９９％） であり、７７７ｎｍで最大の９０％透過率を有し７９０ｎｍと８００ｎｍの間の 急峻な透過端部とを有している（透過はそれぞれ８０％と５％）。これらの図面 はここでは空気中の伝送を示し、ミラーとファイバの突合わせ接触が屈折率整合 流体中にあるとき著しく減少する。連続的なレーザ放射は光学系（およびそれ故 単−のモードのファイバ中への入射が推定６ｍＷ）のポンプパワー入射の２０Ｍ ｗの低しきい値動作は出力上の同様のＨＲ４ラー５６と、７７７ｎｍに同調する ポンプレーザ６２と、入力ミラーのピーク伝送とによって達成されグランドレベ ルへ行われる。

信号波長における２つの高反射ミラー５４．５６のこの構造によって６５０　ｍ Ｗの入射ポンプパワーでは８０６ｎｍの最大出力パワーは５ｍＷである。しかし 出力ミラー５６は（空洞が８０５ｎｍと８２０ｎｍのポンプ波長でそれぞれ９０ ％、３０％、９５％の空気中におけるフィードバックを有するように）シフトし たが同様に急峻な透過端部を有するミラーに対して変化すると、レーザ放射は８ ０３ｎｍで連続波と観察され、８２３ｎｍで（自己終端）パルスで発生され、そ れぞれ８０ｍＷと９５ｍＷのしきい値ポンプパワーを有する。これらの特定の状 況下におけるは図３で示されている。勾配効率は入射ポンプパワー（発射パワー に関して４５％）に関して１５％であり、入射光学系への９００　ｍＷの最大パ ワーではパワー８０３ｎｍの１２５　ｍＷが入射が得られる。

ファイバ中の散乱損失が１μｍと約１．５μｍで数ｄＢ／ｍであることが測定さ れ、一方信号波長における正確な損失は約８００ｎｍの吸収により簡単に決定さ れることはできない。

高いしきい値はファイバの本質的な散乱損失またはファイバとミラーの境界面の 高い突合わせ損失のいずれかから生じる空洞の損失を指示する。

このレーザ構造は励起と出力波長が両者ともＡ　Ｉ　ＧａＡｓレーザダイオード 領域内にあるのでという特に重要性を持つ。

現在の８５０ｎｍの発表されたレーザとを組合わせてＥｒ３＋でドープしたＺＢ ＬＡＮＰファイバの８０１ｎｍにおける光子の励起状況吸収によりポンプすると き（Ｍｉｌｌａｒ　Ｃ，Ａ、　、Ｂｒ１ｅｒｌｅ７　Ｍ、Ｃ，、Ｈｕｎｔ　Ｍ、 Ｈ，、Ｃａｒｔｅｒ　Ｓ、Ｆの文献“Ｅｆｆｉｃｉｅｎｊ　ｕｐ−ｃｏｎｖｅｒ ｓｉｏｏ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ａｔ　８１０　＋＋ｍ　ｏｆ　ａｎ　ｅｒｂｉｕｍ −ｄｏｐｅｄ　ｆｌｕｏｒｉｄｔ　ｆｉｂｒｅ　１ａｓｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｎ ｇ　ａｔ　８５０　ｎｍ　”　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ＠）、増 幅は広い範囲のＡｌＧａＡｓダイオードレーザ波長にわたって得られる。ツリウ ムの　Ｆ　Ｈ６変換はポンプと信号光子の間の小さいストロークシフトと、ポン プ量子の高効率（ポンピングが直接上部レーザレベルになるので）と、ポンプと 信号モードの間の適切な空間的オバーラップのため低損失ファイバにおいて高い 効率であることが期待される。期待される高利得と共にそれはダイオードレーザ のみで現在利用できるよりも融通性を与える８００ｎｍのソースの多くの応用を 示唆する。魅力的な構造は空洞内変調器を含むことによって高パワーのＱスイッ チしたパルスを生成するためファプリーペロー空洞のエネルギ蓄積特性を利用す ることと、８００〜８２５ｎｍの範囲に渡って波長選択を行うため空洞内同調素 子を使用することと、低パワーパルスダイオードソースの高利得増幅または低輝 度で単一の横断モード出力の変換を行うことを含む。この最後の可能性はダイオ ードアレイからのポンプ光が内部クラディングに入射され、ファイバに沿ってド ープしたコア（レーザ波長で単一モードにされている）に結合される二重クラッ ドファイバを使用することにより達成される。

前述したようにポンプされたツリウムでドープされたフッ化ファイヤはファイバ 増幅器の基本を形成することも可能で、その実施例は図４の概略図に示されてい る。

図４ではＴｍ３＋ドープしたフルオロジルコニウムファイバはスプライス４およ び６によりシリカベースの光ファイバ８およびシリカベース光フアイバ結合器１ ２のポートｌＯにそれぞれ結合されている。

ファイバ８はシリカベースの光通信システムファイバ１４へ融着スプライス接合 される。

結合器１２のポート１６はシリカベースの光通信システムファイバ１８に融着ス プライス接合される。従って結合器１２はファイバ増幅器２とシステムファイバ １４に増幅された信号の上流方向の伝送用に融着スプライス接合されるが、ルー トはファイバ１８から増幅される入射信号に対して与えられる。

ファイバ増幅器２は７８０ｎｍ域内で動作する結合器１２のポート２２に結合さ れる半導体ダイオード２０によりポンプされる。

Ｔｍ”Ｆ−プＺＢＬＡＮＰガラスの部分エネルギレベル図入射パワー（ｍＷ） ８０３ｎｍ″Ｃ′結合する７０％出力に対する７７７ｎｍにおける出力パフ対入 射ポンプバワ補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の８）平成５年３月３日

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｔｍ３＋でドープされたコアを有するフルオロジルコニウム散塩光ファイ バと、Ｔｍ３＋イオンを直接３Ｆ４レベルに上げるように光ポンプパワーを供給 するためのポンプ手段とを具備する光増幅器。
2. （２）光ポンプパワーがＴｍ３＋イオンを３Ｆ４レベルの上部スタークレベルに 上昇させる請求項１記載の光増幅器。
3. （３）ポンプ手段がダイオードレーザである請求項１または２のいずれか１項記 載の光増幅器。
4. （４）ダイオードレーザがＡｌＧａＡｓレーザである請求項４記載の光増幅器。
5. （５）光ファイバがＺＢＬＡＮＰ構造である請求項１乃至４のいずれか１項記載 の光増幅器。
6. （６）光ファイバがＴｍ３＋の重量で約１０００ｐｐｍドープされている請求項 １乃至５のいずれか１項記載の光増幅器。
7. （７）反射手段により限定され、３Ｆ４−３Ｈ６変換の波長で共振するように構 成されている共振空洞と、共振空洞内の請求項１乃至６のいずれか１項記載の光 増幅器とを具備するレーザ。
8. （８）反射手段が誘電体ミラーで構成されている請求項７記載のレーザ。
9. （９）ミラーのうちの１つが８０５ｎｍより大きい波長に対して９９％より大き い反射率を有する請求項８記載のレーザ。
10. （１０）前記ミラーのうちの１つが空気中で７９０ｎｍと８００ｎｍの間の急峻 な透過端部を有する請求項９記載のレーザ。
11. （１１）両者のミラーが８０５ｎｍより大きい波長に対して９９％より大きい反 射率と空気中で７９０ｎｍと８００ｎｍの間の急峻な透過端部を有する請求項９ 記載のレーザ。
12. （１２）光ポンプパワーが７７７ｎｍである請求項１１記載のレーザ。
13. （１３）他方のミラーが７７７ｎｍ、８０５ｎｍ、８２０ｎｍでそれぞれ約９０ ％、３０％、９５％の空気中の反射率を有する請求項１０記載のレーザ。
14. （１４）請求項１乃至１３のいずれか１項で記載されている光増幅器またはレー ザに光学的に結合している光ファイバ通信ネットワークを具備する光通信システ ム。