JP2011018765A - 光増幅用光ファイバおよび光ファイバ増幅器ならびに光ファイバレーザ - Google Patents

光増幅用光ファイバおよび光ファイバ増幅器ならびに光ファイバレーザ Download PDF

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Abstract

【課題】非線形光学現象の発生がいっそう抑制された光増幅用光ファイバ、およびこれを用いた光ファイバ増幅器ならびに光ファイバレーザを提供すること。
【解決手段】少なくともエルビウムとアルミニウムとが添加されたコア部と、前記コア部の外周に形成され前記コア部よりも屈折率が低いクラッド部と、を備え、波長１５３０ｎｍ近傍における吸収係数のピーク値が３５ｄＢ／ｍ以上であり、波長１５５０ｎｍにおいて、正常分散特性を有しかつ有効コア断面積が２０μｍ2以上であるとともに、励起光から１５５０ｎｍの波長を有する増幅された光へのパワー変換効率が３０％以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、光増幅物質であるエルビウムをコア部に添加した光増幅用光ファイバおよび光ファイバ増幅器ならびに光ファイバレーザに関するものである。
近年、コア部に光増幅物質であるエルビウム（Ｅｒ）を添加した光ファイバであるＥＤＦ（Ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ）を用いた光ファイバ増幅器が様々な用途で用いられる。
ここで、光ファイバ増幅器に用いられるＥＤＦは、増幅させる光の品質の劣化を防止するために、内部での非線形光学現象の発生が抑制されたものが好ましい。たとえば、特許文献１には、屈折率プロファイルをいわゆるＷ型やα型に調整したＥＤＦが開示されている。特許文献１によれば、このように屈折率プロファイルを調整することによって、ＥＤＦの波長分散の絶対値を大きくするとともに、コア部におけるＥｒの分布とコア部を伝搬する光のモード分布との重なり積分を大きくすることによってＥＤＦの吸収係数を増大させて、使用するＥＤＦの条長が短くなるようにしている。これによって、ＥＤＦ中における四光波混合、相互位相変調などの非線形光学現象の発生を抑制している。
特開２００３−３１８４７３号公報
しかしながら、近年、光ファイバ増幅器の使用用途が多様化してきていることもあり、ＥＤＦに入力される光強度は高くなる傾向にある。このようなＥＤＦに入力される光強度が高い場合は、ＥＤＦ中で非線形光学現象が発生しやすくなる。ゆえに、非線形光学現象の発生がいっそう抑制されたＥＤＦが求められている。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、非線形光学現象の発生がいっそう抑制された光増幅用光ファイバ、およびこれを用いた光ファイバ増幅器ならびに光ファイバレーザを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光増幅用光ファイバは、少なくともエルビウムとアルミニウムとが添加されたコア部と、前記コア部の外周に形成され前記コア部よりも屈折率が低いクラッド部と、を備え、波長１５３０ｎｍ近傍における吸収係数のピーク値が３５ｄＢ／ｍ以上であり、波長１５５０ｎｍにおいて、正常分散特性を有しかつ有効コア断面積が２０μｍ2以上であるとともに、励起光から１５５０ｎｍの波長を有する増幅された光へのパワー変換効率が３０％以上であることを特徴とする。
また、本発明に係る光増幅用光ファイバは、上記の発明において、前記コア部の直径が２〜４μｍであり、前記クラッド部の前記コア部に対する比屈折率差が０．８〜１．３％であり、前記コア部において、エルビウムの濃度が１．５質量％以下であるとともにアルミニウムの濃度が１〜５質量％であることを特徴とする。
また、本発明に係る光増幅用光ファイバは、上記の発明において、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−５〜−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであることを特徴とする。
また、本発明に係る光増幅用光ファイバは、上記の発明において、前記クラッド部の前記コア部を挟む両側に、応力付与部材が設けられたものであることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記の発明のいずれか一つの光増幅用光ファイバと、前記光増幅用光ファイバを励起する励起光を出力する励起光源とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記の発明において、前記光増幅用光ファイバに接続されるとともに、増幅されるべき光または増幅された光を導波する少なくとも一つの接続光ファイバを備え、波長１５５０ｎｍにおいて、前記光増幅用光ファイバの波長分散値と条長との積と、前記各接続光ファイバの波長分散値と条長との積との和が略零であることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバレーザは、上記の発明のいずれか一つの光増幅用光ファイバと、前記光増幅用光ファイバを励起する励起光を出力する励起光源とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバレーザは、上記の発明において、前記光増幅用光ファイバに接続されるとともに、増幅されるべき光または増幅された光を導波する少なくとも一つの接続光ファイバを備え、波長１５５０ｎｍにおいて、前記光増幅用光ファイバの波長分散値と条長との積と、前記各接続光ファイバの波長分散値と条長との積との和が略零であることを特徴とする。
本発明によれば、非線形光学現象の発生がいっそう抑制された光増幅用光ファイバ、およびこれを用いた光ファイバ増幅器ならびに光ファイバレーザを実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る光増幅用光ファイバであるＥＤＦの模式的な断面と対応する屈折率プロファイルとを示す図である。 図２は、実施の形態１の変形例に係る光増幅用光ファイバである偏波保持型のＥＤＦの模式的な断面図である。 図３は、実施の形態２に係る光ファイバ増幅器の構成を示す模式図である。 図４は、接続光ファイバの条長の総和が１ｍまたは２ｍの場合のＥＤＦの条長と波長分散値との関係を示す図である。 図５は、実施例、比較例に係るＥＤＦの特性を示す図である。 図６は、実施の形態３に係る光ファイバレーザの構成を示す模式図である。 図７は、実施の形態４に係る光ファイバレーザの構成を示す模式図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る光増幅用光ファイバおよび光ファイバ増幅器ならびに光ファイバレーザの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、本明細書において、カットオフ波長とは、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１で定義するファイバカットオフ波長をいう。その他、本明細書で特に定義しない用語についてはＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。また、図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一符号を付している。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光増幅用光ファイバであるＥＤＦの模式的な断面と対応する屈折率プロファイルとを示す図である。図１に示すように、このＥＤＦ５は、コア部５ａと、コア部５ａの外周に形成されたクラッド部５ｂと、クラッド部５ｂの外周に形成された樹脂からなる被覆部５ｃとを備えている。
コア部５ａは、Ｅｒと、アルミニウム（Ａｌ）と、ゲルマニウム（Ｇｅ）と、フッ素（Ｆ）とが添加された石英系ガラスからなる。また、クラッド部５ｂは、コア部５ａよりも屈折率が低い石英系ガラスからなる。たとえば、クラッド部５ｂは、Ｇｅ、Ｆなどの屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスや、Ｆをドープしたガラス等からなる。このＥＤＦ５は、屈折率プロファイルＰが示すように、ステップインデックス型の屈折率プロファイルを有している。コア部５ａの屈折率の最大値とクラッド部５ｂの屈折率との屈折率差８を比屈折率差Δで表すと、比屈折率差Δは１．１％である。なお、この比屈折率差Δは、コア部５ａの最大屈折率をｎcore、クラッド部５ｂの屈折率をｎcladとすると、下記式（１）で定義される。
△＝｛（ｎcore−ｎclad）／ｎcore｝×１００ （％） （１）
また、コア部５ａの直径（コア径）は３．５μｍである。なお、コア部５ａのコア径は、コア部５ａとクラッド部５ｂとの境界領域でΔの１／２の比屈折率差を有する位置における径として定義される。
また、コア部５ａにおけるＥｒの濃度は、０．７８質量％（ｗｔ％）ときわめて高濃度であり、Ａｌの濃度は、１．５質量％である。また、Ｇｅ、Ｆの濃度については、上述した比屈折率差Δは１．１％となるように適宜調整されている。なお、Ｇｅを添加することで、コア部５ａを製造するために用いるコアスートの製造性が向上する上、コア部５ａの屈折率の調整が容易になる。
ここで、一般に光ファイバ内で発生する非線形光学現象の程度は、コア部内での光の強度密度が高いほど大きく、また光ファイバの長さが長くて光の伝搬距離が長いほど大きい。これに対して、このＥＤＦ５は、上述したコア径、比屈折率差Δ、Ｅｒ濃度を有している。その結果、ＥＤＦの有効コア断面積は２０．４μｍ２と大きくなるとともに、ＥＤＦ５の波長１５３０ｎｍ近傍における吸収係数のピーク値が３５ｄＢ／ｍ以上である５４．６ｄＢ／ｍときわめて高いため、所定の増幅利得を得るために使用すべきＥＤＦ５の条長が短くてよくなる。その結果、ＥＤＦ５のコア部５ａ内の光の強度密度が低くなるとともに、光の伝搬距離も短くなるので、ＥＤＦ５中での非線形光学現象の発生が抑制される。
また、特に、このＥＤＦ５は、上述したコア径、比屈折率差Δを有しているため、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−９．６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとなっており、正常分散特性（負の波長分散）を有している。このようにＥＤＦ５が正常分散特性を有することによって、ＥＤＦ５を用いて光ファイバ増幅器、あるいは光ファイバレーザ等の光増幅デバイスを構成した場合、ＥＤＦ５とともにこれらを構成する１５５０ｎｍにおいて異常分散（正の波長分散）を有するＩＴＵ−Ｔ Ｇ６５２に規定される標準シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の分散を補償することができる。これにより、最終的に光デバイスから出力される光の残留分散を小さくすることができ、入力光の波形劣化を抑制できる。
また、ＥＤＦ５を用いてパルス光を増幅する場合には、ＥＤＦ５が正常分散特性を有することにより、非線形光学現象の１つであり、パルス波形を乱す原因となる高次ソリトンの発生を抑制することができる。
したがって、近年、計測、材料加工、バイオ、医療技術など様々な分野にて、高輝度性、メンテナンスフリー、軽量性・可搬性などの多数の有利な特徴を有する光ファイバ型の超短パルスレーザを応用する技術開発が行われているが、ＥＤＦ５は、このような超短パルスレーザに特に好適に用いることができる。
また、このＥＤＦ５は、Ａｌを適度な濃度で添加することにより、Ｅｒを高濃度に添加しているにもかかわらず、濃度消光が実用上問題のない程度にまで抑制されている。その結果、後述するように３０％以上という高いパワー変換効率を得ることができる。
なお、濃度消光とは、Ｅｒが高濃度になることによって、Ｅｒが吸収した励起光のエネルギーが、Ｅｒの間で起こる無輻射過程によって消失してしまう現象のことである。
また、このＥＤＦ５は、上述したようにステップインデックス型の屈折率プロファイルを有しているので、前述したＳＭＦとの接続性が良好であり、接続損失は、０．２ｄＢ以下とＷ型のＥＤＦと比較して大幅に低くなる。
なお、ＥＤＦ５のコア径、比屈折率差Δ、Ｅｒ濃度については、上述した値に限られない。たとえば、コア径が２〜４μｍ、比屈折率差がΔ０．８〜１．３％、Ｅｒ濃度が１．５質量％以下の範囲から適宜選択して組み合わせることによって、正常分散性を有し、吸収係数のピーク値が３５ｄＢ／ｍ以上、有効コア断面積が２０μｍ2以上、パワー変換効率が３０％以上という特性のＥＤＦが実現できる。なお、Ａｌ濃度については、濃度消光の抑制のために、Ｅｒ濃度の濃度等に応じて適宜設定するが、たとえば１〜５質量％程度が好ましい。
（実施の形態１の変形例）
つぎに、実施の形態１の変形例に係る光増幅用光ファイバについて説明する。本変形例に係る光増幅用光ファイバは、実施の形態１に係る光増幅用光ファイバＥＤＦ５を偏波保持型の光ファイバとした構成を有する。
図２は、本変形例に係る光増幅用光ファイバである偏波保持型のＥＤＦの模式的な断面図である。図２に示すように、この偏波保持型ＥＤＦ９は、コア部９ａと、コア部９ａの外周に形成されたクラッド部９ｂと、クラッド部９ｂの外周に形成された樹脂からなる被覆部９ｃとを備え、さらに、クラッド部９ｂのコア部９ａを挟む両側に、応力付与部材９ｄ、９ｄが設けられており、これによって偏波保持構造が実現されている。なお、コア部９ａ、クラッド部９ｂ、被覆部９ｃは、図１に示すＥＤＦ５と同様のものであり、コア部９ａおよびクラッド部９ｂはＥＤＦ５と同様の屈折率プロファイルを有する。また、応力付与部材９ｄ、９ｄは、たとえばボロン（Ｂ）が添加された石英系ガラスからなる。
応力付与部９ｄ、９ｄの好適な特性を例示すると、直径が３０〜３５μｍであり、コア部９ａからの距離が５μｍ程度であり、クラッド部９ｂに対する比屈折率差が−０．５〜−０．７％である。
そして、この偏波保持型ＥＤＦ９も、コア部９ａのコア径、コア部９ａのクラッド部９ｂに対する比屈折率差Δ、コア部９ａのＥｒ濃度、Ａｌ濃度がＥＤＦ５と同様に設定されているので、正常分散性を有し、吸収係数のピーク値が３５ｄＢ／ｍ以上、有効コア断面積が２０μｍ2以上、パワー変換効率が３０％以上という特性を有するＥＤＦとなっている。また、複屈折率はたとえば５．４×１０-４である。
本変形例に係る光増幅用光ファイバも、実施の形態１に係る光増幅用光ファイバと同様の効果を得ることができ、非線形光学現象の発生がいっそう抑制される。さらに、本変形例に係る光増幅用光ファイバは、偏波保持型となっているので、出力光が入力光の偏波状態と同じ偏波状態に維持される。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る光ファイバ増幅器について説明する。図３は、本実施の形態２に係る光ファイバ増幅器の構成を示す模式図である。図３に示すように、この光ファイバ増幅器１００は、励起光源１、２と、光カプラ３、４と、光増幅用光ファイバとしての実施の形態１のＥＤＦ５と、光アイソレータ６、１５と、ＥＤＦ５に直接的または間接的に接続される接続光ファイバ７ａ〜７ｆとを備えており、双方向励起型の構成を有している。また、光ファイバ増幅器１００は、その他にも、励起光源１、２と光カプラ３、４とをそれぞれ接続する光ファイバを備えている。そして、この光ファイバ増幅器１００は、波長１５４５〜１５６５ｎｍから選択された１５５０ｎｍの波長を有するパルス光Ｌ１を出力するパルス光源Ｓに接続され、この増幅されるべきパルス光Ｌ１を接続光ファイバ７ａにより受け付けて、これをＥＤＦ５が光増幅して増幅パルス光Ｌ２として、接続光ファイバ７ｆから出力するように構成されている。なお、パルス光源Ｓは、たとえば光ファイバレーザまたは半導体レーザ等により構成されている。出力するパルス光Ｌ１は、たとえばパルス幅が８００ｆｓ以下であり、繰り返し周波数が３０〜５０ＭＨｚのものである。また、パルス光Ｌ１の１パルスあたりのエネルギーは、ＥＤＦ５が利得飽和状態で動作するように設定されるが、たとえば３〜４ｐJである。
つぎに、各構成要素について説明する。励起光源１、２は、たとえば９８０ｎｍ帯または１４８０ｎｍ帯の波長を有する励起光を出力する光源であり、たとえば半導体レーザにより構成されている。なお、励起光源１、２から出力する励起光の光強度は、たとえば３００ｍＷ〜７００ｍＷである。また、光カプラ３は、励起光源１と、接続光ファイバ７ｂ、７ｃと接続しており、励起光源１が出力する励起光を受け付けて接続光ファイバ７ｂに出力するとともに、接続光ファイバ７ｂが導波するパルス光Ｌ１を受け付けて接続光ファイバ７ｃに出力するように構成されている。この光カプラ３は、たとえばファイバ溶融型、フィルタ型等のＷＤＭ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）カプラにより構成されている。
また、ＥＤＦ５は、接続光ファイバ７ｃ、７ｄとそれぞれ接続点Ｃ１、Ｃ２において融着接続している。
そして、ＥＤＦ５は、励起光源１、２から光カプラ３、４、接続光ファイバ７ｃ、７ｄを介して供給される励起光を吸収してＥｒが光励起された状態で、接続光ファイバ７ｃが導波するパルス光Ｌ１を受け付けると、Ｅｒの誘導放出作用によりパルス光Ｌ１を光増幅して増幅パルス光Ｌ２として、接続光ファイバ７ｄに出力する。
また、光カプラ４は、励起光源２と、接続光ファイバ７ｄ、７ｅと接続しており、励起光源２が出力する励起光を受け付けて接続光ファイバ７ｄに導波させるとともに、接続光ファイバ７ｄが導波する増幅パルス光Ｌ２を受け付けて接続光ファイバ７ｅに出力するように構成されている。この光カプラ４も、たとえばＷＤＭカプラにより構成されている。
また、光アイソレータ６は、接続光ファイバ７ａ、７ｂと接続している。この光アイソレータ６は、偏波無依存型のものであり、接続光ファイバ７ａが導波するパルス光Ｌ１を受け付けて接続光ファイバ７ｂに出力するとともに、接続光ファイバ７ｂから導波してきた光を遮断し、接続光ファイバ７ａ側に出力しない機能を有する。また、光アイソレータ１５は、接続光ファイバ７ｅ、７ｆと接続している。この光アイソレータ１５は、偏波無依存型のものであり、接続光ファイバ７ｅが導波する増幅パルス光Ｌ２を受け付けて接続光ファイバ７ｆに出力するとともに、接続光ファイバ７ｆから導波してきた光を遮断し、接続光ファイバ７ｆ側に出力しない機能を有する。そして、接続光ファイバ７ｆは、導波した増幅パルス光Ｌ２を外部に出力する。増幅パルス光Ｌ２の１パルスあたりのエネルギーは、たとえば８ｎJである。
なお、接続光ファイバ７ａ〜７ｆは、波長１５４５ｎｍ〜１５６５ｎｍにおいて異常分散特性を有する光ファイバであり、たとえば、ＳＭＦである。また、本実施の形態２においては、接続光ファイバ７ａ〜７ｆは同一種の光ファイバであり、その波長分散値はほぼ同一であるとする。
この光ファイバ増幅器１００は、上述したように、波長１５５０ｎｍのパルス光Ｌ１を増幅して増幅パルス光Ｌ２として出力するものである。
また、このＥＤＦ５は、前述したように、波長１５５０ｎｍにおいて、励起光から増幅された光へのパワー変換効率が３０％以上となり、エネルギー効率の観点から実用的なＥＤＦとなっている。
なお、ＥＤＦ５のパワー変換効率は、以下の式（２）で定義される。
（パワー変換効率）＝（（Ｐs out−Ｐs in）／ＰP in）×１００［％］ ・・・ （２）
ここで、Ｐs inはＥＤＦ５に入力する増幅されるべき連続光の光強度、Ｐs outはＥＤＦ５から出力する増幅された連続光の光強度、ＰP inはＥＤＦ５の両側から入力する励起光の光強度の総和である。なお、それぞれの光強度はＥＤＦ５の端面における値であるから、接続点Ｃ１、Ｃ２における接続損失の影響は、パワー変換効率の値には含まれない。また、それぞれの光強度は、［ｍＷ］等の線形単位で表される値である。
また、このＥＤＦ５は、上述したようにステップインデックス型の屈折率プロファイルを有しているので、ＳＭＦ等である接続光ファイバ７ｃ、７ｄとの接続性が良好である。その結果、パルス光Ｌ１、増幅パルス光Ｌ２、および励起光の、接続点Ｃ１、Ｃ２における損失は０．２ｄＢ以下と非常に低い。
また、この光ファイバ増幅器１００においては、波長１５５０ｎｍにおいて、ＥＤＦ５の波長分散値と条長との積と、各接続光ファイバ７ａ〜７ｆの波長分散値と条長との積との和が零になることが好ましい。すなわち、ＥＤＦ５の波長分散値と条長とをそれぞれＤEDF、ＬEDFとし、各接続光ファイバ７ａ〜７ｆの波長分散値と条長の総和とをそれぞれＤCF、ＬCFとすると、以下の式（３）が成り立つことが好ましい。
ＤEDFＬEDF＋ＤCFＬCF＝０ ・・・ （３）
このように、光ファイバ増幅器１００において、入力された増幅されるべきパルス光Ｌ１または増幅パルス光Ｌ２を導波する光ファイバであるＥＤＦ５および各接続光ファイバ７ａ〜７ｆの、それぞれの波長分散値と条長との積の和が零であれば、光ファイバ増幅器１００内の残留分散が零となるので、最終的に光ファイバ増幅器１００から出力される増幅パルス光Ｌ２には残留分散の影響が残らず、入力したパルス光Ｌ１の形状にいっそう近い形状に維持されるので好ましい。
なお、図４は、接続光ファイバ７ａ〜７ｆの条長の総和が１ｍまたは２ｍの場合の、式（３）が成り立つようなＥＤＦ５の条長と波長分散値との関係を示す図である。なお、図４においては、ＥＤＦ５の波長分散値は１５５０ｎｍにおける値としている。また、接続光ファイバ７ａ〜７ｆは、ＳＭＦであるとし、その波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が＋１５〜＋１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるとする。
図４に示すように、接続光ファイバ７ａ〜７ｆとしてＳＭＦを用い、その条長の総和が１〜２ｍ程度の場合、ＥＤＦ５の波長分散値が−５〜−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであれば、ＥＤＦ５の条長を１〜４ｍとすることで、式（３）が成り立つようにすることができる。
なお、式（３）においては、その右辺が零であるが、完全に零でなくても、０．１ｐｓ／ｎｍ以下の略零の値であれば、光ファイバ増幅器１００内の残留分散が極めて小さくなるので好ましい。
以上説明したように、本実施の形態２に係る光ファイバ増幅器１００は、非線形光学現象の発生がいっそう抑制されたものとなり、特に高次ソリトンの発生の抑制により、増幅パルス光Ｌ２をより好ましいパルス形状とすることができる。
（実施の形態２の変形例）
つぎに、実施の形態２の変形例に係る光ファイバ増幅器について説明する。本変形例に係る光ファイバ増幅器は、実施の形態２に係る光ファイバ増幅器１００において、ＥＤＦ５と、接続光ファイバ７ａ〜７ｆとを、偏波保持型の光ファイバに置き換えた構成を有する。
接続光ファイバ７ａ〜７ｆと置き換えられるべき偏波保持型接続光ファイバは、接続光ファイバ７ａ〜７ｆと同様の光ファイバにおいて、そのクラッド部に、図２に示す偏波保持型ＥＤＦ９と同様に応力付与部材が設けられたものであり、波長１５４５ｎｍ〜１５６５ｎｍにおいて異常分散特性を有し、たとえば、ＳＭＦと同様に零分散波長が波長１３１０ｎｍ近傍であるＩＴＵ−Ｔ Ｇ６５２に規定される光ファイバである。また、これらの偏波保持型接続光ファイバと、偏波保持型ＥＤＦ９とは、互いの偏波軸が一致した状態となるように、直接的または間接的に接続している。
なお、さらに、光アイソレータ６、１５を偏波依存型のものに置き換えてもよい。
本変形例に係る光ファイバ増幅器も、実施の形態２に係る光ファイバ増幅器１００と同様に、非線形光学現象の発生がいっそう抑制され、特に増幅したパルス光のパルス形状が乱れず好ましい形状のものとなる。さらに、本変形例に係る光ファイバ増幅器では、入力された増幅されるべきパルス光または増幅されたパルス光を導波する光ファイバである偏波保持型ＥＤＦ９と各偏波保持型接続光ファイバが、全て偏波保持型となっているので、増幅されたパルス光が、入力されたパルス光の偏波状態と同じ偏波状態に維持される。特に、増幅されるべきパルス光を直線偏波状態のものとし、その偏波方向と、光ファイバ増幅器の各偏波保持光ファイバの偏波軸とを一致させるようにパルス光を入力すれば、増幅されたパルス光も直線偏波状態で出力されるため、偏波状態が安定したパルス光が得られるので好ましい。
（実施例、比較例）
つぎに、実施例、比較例により本発明をより詳細に説明する。なお、これによりこの発明が限定されるものではない。本発明の実施例、比較例として、ＥＤＦを作製した。なお、実施例４として、図２に示すような構成の偏波保持型ＥＤＦを作製し、その他の実施例１〜３、比較例１、２として、図１に示すような構成のＥＤＦを作製した。図５は、実施例、比較例に係るＥＤＦの特性を示す図である。なお、図５において、「Ａｅｆｆ」は有効コア断面積を示している。また、「吸収係数」の項目は、波長１５３０ｎｍ付近での吸収係数のピーク値を示している。また、「変換効率」の項目は、各実施例、比較例のＥＤＦを用いて、実施の形態２またはその変形例の構成の光ファイバ増幅器を構成し、励起光の波長を１４８０ｎｍ近傍とし、増幅すべき信号光の波長を１５５０ｎｍ、ＥＤＦ端面での平均光強度を０．５ｍＷとして測定したものである。また、図５では、実施例４の偏波保持型光ファイバについて、その複屈折率も示している。
図５に示すように、比較例１のＥＤＦは、Ｅｒ濃度が高すぎるため、変換効率が８％と小さく、実用的ではないものとなった。また、比較例２のＥＤＦは、吸収係数が１９．８ｄＢ／ｍであり、短い条長の使用には適さないものとなった。
これに対して、実施例１〜４のＥＤＦは、吸収係数が３５ｄＢ／ｍ以上であって特に好ましい５０ｄＢ／ｍ以上であり、有効コア断面積Ａｅｆｆが２０μｍ2以上であり、パワー変換効率が３０％以上である好ましい特性であった。さらには、正常分散特性を有するとともに、波長分散値が−５〜−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの範囲となった。また、そのカットオフ波長についても、１４８０ｎｍより小さい値となり、励起光、パルス光の両方をシングルモードで伝搬するものとなった。
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３について説明する。図６は、実施の形態３に係る光ファイバレーザ２００の構成を示す模式図である。図６に示すように、この光ファイバレーザ２００は、励起光源１と、光カプラ１０、１１と、偏波保持型ＥＤＦ９と、光アイソレータ６と、可飽和吸収体１６と、偏波保持型ＥＤＦ９に直接的または間接的に接続される偏波保持型接続光ファイバ１２ａ〜１２ｅとを備えている。また、光ファイバレーザ２００は、その他にも、励起光源１と光カプラ１０とを接続する光ファイバを備えている。
光カプラ１０、偏波保持型接続光ファイバ１２ａ、偏波保持型ＥＤＦ９、偏波保持型接続光ファイバ１２ｂ、光アイソレータ６、偏波保持型接続光ファイバ１２ｃ、光カプラ１１、偏波保持型接続光ファイバ１２ｄ、可飽和吸収体１６、偏波保持型接続光ファイバ１２ｅは、この順番で接続しており、リング共振器を形成している。なお、偏波保持型ＥＤＦ９は、偏波保持型接続光ファイバ１２ａ、１２ｂと、それぞれ接続点Ｃ３、Ｃ４において低接続損失で接続している。
この光ファイバレーザ２００は、励起光源１から励起光を出力させ、偏波保持型ＥＤＦ９に励起光を供給すると、偏波保持型ＥＤＦ９の光増幅作用と、リング共振器の光共振器としての作用と、可飽和吸収体１６の光スイッチとしての作用と非線形偏波回転とにより、波長１５５０ｎｍのパルス光がレーザ発振し、光カプラ１１の出力ポート１１ａから、レーザ発振したパルス光の一部である増幅パルス光Ｌ３が出力するように構成されている。
つぎに、各構成要素について説明する。光カプラ１０は、励起光源１が出力する励起光を受け付けて偏波保持型接続光ファイバ１２ａに出力するとともに、偏波保持型接続光ファイバ１２ｅが導波するパルス光を受け付けて偏波保持型接続光ファイバ１２ａに出力するように構成されている。
また、光カプラ１１は、偏波保持型接続光ファイバ１２ｃが導波するパルス光を受け付けて、そのうちの光強度の割合として９０％〜９９％程度の成分を偏波保持型接続光ファイバ１２ｄに出力し、残りの１〜１０％程度の成分を出力ポート１１ａから出力するように構成されている。
また、可飽和吸収体１６は、低強度の光が入射した時には吸収体として機能し、高強度の光が入射した時には、その吸収係数が飽和して透明体として機能するものであり、たとえば多重量子井戸構造の活性層を有する半導体素子やカーボンナノチューブなどにより実現される。
また、偏波保持型接続光ファイバ１２ａ〜１２ｅは、実施の形態２の変形例において用いた偏波保持型接続光ファイバと同様のものである。また、光アイソレータ６は、偏波依存型のものである。また、励起光源１、偏波保持型ＥＤＦ９は、図２または図３に示すものと同様のものである。
また、リング共振器を構成する偏波保持型ＥＤＦ９と、偏波保持型接続光ファイバ１２ａ〜１２ｅとの接続関係については、一部分においては各偏波保持光ファイバの偏波軸が４５度傾斜した接続状態となり、その他の部分においては互いの偏波軸が一致した接続状態となるように、直接的または間接的に接続している。
この光ファイバレーザ２００は、リング共振器内に偏波依存型の光アイソレータ６を含み、かつ一部に偏波軸が４５度傾斜した状態の接続部分が存在することにより非線形偏波回転現象による光スイッチング動作が起こることと、可飽和吸収体１６の光スイッチング動作とによって、受動モード同期によるパルスレーザ発振を実現している。
そして、この光ファイバレーザ２００においても、正常分散性を有し、吸収係数のピーク値が３５ｄＢ／ｍ以上、有効コア断面積が２０μｍ2以上、パワー変換効率が３０％以上という特性を有する偏波保持型ＥＤＦ９を用いることによって、非線形光学現象の発生がいっそう抑制され、特に増幅パルス光Ｌ３のパルス形状が乱れず好ましい形状のものとなる。
また、さらに、この光ファイバレーザ２００においても、増幅パルス光Ｌ３の波長において、偏波保持型ＥＤＦ９の波長分散値と条長との積と、各偏波保持型接続光ファイバ１２ａ〜１２ｅの波長分散値と条長との積との和が零または略零になるようにすれは、増幅パルス光Ｌ３の形状がより良好なものとなり好ましい。
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態３について説明する。図７は、実施の形態４に係る光ファイバレーザ３００の構成を示す模式図である。図７に示すように、この光ファイバレーザ３００は、励起光源１と、光カプラ１０、１１と、３：７もしくは４：６の分岐比の光カプラ１３と、偏波保持型ＥＤＦ９と、光アイソレータ６と、光変調器１７と、偏波保持型ＥＤＦ９に直接的または間接的に接続される偏波保持型接続光ファイバ１４ａ〜１４ｇとを備えている。また、光ファイバレーザ３００は、その他にも、励起光源１と光カプラ１０とを接続する光ファイバを備えている。
偏波保持型接続光ファイバ１４ａ、偏波保持型ＥＤＦ９、偏波保持型接続光ファイバ１４ｇ、光カプラ１０、偏波保持型接続光ファイバ１４ｆは、この順番で、リング状になるように光カプラ１３に接続しており、ＮＡＬＭ（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｌｏｏｐ ｍｉｒｒｏｒ）を形成している。また、一方で、偏波保持型接続光ファイバ１４ｂ、光カプラ１１、偏波保持型接続光ファイバ１４ｃ、光アイソレータ６、偏波保持型接続光ファイバ１４ｄ、光変調器１７、偏波保持型接続光ファイバ１４ｅは、この順番で、リング状になるように光カプラ１３に接続しており、ＮＡＬＭとともに八の字型共振器を形成している。なお、偏波保持型ＥＤＦ９は、偏波保持型接続光ファイバ１４ａ、１４ｇと、それぞれ接続点Ｃ６、Ｃ５において低損失で接続している。
この光ファイバレーザ３００は、励起光源１から励起光を出力させ、偏波保持型ＥＤＦ９に励起光を供給すると、偏波保持型ＥＤＦ９の光増幅作用と、八の字型共振器の光共振器としての作用と、ＮＡＬＭの光スイッチング作用による受動モード同期と、光変調器１７による能動モード同期とによって、波長１５５０ｎｍのパルス光がレーザ発振し、光カプラ１１の出力ポート１１ａから、レーザ発振したパルス光の一部である増幅パルス光Ｌ４が出力するように構成されている。
なお、光カプラ１０、１１は、図６に示すものと同様のものである。また、偏波保持型接続光ファイバ１４ａ〜１４ｇは、図６に示す偏波保持型接続光ファイバ１２ａ〜１２ｅと同様のものである。また、偏波保持型接続光ファイバ１４ａ〜１４ｇと、偏波保持型ＥＤＦ９とは、互いの偏波軸が一致した状態となるように、直接的または間接的に接続している。また、光アイソレータ６は、偏波依存型のものである。また、励起光源１、偏波保持型ＥＤＦ９は、図２または図３に示すものと同様のものである。また、光変調器１７は、たとえばニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた光変調器である。
そして、この光ファイバレーザ３００においても、正常分散性を有し、吸収係数のピーク値が３５ｄＢ／ｍ以上、有効コア断面積が２０μｍ2以上、パワー変換効率が３０％以上という特性を有する偏波保持型ＥＤＦ９を用いることによって、非線形光学現象の発生がいっそう抑制され、特に増幅パルス光Ｌ４のパルス形状が乱れず好ましい形状のものとなる。
また、さらに、この光ファイバレーザ３００においても、増幅パルス光Ｌ４の波長において、偏波保持型ＥＤＦ９の波長分散値と条長との積と、各偏波保持型接続光ファイバ１４ａ〜１４ｇの波長分散値と条長との積との和が零または略零になるようにすれば、増幅パルス光Ｌ４の形状がより良好なものとなり好ましい。
なお、上記実施の形態２またはその変形例に係る光ファイバ増幅器は、双方向励起型の構成を有するものであるが、本発明はこれに限られず、前方励起型、後方励起型の構成としても良い。また、実施の形態３、４に係る光ファイバレーザは、リング型または八の字型の光共振器構造を有するものであるが、直線型の光共振器構造としてもよい。
１、２ 励起光源
３、４、１０、１１、１３ 光カプラ
５ ＥＤＦ
５ａ、９ａ コア部
５ｂ、９ｂ クラッド部
５ｃ、９ｃ 被覆部
６、１５ 光アイソレータ
７ａ〜７ｆ 接続光ファイバ
８ 屈折率差
９ 偏波保持型ＥＤＦ
９ｄ 応力付与部材
１１ａ 出力ポート
１２ａ〜１２ｅ、１４ａ〜１４ｇ 偏波保持型接続光ファイバ
１６ 可飽和吸収体
１７ 光変調器
１００ 光ファイバ増幅器
２００、３００ 光ファイバレーザ
Ｃ１〜Ｃ６ 接続点
Ｌ１ パルス光
Ｌ２〜Ｌ４ 増幅パルス光
Ｐ 屈折率プロファイル
Ｓ パルス光源

Claims (8)

  1. 少なくともエルビウムとアルミニウムとが添加されたコア部と、
    前記コア部の外周に形成され前記コア部よりも屈折率が低いクラッド部と、
    を備え、波長１５３０ｎｍ近傍における吸収係数のピーク値が３５ｄＢ／ｍ以上であり、波長１５５０ｎｍにおいて、正常分散特性を有しかつ有効コア断面積が２０μｍ2以上であるとともに、励起光から１５５０ｎｍの波長を有する増幅された光へのパワー変換効率が３０％以上であることを特徴とする光増幅用光ファイバ。
  2. 前記コア部の直径が２〜４μｍであり、前記クラッド部の前記コア部に対する比屈折率差が０．８〜１．３％であり、前記コア部において、エルビウムの濃度が１．５質量％以下であるとともにアルミニウムの濃度が１〜５質量％であることを特徴とする請求項１に記載の光増幅用光ファイバ。
  3. 波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が−５〜−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の光増幅用光ファイバ。
  4. 前記クラッド部の前記コア部を挟む両側に、応力付与部材が設けられたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光増幅用光ファイバ。
  5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の光増幅用光ファイバと、前記光増幅用光ファイバを励起する励起光を出力する励起光源とを備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。
  6. 前記光増幅用光ファイバに接続されるとともに、増幅されるべき光または増幅された光を導波する少なくとも一つの接続光ファイバを備え、波長１５５０ｎｍにおいて、前記光増幅用光ファイバの波長分散値と条長との積と、前記各接続光ファイバの波長分散値と条長との積との和が略零であることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバ増幅器。
  7. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の光増幅用光ファイバと、前記光増幅用光ファイバを励起する励起光を出力する励起光源とを備えることを特徴とする光ファイバレーザ。
  8. 前記光増幅用光ファイバに接続されるとともに、増幅されるべき光または増幅された光を導波する少なくとも一つの接続光ファイバを備え、波長１５５０ｎｍにおいて、前記光増幅用光ファイバの波長分散値と条長との積と、前記各接続光ファイバの波長分散値と条長との積との和が略零であることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバレーザ。
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