JP2002329908A

JP2002329908A - レーザ増幅器

Info

Publication number: JP2002329908A
Application number: JP2001132815A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kasamatsu; 直史笠松
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2002-11-15
Also published as: EP1257022A2; US20020181511A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】半導体レーザ励起１．６５μｍ帯増幅器を提供
すること。【解決手段】自己終端系を形成する上準位^４Ｓ_３／２と
下準位との間に相当する波長のレーザ４を生成する第１
励起用光源３と、上準位^４Ｓ_３／２より上位にある上準
位^２Ｈ_１１／２，^４Ｆ_７／２にエネルギーを補給するレ
ーザー２を生成する第２励起用光源１とから構成されて
いる。レーザー４とレーザー２は、増幅対象の信号光８
が通される増幅媒体本線１０に導入される。下準位のイ
オンの寿命は上準位の寿命より短く上準位から下準位へ
の遷移が滞る自己終端系に、そのような下準位から上準
位に遷移を外部系から強制するレーザ４が導入され、下
準位に滞るイオンを強制的に上準位に遷移させる。この
ような上方向遷移の強制により、下準位に膨大な数の空
きが生じ、上準位より僅かに上位にあるエネルギー補給
用の上準位近傍^２Ｈ_１１／２，^４Ｆ_７／２から下準位に
遷移する誘導放出が強制的に誘発される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ増幅器、特
に、光ファイバの中のレーザー１．６５μｍを再増幅す
るレーザ増幅器に関する。

【０００２】

【従来の技術】広帯域通信のために、光ファイバ網が大
規模に敷かれつつある。データ伝送用レーザーの長距離
伝達性を確保するために、光ファイバ内の自己増幅が求
められる。光ファイバそのものの製造技術は確立されて
いて、用いるレーザー（誘導放射増幅光）の波長は概ね
確定されている。

【０００３】そのようなレーザーを生成する利得媒質と
して、エルビウム元素（Ｅｒ）が適正である。ガラスフ
ァイバのコアにエルビウムが添加されて現在盛んに用い
られているエルビウム添加光ファイバ増幅器は、伝送線
路である石英シングルモードファイバの低損失帯（１．
４５−１．６５μｍ）のうち、１．５５ミクロン帯
（１．５３−１．５７μｍ）と１．５８ミクロン帯
（１．５７−１．６１μｍ）で増幅動作する。ホストガ
ラスの主成分が石英である石英系ファイバを用いるＥＤ
ＦＡでは、それ以外の帯域で高効率な増幅動作又は発振
動作が観測されていない。一方、総伝送容量の増大に対
処するために、光通信の伝送波長帯域は近年ますます拡
大していて、ファイバ増幅器の利得帯域の広帯域化が望
まれている。１．６５ミクロン帯（１．６１−１．６５
μｍ）について、いくつかの報告例が知られているが、
効率、利得、ファイバ作製の容易さ、信頼性のような諸
性能が要求されるファイバ増幅器の実証結果は報告され
ていない。

【０００４】アイ・イー・イー・イー、フォトニクス・
テクノロジー・レターズ、第８巻第３号、３４９−３５
１頁（１９９６年）には、ツリウム（Tｍ）が添加され
たフッ化物ガラスが主成分であるファイバ増幅器は、ク
ラッドにテルビウム（Ｔｂ）が添加され、^３Ｆ_４→^３Ｈ
_６の誘導放出遷移が持つ１．８５μｍの近辺のピーク部
分をそのクラッドに吸収させ、より短波側である１．６
５ミクロン帯の誘導放出のみを残す手法が報告されてい
る（引用：特開平８−１５２５３１号）。これにより、
２５ｄＢ以上の利得が波長１．６５〜１．６７μｍで達
成されている。このような増幅器は、アンプ構成が未最
適である点を考慮しても、効率が低く（０．２２％）、
その雑音指数が報告されていなくて、クラッドに余分な
添加物Ｔｂを導入する点と発光エネルギーの大部分を吸
収させる点とから考えると、総合的な光／光変換効率は
ＥＤＦＡに比べ非常に低いと推定され、その開発段階は
原理的実証レベルを越えていない。

【０００５】更に、アイ・イー・イー・イー、フォトニ
クス・テクノロジー・レターズ、第２巻第６号、４２２
−４２４頁（１９９０年）は、ツリウムを添加した石英
ガラスファイバで、利得２ｄＢを１．６９μｍで実現し
た例を報告しているが、実際の通信システムの中継増幅
器の要求性能からはほど遠い。その他には、プラセオジ
ム（Ｐｒ）を添加したカルコゲナイトガラスで１．６５
μｍ帯増幅シミュレーション（欧州光通信国際会議、Ｅ
ＣＯＣ２０００、ポストデットドライン論文ＰＤ−
１）、ラマン増幅（２０００年電子情報通信学会通信
ソサイエティ学会論文番号Ｂ−１０−１１４）を用いた
増幅器が提案されているが、未だ実用的な段階には達し
ていない。

【０００６】一方、希土類イオンの蛍光スペクトル特性
の研究により、フッ化物ガラス中のＥｒイオンの^２Ｈ
_１１／２又は^４Ｓ_３／２の準位と^４Ｉ_９／２の準位との
間で放射される光のスペクトルは１６２０〜１７２０ｎ
ｍに広がるスペクトルを有することが知られている（ア
イ・イー・イー、エレクトロニクス・レターズ、第２６
巻第１０号６４９−６５１ページ、１９９０年参照）。
図９は、フッ化物ガラス中のＥｒイオンのエネルギー準
位と励起、誘導放出遷移を示している。図１０は、その
蛍光スペクトルを示している。なお、（^４Ｓ_３／２、^２
Ｈ_１１／２）の２つの準位は、エネルギー差が約８３０
cｍ^−１であり、常温の熱エネルギー（２１０cｍ^−１）
の４倍程度であるため、熱的に強く結合していると考え
られている。

【０００７】Ｅｒのこのような本遷移は、上準位寿命が
下準位寿命より短い自己終端系に属している。その報告
に述べられているように、^４Ｓ_３／２である上準位の寿
命が０．５ｍｓｅｃであるが、^４Ｉ_９／２である下準位
の寿命は１ｍｓｅｃであることは事実である。この場
合、連続発振レーザによる光励起を行った場合、準位間
に持続的に反転分布を形成することが困難であり、パル
ス動作のみが観測されてきた。上準位へ励起するために
用いられている励起光源は、大型で低効率の緑青色光源
（例示：波長が４８８ｎｍ又は５１４．５ｎｍであるア
ルゴンイオンレーザ）を使用していて、実用的なデバイ
スではない。データ伝送用レーザーの光ファイバー内で
の増幅は連続的でなければならない。反転分布を高効率
に行う技術は、特開２００１−７４２６号で知られてい
る。このような公知技術は、２励起光により弊害が大き
いアップコンバージョンを回避することにより、励起エ
ネルギーの有効利用を実現している。

【０００８】図１０に示される１６６０ｎｍ又は１７２
０ｎｍの放出光は、自己終端系に属し、それのレーザー
増幅を期待することは原理的に困難であると考えること
は当業者には常識であるが、信号増幅のためには、この
ような候補１６６０ｎｍ又は１７２０ｎｍ（図９の遷移
^４Ｓ_３／２→^４Ｉ_９／２）を利用すること以外に方策が
見つからない。この準位の他に有望な候補が見つかった
としても、それが自己終端系であれば、同じ困難があ
る。

【０００９】自己終端系に属する遷移が光導波路中で連
続的である光励起の技術の確立が望まれる。特に、光フ
ァイバの中でそのような連続的誘導増幅が実現されるこ
とが求められる。更に、エルビウムが利得媒質であるガ
ラスファイバの中で１．６５μｍ帯の連続的誘導増幅を
実現する技術の確立が望まれる。更に、光増幅のために
用いる励起用光が半導体レーザーから選択され得ること
が光学系を簡素化することができる点で重要である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、自己
終端系に属する遷移が光導波路中で連続的である光励起
の技術を確立することができるレーザ増幅器を提供する
ことにある。本発明の他の課題は、光ファイバの中でそ
のような連続的誘導増幅を実現することができるレーザ
増幅器を提供することにある。本発明の更に他の課題
は、エルビウムが利得媒質であるガラスファイバの中で
１．６５μｍ帯の連続的誘導増幅を実現する技術を確立
することができるレーザ増幅器を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、光増幅のために用いる励起用
光として半導体レーザーから選択することにより既述の
課題を解決することができるレーザ増幅器を提供するこ
とにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中に現れ
る技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添
記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複
数・形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実
施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特
に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現さ
れている技術的事項に付せられている参照番号、参照記
号等に一致している。このような参照番号、参照記号
は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の
技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このよ
うな対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の
形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されるこ
とを意味しない。

【００１２】本発明によるレーザ増幅器は、自己終端系
を形成する上準位（^４Ｓ_３／２）と下準位
（^４Ｉ_９／２）との間に相当する波長の第１励起用レー
ザー（４）を生成する第１励起用光源（３）と、上準位
（^４Ｓ_３／２）より上位近傍にある上準位近傍（^２Ｈ
_１１／２，^４Ｆ_７／２）にエネルギーを補給する第２励
起用レーザー（２）を生成する第２励起用光源（１）と
から構成されている。第１励起用レーザー（４）と第２
励起用レーザー（２）は、その波長の近傍の波長を持つ
増幅対象の信号光（８）が通される増幅媒体本線（１
０）に導入される。レーザーは、誘導放出に基づく増幅
光であり、本発明では、信号光が誘導する準位間遷移時
の放出光であって、その信号性能は失われない。

【００１３】下準位のイオンの寿命は上準位の寿命より
短く上準位から下準位への遷移が滞る自己終端系に、そ
のような下準位から上準位に遷移を外部系から強制する
第１励起用レーザー（４）が導入される。第１励起用レ
ーザー（４）は、そのように滞る下準位のイオンを強制
的に上準位に遷移させる。このような上方向遷移（ｃ）
の強制により、下準位に膨大な数の空きが生じ、上準位
より僅かに上位にあるエネルギー補給用の上準位近傍（
^２Ｈ_１１／２，^４Ｆ_７／２）から下準位に遷移する誘導
放出が強制的に誘発される。第１励起用レーザー（４）
による上方遷移は、このような誘導放出の結果として、
原理的にあり得ない誘導吸収のように見える。このよう
な誘導放出と見かけ上の誘導吸収のサイクルで、上準位
近傍のエネルギーは、ボルツマンの熱エネルギー分布に
従って漸近的に上準位に接近し、信号光（８）に誘導さ
れて下準位に遷移し、種光である信号光（８）は上準位
近傍のエネルギーの誘導放出光に重ねられ、信号光
（８）の増幅が行われる。遷移（ｃ）の強制がない公知
技術では、自己終端系では原理的に（実用的に）このよ
うな誘導放出は起き得ないが、遷移（ｃ）を強制し反転
分布を継続化する本発明によるレーザ増幅器は、実用的
に有効である光信号増幅を連続的に可能にしている。

【００１４】第１励起用レーザーの波長は、入射前には
実用的には、１．４５μｍ〜１．６３μｍである。１．
６３μｍ以下の第１励起用レーザーが導入された増幅媒
体本線（１０）は、その中で光信号（８）を長波長側に
シフトさせて広帯域化する。そのような広帯域化に好適
であるガラス材料は後述される。

【００１５】エネルギー補給用遷移（ａ又はｂ）は、次
のように巧妙に工夫される。第２励起用レーザーは、２
段階遷移で上準位（^４Ｓ_３／２）にエネルギーを補給す
る。その２段階遷移は、基底準位（^４Ｉ_１５／２）と中
間準位（^４Ｉ_１１／２）との間の第１段遷移（ａ）と、
中間準位と上準位近傍（^２Ｈ_１１／２，^４Ｆ_７／２）と
の間の第２段遷移（ａ）とから形成されている。このよ
うな工夫により、実用的に好適であり技術的に確立され
ている半導体の第２励起用光源（１）を用いて、２段階
遷移により、基底準位から上準位への遷移を可能にして
いる。他の工夫は、２段階遷移は、基底準位と中間準位
（^４Ｉ_９／２）との間の第１段階遷移（ｂ）と、中間準
位とその中間準位より下位レベルの他の中間準位（^４Ｉ
_１３／２）との間の無放射緩和と、他の中間準位と上準
位近傍との間の第２段階遷移（ｂ）とから形成されてい
る。

【００１６】増幅媒体本線の増幅媒体は、長波長シフト
のために、その材料選択が付加的に重要であり、ハライ
ド酸化物ガラス、ハライドガラス、カルコゲナイトガラ
ス、カルコハライドガラス、テルライトガラス、石英、
インジウム系フッ化ブツガラスを含む集合（ｓｅｔ）の
中から選択されるガラスが用いられていることが重要で
ある。特に、インジウム系フッ化ブツガラスが好適であ
る。フルオロジルコン酸塩ガラスを母材とする増幅媒体
がエルビウムを含んでいることが特に好ましい。広帯域
化のためには、テルライトガラスが好ましい。帯域が狭
い石英は、^４Ｉ _１３／２の寿命が比較的に長い点と材料
安定性の点で好ましい。インジウムは、エルビウムに代
わって好適に代替され得る。フォノンエネルギーと帯域
の両面が参酌されて、媒体の材料と増幅媒体の種類が選
択される。

【００１７】現実には、上準位（^４Ｓ_３／２）は^４Ｓ
_３／２であり、下準位（^４Ｉ_９／２）は^４Ｉ_９／２であ
ることが実用的に好ましい。この場合、上準位近傍（^２
Ｈ_１１ _／２又は^４Ｆ_７／２）は、^２Ｈ_１１／２又は^４Ｆ
_７／２である。既述の２番目の工夫では、中間準位は^４
Ｉ_９／２であり、他の中間準位は^４Ｉ_１３／２である。
^４Ｉ_１１／２の寿命は、好適に長い。石英では、^４Ｉ
_１３／２の寿命が比較的に長い。

【００１８】第１，２励起用光源（３，１）はそれぞれ
に複数が用いられ、複数の第１励起用光源（３）と複数
の第２励起用光源（１）は増幅媒体本線（１０）に対し
て直列に接続され、又は、並列に接続され、このような
接続は増幅量を増大させる。増幅媒体本線（１０）の端
部面に対向するミラー（１２）が追加される。第１励起
用レーザー（４）と第２励起用レーザー（２）とは、ミ
ラー（１２）を介して増幅媒体本線（１０）に導入さ
れ、ミラー（１２）は第１励起用レーザ（４）と第２励
起用レーザ（２）とを透過させ、増幅媒体本線（１０）
の中で誘導輻射増幅する発振光を全反射させる光学的物
性を有する。ミラーを用いて増幅量を増大し、既述の並
列・直列接続とミラーの使用とを組み合わせることによ
り、増幅量を更に増大させることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図に対応して、本発明によるレー
ザ増幅器の実施の形態は、第１半導体光源が第２半導体
光源とともに設けられている。その第１半導体光源１
は、図１に示されるように、第１励起用光２を出力し、
その第２半導体光源３は、第２励起用光４を出力する。
第１励起用光２は、第１光カプラ５を介して、光増幅フ
ァイバ本線１０の光導波路に導入される。第２半導体光
源３は、第２光カプラ５’を介して、光増幅ファイバ本
線１０の光導波路に導入される。光増幅ファイバ本線１
０の信号入力ポート側には光増幅ファイバ本線１０に第
１アイソレータ６が介設され、光増幅ファイバ本線１０
の信号出力ポート側には光増幅ファイバ本線１０に第２
アイソレータ７が介設されている。第１アイソレータ６
と第２アイソレータ７とは、戻り光による望ましくない
レーザ発振をそれぞれに抑制している。光増幅ファイバ
本線１０にはその入力ポート側から入力信号光８が入力
され、光増幅ファイバ本線１０からはその出力ポート側
から出力信号光９が出力する。

【００２０】光増幅ファイバ本線１０は、エルビウムＥ
ｒが添加されたフッ化物ファイバガラスで形成されてい
て、それの内部で光増幅が行われる。そのレーザ増幅
は、準位群（^４Ｓ_３／２、^２Ｈ_１１／２等）→準位^４Ｉ
_９／２の遷移が利用されている。その遷移は、１６２０
〜１７２０ｎｍの帯域幅で可能であることが重要であ
る。図２は、詳しく後述されるように、エルビウムのエ
ネルギー準位に関して、遷移ａと遷移ｂに対応する第１
励起用光２と、遷移ｃに対応する第２励起用光４を示し
ている。光増幅ファイバ本線１０は、フルオロジルコン
酸塩ガラスが母材であり、これに添加されるエルビウム
はそれの濃度が２０００ｐｐｍであり、それのコア径は
４．４μｍであり、それの全長は１０ｍである。

【００２１】第１半導体光源１として、波長０．９８μ
ｍのレーザー２を出力する半導体レーザ（出力１００ｍ
Ｗ）が用いられ得る。第２半導体光源３は、波長１．５
８μｍ縦マルチモードを出力するＬＤ（出力１００ｍ
Ｗ）が用いられ得る。波長可変半導体レーザが信号光源
として用いられ、出力−３０ｄＢｍで波長１．６１μｍ
から１．７０μｍまで、その波長が走引される。図３
は、このような走引により得られる信号増幅スペクトル
を示している。

【００２２】第１励起用光２のパワーが７０ｍＷであ
り、第２励起用光４のパワーが１００ｍＷであるとき、
最大利得１２ｄＢが波長１．６６μｍのところで実現す
ることが確認された。１．６２〜１．６８μｍの波長領
域で、正の利得を得ることができることが確認された。
第１半導体光源１の出力パワーを調整することにより、
利得帯域の制御が可能である。第２励起用光４の遷移強
度が比較的に弱い場合には、利得帯域は長波側にシフト
する。このことは、準位・^４Ｉ_９／２を仮想的な基底準
位と見なすことができるため、ファイバ長手方向の平均
値として、準位・ ^４Ｉ_９／２のイオン数密度が、準位群
（^４Ｓ_３／２、^２Ｈ_１１／２）の準位密度よりも大きく
なって反転分布率の減少を招くことに一致している。

【００２３】図２は、光増幅ファイバ本線１０の中で起
こる準位間遷移動作を詳細に示している。第１励起光源
の波長は、基底状態吸収と励起状態吸収により、（^４Ｓ
_３／ _２、^２Ｈ_１１／２）かそれより高いレベルへ励起す
ればよく、例えば０．９８μｍ帯（０．９７−０．９８
５μｍ）や０．８μｍ帯（０．７８−０．８１μｍ）を
用いることができる。

【００２４】０．９８μｍ帯励起においては、^４Ｉ
_１５／２→^４Ｉ_１１／２基底状態吸収とそれに引き続
く、^４Ｉ_１１／２→^４Ｆ_７／２励起状態吸収とによりレ
ーザ上準位より上方への励起が可能である。^４Ｆ_７／２
に励起されたイオンは速やかに（^４Ｓ_３／２、^２Ｈ
_１１／２）へと無放射緩和にて遷移し、レーザ上準位数
密度を向上させる。

【００２５】０．８μｍ（１／１２５００ｃｍ^−１）帯
励起の場合、^４Ｉ_１５／２→^４Ｉ_９ _／２の基底状態吸収
と、この基底状態吸収に続く^４Ｉ_９／２→^４Ｉ_１３／２
の無放射緩和と、この無放射緩和に更に続く^４Ｉ
_１３／２→^２Ｈ_１１／２の励起状態吸収（１／（１９２
００−６５４０）は概ね０．８μｍ）とにより、下準位
から上準位に励起する励起が可能である。第１励起光源
の波長が０．９８ミクロン帯、又は、０．８ミクロン帯
に入っていれば、既述の励起動作に同じであるこのよう
な励起動作が本質的に可能である。０．８ミクロン帯の
励起では、^４Ｉ_１５／ _２→^４Ｉ_９／２の励起の励起幅
（波長落差幅）（０〜１／１２５００）と^４Ｉ_１ _３／２
→^２Ｈ_１１／２の励起幅（１／６５４０〜１／１９２０
０）の励起幅とが、準位^４Ｉ_９／２と準位^４Ｉ_１３／２
との間の励起幅（１／６５４０〜１／１２５００）を共
有している。

【００２６】第２励起用光源３は、レーザ下準位^４Ｉ
_９／２とレーザ上準位（^４Ｓ_３／２、 ^２Ｈ_１１／２）の
間のエネルギーギャップに相当する波長が選択的に用い
られている。このような遷移は、図１中に遷移ｃとして
示されている。このような遷移は、比較的広帯域であ
り、波長１．４５μｍから１．６１μｍの間で励起可能
である。更に、１．５３μｍより短い波長の光源を用い
る場合、^４Ｉ_１５／２→^４Ｉ_１３／２への励起が同時に
起こり、^４Ｉ_１３／２→^４Ｉ_１５／２の誘導放出遷移が
生じ、１５５０−１６００ｎｍ帯域の増幅された自然放
出光（ＡＳＥ）が発生する。このようなＡＳＥが更に遷
移ｃに加わり、^４Ｉ_９／２→（^４Ｓ_３／２、 ^２Ｈ
_１１／２）の励起が高効率に実現される。第１励起用光
源と第２励起用光源の波長帯域のレーザー光を出力する
半導体レーザの製作技術は、これが容易であることが知
られている。

【００２７】基底準位・^４Ｉ_１５／２にあるイオン（そ
の遷移状態のイオン化原子）は、波長が０．９７〜０．
９８５μｍの範囲にある第１励起用光２に刺激されそれ
を吸収して（励起されて）下準位・^４Ｉ_１１／２に上方
遷移（下側遷移ａ）し、このように遷移した下準位・^４
Ｉ_１１／２のイオンは、第１励起用光２に更に励起され
て、上準位・^４Ｓ_３／２又はそれより僅かに上位の準位
^４Ｆ_７／２に遷移する（上側遷移ａ）。準位^４Ｆ_７／２
に遷移したイオンは、無放射緩和により、上準位^４Ｓ
_３／２より僅かに上位の準位・^２Ｈ_１１／２に遷移す
る。他の下準位^４Ｉ _９／２にある他のイオンは、波長が
１．４５〜１．６１μｍの範囲にある第２励起用光４に
励起されて、上準位・^４Ｓ_３／２に遷移する（遷移
ｃ）。上準位・^４Ｓ_３／２又はこれより僅かに上位の準
位・^２Ｈ_１１／２にあるイオンは、下準位 ^４ _９／２に誘
導放出遷移する。上準位・^４Ｓ_３／２から下準位^４
_９／２に遷移する電子が誘導放出するレーザーの波長
は、次のように計算され、１７１０ｎｍ＝１．７１μｍ
（＝概ね１／（１８３５０−１２５００））である。こ
のような放出によるレーザー波長のスペクトラムは、光
ファイバー媒質の影響を受けてシフトし、現実には１６
２０〜１７２０ｎｍの範囲にある。

【００２８】基底準位・^４Ｉ_１５／２にあるイオンは、
波長が０．７８〜０．８１５μｍの範囲にある第１励起
用光２により励起されて、下準位・^４Ｉ_９／２に上方遷
移（下側遷移ｂ）し、このように遷移した下準位・^４Ｉ
_９／２のイオンは、一旦、準位・^４ _１３／２に落ち、再
び第１励起用光２に励起されて、上準位・^４Ｓ_３／２又
はそれより僅かに上位の準位^４Ｆ_７／２に遷移する（上
側遷移ｂ）。準位^４Ｆ _７／２に遷移したイオンは、無放
射緩和により、上準位^４Ｓ_３／２より僅かに上位の準位
・^２Ｈ_１１／２に遷移する。下準位^４Ｉ_９／２にあるイ
オンは、波長が１．４５〜１．６１μｍの範囲にある第
２励起用光４に励起されて、上準位・^４Ｓ_３／２に遷移
する（遷移ｃ）。上準位・^４Ｓ_３／２又はこれより僅か
に上位の準位・^２Ｈ_１１／２にあるイオンは、下準位^４
_９／２に誘導放出遷移する。上準位・^４Ｓ_３／２から下
準位^４ _９／２に遷移するイオンが誘導放出するレーザー
の波長は、既述の通り、１６２０〜１７２０ｎｍの範囲
である。

【００２９】このような２通りの誘導放出は、基底準位
^４Ｉ_１５／２と準位^４Ｉ_１３／２の間の誘導放出により
更に促進され、目的の誘導放出の効率が高くなることは
既述の通りである。このような波長を持つ半導体レーザ
ーを用いることによって、１段階励起と２段階励起の２
つの励起により、１．６５μｍ（１６５０ｎｍ）近傍の
目的の波長を持つ誘導放出によるレーザー再励起を連続
的に起こすことができる。

【００３０】図４は、本発明によるレーザ増幅器の実施
の他の形態を示している。２段構成のファイバ増幅器を
構成した。第１半導体光源１と第２半導体光源３とから
構成される組が、２つ用いられている。２つの組のそれ
ぞれの第１半導体光源１と第２半導体光源３は、それぞ
れに第１励起用光２と第２励起用光４を出力する。前段
の組の第１励起用光２と第２励起用光４とは、光増幅フ
ァイバ本線１０の前段部分を２波長前段励起し、後段の
組の第１励起用光２と第２励起用光４とは、光増幅ファ
イバ本線１０の後段部分を２波長後段励起する。更に、
他の第２半導体光源３が第２半導体光源３’として追加
されている。第２半導体光源３’の第２励起用光４’
は、前段の第２励起用光４よりも更に前方で光増幅ファ
イバ本線１０の前段部分のうちのより前方部分に入射す
る。前段の第２光カプラ５’と後段の第２励起用光４と
の間に更に他のアイソレータ１１が追加的に光増幅ファ
イバ本線１０に介設されている。第２励起用光４’は、
２波長前方励起と２波長後方励起を１波長励起により更
に強化している。

【００３１】このような前段励起と後段励起と最前方励
起とは、実施の既述の先の形態に比べてより高利得と高
効率増幅を可能にし、利得３５ｄＢ、雑音指数５ｄＢを
波長１６５０ｎｍで実現することができることが確認さ
れた。飽和信号（パワーは１０ｄＢｍ、波長は１６５０
ｎｍ）を光増幅ファイバ本線１０に入射して光増幅ファ
イバ本線１０を飽和動作させる場合、光／光変換効率１
８％（信号出力パワーを総合励起パワーで除した値）を
得ることができることが確認された。

【００３２】図５は、本発明によるレーザ増幅器の実施
の更に他の形態を示している。実施の既述の先の形態で
用いられた第１半導体光源１と第２半導体光源３とが用
いられている。エルビウム添加ファイバ１０の片端面
に、リアミラー１２が面接合している。リアミラー１２
は、第１励起用光２と第２励起用光４に対して無反射的
であり、発振波長帯（１．６５μｍ）に対し全反射する
光学的物性を有している。光増幅ファイバ本線１０の他
の片端面に出力ミラー１３が面接合している。出力ミラ
ー１３は、発振波長帯に対し部分反射する光学的物性を
有している。第１励起用光２と第２励起用光４とは、一
旦自由空間に放射された後、第１レンズ１４と第２レン
ズ１５とによりそれぞれに集光され、更に、ダイクロイ
ックミラー１６をそれぞれに透過し反射して、リアミラ
ー１２を共に透過して、光増幅ファイバ本線１０に入射
する。

【００３３】図６は、このような光学系のレーザ発振ス
ペクトルを示している。出力光１７は、図６に示される
ように、１６５１ｎｍで半値幅が２．５ｎｍの程度であ
るレーザ発振（信号光増幅）が得られている。

【００３４】図７は、本発明によるレーザ増幅器の実施
の更に他の形態を示している。図５の出力ミラー１３が
取り除かれてそれの代わりにコリメートレンズ１８が用
いられている。コリメートレンズ１８の前方に、回折格
子１９が装着されて追加されている。コリメートレンズ
１８と回折格子１９以外の光学系は、図５のそれに全く
同じである。回折格子１９は、これの回転により出力光
２１の波長を選択的に可変化することができる。図８
は、１．６５μｍ近傍の波長可変動作を示し、５ｎｍ程
度の可変幅が実現していることを示している。このよう
な幅は、光学装置系のアライメント精度、回折格子１９
の回折性能に大きく依存し、更に伸長することが可能で
ある。

【００３５】このように、所望の誘導放出遷移を実現し
得る希土類イオンと、第１励起光源（波長と強度）と、
第２励起光源（波長や強度）を適切に選択することで、
以上に述べたＥｒイオン中の他の励起準位間遷移や、他
の希土類イオンに対しても有効であることが理解され
る。自己終端型遷移を有する他のイオン、ツリウム（Ｔ
ｍ）、ホルミウム（Ｈｏ）等についても、励起光源の大
幅な自由度があるため、半導体レーザ励起が可能であ
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によるレーザ増幅器は、安定的に
レーザー特にレーザー信号を再増幅することができる。

【００３７】特に、Ｅｒ添加レーザ増幅器又はレーザ発
振器として、半導体レーザ励起を可能にし、高効率・小
型・長寿命・高安定なレーザ装置を提供することができ
る。更に、第１励起光と第２励起光のパワー比率を調整
することにより、利得ピーク波長を長波長シフトしたレ
ーザ増幅器、発振波長を長波シフトしたレーザ発振器を
実現することができる。このため、利得ピークをシフト
しないファイバ増幅器とシフトしたファイバ増幅器を直
列あるいは並列に接続すること、又は、従来からあるＥ
ＤＦＡに接続することにより、広い増幅波長帯域を必要
とする大容量化に対応できる波長多重通信に利用するこ
とが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明によるレーザ増幅器の実施の形
態を示す光学的回路図である。

【図２】図２は、本発明によるエネルギー準位間の遷移
を示す遷移図である。

【図３】図３は、波長と利得の関係を示すグラフであ
る。

【図４】図４は、本発明によるレーザ増幅器の実施の他
の形態を示す光学的回路図である。

【図５】図５は、本発明によるレーザ増幅器の実施の更
に他の形態を示す光学的回路図である。

【図６】図６は、波長とレーザ強度の関係を示すグラフ
である。

【図７】図７は、本発明によるレーザ増幅器の実施の更
に他の形態を示す光学的回路図である。

【図８】図８は、波長とレーザ強度の他の関係を示すグ
ラフである。

【図９】図９は、公知のエネルギー準位間の遷移を示す
遷移図である。

【図１０】図１０は、波長と蛍光強度の公知の関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

１…第１励起用光源２…第１励起用光３…第２励起用光源３’…第３第２励起用光源４…第２励起用光１０…増幅媒体本線１２…ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自己終端系を形成する上準位と下準位との
間に相当する波長の第１励起用レーザーを生成する第１
励起用光源と、前記上準位より上位近傍にある上準位近傍にエネルギー
を補給する第２励起用レーザーを生成する第２励起用光
源とを含み、前記第１励起用レーザーと前記第２励起用レーザーは、
前記波長の近傍の波長を持つ増幅対象の信号光が通され
る増幅媒体本線に導入されるレーザ増幅器。
【請求項２】前記第１励起用レーザーの波長は、１．４
５μｍ〜１．６３μｍである請求項１のレーザ増幅器。
【請求項３】前記第２励起用レーザーは２段階遷移で前
記エネルギーを補給する請求項１のレーザ増幅器。
【請求項４】前記２段階遷移は、基底準位と中間準位と
の間の第１段遷移と、前記中間準位と前記上準位近傍と
の間の第２段遷移とから形成されている請求項３のレー
ザ増幅器。
【請求項５】前記２段階遷移は、基底準位と中間準位と
の間の第１段階遷移と、前記中間準位と前記中間準位よ
り下位レベルの他の中間準位との間の無放射緩和と、前
記他の中間準位と前記上準位近傍との間の第２段階遷移
とから形成されている請求項３のレーザ増幅器。
【請求項６】前記増幅媒体本線の増幅媒体は、ハライド
酸化物ガラス、ハライドガラス、カルコゲナイトガラ
ス、カルコハライドガラス、テルライトガラス、石英、
インジウム系フッ化物ガラスを含む集合の中から選択さ
れるガラスが用いられている請求項１〜５から選択され
る１請求項のレーザ増幅器。
【請求項７】前記増幅媒体本線の増幅媒体は、インジウ
ム系フッ化物ガラスである請求項６のレーザ増幅器。
【請求項８】前記増幅媒体は、フルオロジルコン酸塩ガ
ラスが母材でありエルビウムを含んでいる請求項１〜５
から選択される１請求項のレーザ増幅器。
【請求項９】前記上準位は^４Ｓ_３／２であり、前記下準
位は^４Ｉ_９／２である請求項１〜５から選択される１請
求項のレーザ増幅器。
【請求項１０】前記上準位は^４Ｓ_３／２であり、前記下
準位は^４Ｉ_９／２であり、前記中間準位は^４Ｉ_１１／２
であり、前記上準位近傍は^２Ｈ_１１／２又は ^４Ｆ_７／２
である請求項４のレーザ増幅器。
【請求項１１】前記上準位は^４Ｓ_３／２であり、前記下
準位は^４Ｉ_９／２であり、前記中間準位は^４Ｉ_９／２で
あり、前記他の中間準位は^４Ｉ_１３／２であり、前記上
準位近傍は^２Ｈ_１１／２又は^４Ｆ_７／２である請求項５
のレーザ増幅器。
【請求項１２】前記第１励起用レーザーの波長は、１．
４５μｍ〜１．６３μｍである請求項１０又は１１のレ
ーザ増幅器。
【請求項１３】前記第１励起用光源は複数が用いられ、前記第２励起用光源は複数が用いられ、複数の前記第１励起用光源と複数の前記第２励起用光源
は前記増幅媒体本線に対して直列に接続されている請求
項１のレーザ増幅器。
【請求項１４】前記第１励起用光源は複数が用いられ、前記第２励起用光源は複数が用いられ、複数の前記第１励起用光源と複数の前記第２励起用光源
は前記増幅媒体本線に対してそれぞれに並列に接続され
ている請求項１のレーザ増幅器。
【請求項１５】前記増幅媒体本線の端部面に対向するミ
ラーを更に含み、前記第１励起用レーザーと前記第２励起用レーザーと
は、前記ミラーを介して前記増幅媒体本線に導入され、前記ミラーは、前記第１励起用レーザと前記第２励起用
レーザとを透過させ、前記増幅媒体本線の中で誘導輻射
増幅する発振光を全反射させる光学的物性を有する請求
項１のレーザ増幅器。