JP2004006982A

JP2004006982A - レーザ増幅器、レーザ増幅方法及びレーザ増幅装置

Info

Publication number: JP2004006982A
Application number: JP2003291863A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Kasamatsu; 笠松　直史; Takashi Yano; 矢野　隆
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2004-01-08

Abstract

　　【課題】　自己終端系遷移を形成する希土類元素を添加したレーザ増幅器、レーザ増幅方法及びレーザ増幅装置において、半導体レーザによる励起を可能とし、高効率、小型、長寿命及び高安定動作を同時に実現することができるレーザ増幅器、レーザ増幅方法及びレーザ増幅装置を提供する。
　　【解決手段】　二つの適切に選択された波長を有する半導体レーザ光源を励起光源として用いることで達成される。励起光源に、イオンを基底準位からレーザ下準位又はそれより上方のエネルギレベルへ励起する第１の半導体レーザ励起光源と、第１励起光源とは異なる波長を有し、イオンをレーザ下準位からレーザ上準位へ励起する第２の半導体レーザ励起光源とを使用する。
【選択図】　図１

Description

　本発明は、希土類元素を添加した媒体を利得媒質とし、励起光源として半導体レーザを用いるレーザ増幅器とそれを使用したレーザ増幅方法及びレーザ増幅装置に関する。

　希土類元素を添加した結晶及びガラス媒質を活性媒体とするレーザ装置、即ちレーザ発振器及びレーザ増幅器等は、広く情報通信産業及び機械工業分野に応用されている。金属加工用大出力固体レーザ及び光ファイバ通信システムにおける光ファイバ増幅器はその典型的な例である。

　レーザ増幅器及びレーザ発振器の効率、サイズ、寿命及び機械的安定性は、主に励起光源により決定される。励起光源としての半導体レーザは、これらの点で、固体レーザ及びファイバレーザより優れている。このため、装置の実用性を考えると、励起光源として半導体レーザ（レーザダイオード：ＬＤ）を使用する方式（ＬＤ励起）が好ましい。励起光源としての固体レーザ及びファイバレーザは、様々な点で半導体レーザに対して不利な点が多い。特に不利な点として、ＬＤと比較して効率、サイズ、機械的安定性及び寿命の点で不利であること以外に、波長１．０５μｍ帯での受動光部品が少ないことが挙げられる。例えば、低損失且つ高アイソレーションの光アイソレータは実用化されていない。

　このようなレーザ装置においては、光励起によりエネルギを希土類イオンに供給しているため、装置の高効率動作のためには、励起光源の波長の選定が特に重要である。しかしながら、希土類イオンの種類によっては、最適な励起波長、即ちイオンの吸収波長帯が半導体レーザの波長とうまく整合せず、単一波長の半導体レーザによるＬＤ励起が困難となるため、ＬＤ以外の光源を使用する必要がある場合がある。特に、レーザ下準位寿命がレーザ上準位寿命より長い自己終端系を形成するイオンを利得媒質として使用する場合は、以下の例で示すように、励起波長がより限定されるため、ＬＤ励起がより困難となる。

　一例として、フッ化物ガラス中のＴｍ（ツリウム）イオンの場合について述べる。Ｔｍ等の希土類元素をフッ化物ガラス等の媒質中に添加すると、媒質中でイオン化し、Ｔｍイオンとなる。図１２は従来のツリウムファイバ増幅器の励起方法を示すエネルギ準位図である。併せて、従来の励起波長を同図中に明示する。また、図１３は図１２に示す遷移が発生する際のＡＳＥスペクトル（Amplified Spontaneous Emission：増幅された自然放出）を示すグラフ図である。図１２に示すように、Ｔｍイオンをコアに添加したファイバ増幅器において、１．０４〜１．０７μｍ（以下、１．０５μｍ帯という）を励起波長とすることで、波長１．４７μｍ帯の光増幅（^３Ｆ_４→^３Ｈ_４遷移）を実現できる。同図中では、遷移ａとして明示してある。また、このとき図１３に示すようなＡＳＥスペクトルも得られる。より詳細には、非特許文献１（アイ・イー・イー・イー、ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス（IEEE Journal of Quantum Electronics）第３１巻、第１８８０頁、１９９５年）、特許文献１（特許第３３４４４４７５号）及び非特許文献２（オプティクス・レターズ（Optics Letters）第２４巻、第１６８４頁、１９９９年）に示されている。

　このようなファイバ増幅器においては、図１２に示すように、１．０５μｍ帯の励起光子が、Ｔｍイオンの基底準位吸収（^３Ｈ_６→^３Ｈ_５）、それに引き続く非放射遷移（図示せず）及び励起状態吸収（^３Ｈ_４→^３Ｆ_２又は^３Ｆ_４→^１Ｇ_４）を引き起こし、２段階の遷移により、^３Ｆ_４−^３Ｈ_４準位間に反転分布を形成する。この手法が有効な理由は、Ｔｍイオンの基底準位吸収スペクトル及び励起準位吸収スペクトルが、波長約１．０５μｍにおいて重なり合うため、波長１．０５μｍの単一の励起光で励起可能なことによる。

特許第３３４４４４７５号

アイ・イー・イー・イー、ジャーナル・オブ・カンタム・エレクトロニクス（IEEE Journal of Quantum Electronics）第３１巻、第１８８０頁、１９９５年オプティクス・レターズ（Optics Letters）第２４巻、第１６８４頁、１９９９年

　しかしながら、上述のＴｍ添加ファイバ増幅器においては、１．０５μｍ帯励起を半導体レーザで実現するのは困難である。その理由は、半導体レーザにおける１．０５μｍ帯のレーザ光の発振は、研究論文レベルでは報告されているが、実用に供する出力パワーレベル、例えば、約５００ｍＷの横シングルモード出力が実現できる装置は、研究レベル及び市販品共に、未だ存在しないためである。例えば、「アプライド・フィジクス・レターズ（Applied Physics Letters）第６９巻、第２４８頁、１９９６年」に示されているように、現状、波長１．０６μｍの半導体レーザ出力は、研究論文レベルで２００ｍＷ程度にとどまっている。

　こうした理由から、Ｔｍ添加ファイバ増幅器の公知例では、１．０５μｍ帯の励起光源として、例えばＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｙｂ：ＹＡＧ等のＬＤ励起固体レーザ及び例えばＹｂ添加ファイバレーザ等のＬＤ励起ファイバレーザが使用されている。

　一方、１．０５μｍ帯以外の励起光源、例えば、^３Ｆ_４準位を直接励起する０．７９μｍ帯（波長は０．７７〜０．８０μｍ、図１２では遷移ｂ）及び^３Ｆ_２準位を励起する０．６７μｍ帯（波長は０．６４〜０．６８μｍ、図１２では遷移ｃ）等の励起は、いずれもＬＤ励起可能であるが、例えば「エレクトロニクス・レターズ（Electronics Letters）第２５巻、第１６６０頁、１９８９年」に示されているように、レーザ下準位（^３Ｈ_４）のイオン数密度が増大し、定常状態で反転分布を維持できず、高効率動作が不可能である。この理由は、Ｔｍイオンにおいてはレーザ下準位寿命が約１０ｍｓｅｃであり、レーザ上準位寿命（^３Ｆ_４寿命＝１．３ｍｓｅｃ）より長いためである。このような系は自己終端系といわれ、このような自己終端系は、希土類元素においては、Ｔｍ以外にも、Ｅｒ（エルビウム）及びＨｏ（ホルミウム）等において観測されている。

　自己終端系を形成する希土類元素を用いるレーザ増幅器及びレーザ発振器においては、高効率動作のために、イオンを基底準位からレーザ下準位又はそれ以上の準位まで励起させる役割を担う励起光と、イオンをレーザ下準位からレーザ上準位へ励起し、反転分布を形成する役割を担う励起光とが、本質的に必要である。上述の如く、Ｔｍにおける１．０５μｍ帯の励起光は、その二つの役割を同時に実現するが、ＬＤによる励起が不可能である。

　以上の例で示したように、自己終端系を形成するイオンを添加した媒体を利得媒質として用いる場合は、励起波長が限定されるため、ＬＤ励起が困難である。

　本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、自己終端系遷移を形成する希土類元素を添加したレーザ増幅器、レーザ増幅方法及びレーザ増幅装置並びにレーザ発振器において、半導体レーザによる励起を可能とし、高効率、小型、長寿命及び高安定動作を同時に実現することができるレーザ増幅器、レーザ増幅方法及びレーザ増幅装置を提供することを目的とする。

　本発明に係るレーザ増幅器は、希土類元素を添加した媒体を利得媒質とし、この媒体中の希土類イオンのエネルギ準位のうち、基底準位よりエネルギが高い２つのエネルギ準位間の誘導放出遷移を用い、この誘導放出遷移が前記２つのエネルギ準位のうちのレーザ上準位寿命よりレーザ下準位寿命が長い自己終端系遷移を形成するレーザ増幅器であって、基底準位から前記レーザ下準位又はそれより上方のエネルギ準位にイオンを励起する第１の励起光の光源と、前記第１の励起光の波長とは異なる波長を有し、前記レーザ下準位から前記レーザ上準位へイオンを励起する第２の励起光の光源とを備え、前記第１励起光源と前記第２励起光源のうち、少なくとも一方は半導体レーザにより構成されることを特徴とする。

　本発明のレーザ増幅器は、前記希土類元素を添加する媒体として、フルオロジルコニウム酸塩ガラスを使用することができる。

　更に、本発明のレーザ増幅器においては、一例として、前記希土類イオンがツリウム（Ｔｍ^３＋）であり、波長が１．５３乃至１．９０μｍ、波長が０．７７乃至０．８０μｍ、波長が０．６４乃至０．６８μｍの３つの波長領域内のうち、いずれか一つの波長を有する第１励起光の光源と、波長が１．３５乃至１．４６μｍの第２励起光の光源とを有する。また、本発明のレーザ増幅器は、媒体が光ファイバ形状であることが好ましい。

　本発明に係るレーザ増幅方法は、前述のレーザ増幅器を含む複数のレーザ増幅器を、直列又は並列に配列して利得を広帯域化したことを特徴とする。

　本発明に係るレーザ増幅装置は、前述のレーザ増幅器を含む複数のレーザ増幅器が、直列又は並列に配列されていることを特徴とする。

　なお、本発明に係るレーザ発振器は、希土類元素を添加した媒体を利得媒質とし、この媒体中の希土類イオンのエネルギ準位のうち、基底準位よりエネルギが高い２つのエネルギ準位間の誘導放出遷移を用い、この誘導放出遷移が前記２つのエネルギ準位のうちのレーザ上準位寿命よりレーザ下準位寿命が長い自己終端系遷移を形成するレーザ発振器であって、基底準位から前記レーザ下準位又はそれより上方のエネルギ準位にイオンを励起する第１の励起光の光源と、前記第１の励起光の波長とは異なる波長を有し、前記レーザ下準位から前記レーザ上準位へイオンを励起する第２の励起光の光源とを備え、前記第１励起光源と前記第２励起光源のうち、少なくとも一方は半導体レーザにより構成されていることを特徴とする。

　本発明のレーザ発振器は、前記希土類元素を添加する媒体として、フルオロジルコニウム酸塩ガラスを使用することができる。

　更に、本発明のレーザ発振器においては、一例として、前記希土類イオンがツリウム（Ｔｍ^３＋）であり、波長が１．５３乃至１．９０μｍ、波長が０．７７乃至０．８０μｍ、波長が０．６４乃至０．６８μｍの３つの波長領域内のうち、いずれか一つの波長を有する第１励起光の光源と、波長が１．３５乃至１．４６μｍの第２励起光の光源とを有する。

　本発明においては、自己終端系遷移を形成する希土類元素を添加したレーザ増幅器及びレーザ発振器において、二つの適切に選択された波長を有する半導体レーザ光源を励起光源として使用する。

　先ず、本発明における二つの励起光の作用について説明する。第１励起光は、イオンを基底準位からレーザ下準位又はそれより上方のエネルギレベルへ励起する。この第１励起光は、イオンを効率良く誘導放出遷移に関与するエネルギ準位群、即ちレーザ上準位及びレーザ下準位に励起する役割を有する。ここで、必ずしも第１励起光は、イオンをレーザ上準位より上方のエネルギ準位まで励起する必要はない。また、第１励起光のみを照射した場合、エネルギ準位が自己終端系であるため、レーザ下準位のイオン数密度が増大し、定常的な反転分布は形成されない。

　次に、第２励起光により、イオンを、レーザ下準位からレーザ上準位へ励起する。これにより所望のエネルギ準位間に反転分布を形成し、その誘導放出遷移におけるレーザ増幅動作を達成する。

　第１励起光は、レーザ下準位又はそれより上方のエネルギレベルへの基底準位吸収遷移に整合する波長を選定すれば良く、単一波長励起の場合に比べ選択肢が格段に増え、半導体レーザによる励起も可能である。第２励起光は、レーザ上準位とレーザ下準位間のエネルギギャップに相当する波長を選定すれば良い。これは注目している誘導放出遷移波長より若干短波長（約０．０２〜０．１０μｍ）の光源を選べば良く、この誘導放出遷移が半導体レーザで実現できる波長であれば、第２励起光も半導体レーザで実現できる。

　また、本発明の励起構成の中で、第１励起光の波長を基底準位及びレーザ下準位の間のエネルギギャップに相当するように設定した場合に、エネルギ変換効率、即ちスロープ効率が最大となる。その理由は、通常、非放射遷移によるエネルギ損失分がエネルギ変換効率を低下させる主原因となるが、励起光の波長を上述のように設定した場合、非放射遷移により失われるエネルギ損失分は極めて少なくなるためである。各エネルギ準位の幅を無視した単純な見積もりを行うと、Ｔｍ添加ファイバ増幅器における１．０５μｍ励起の場合、ファイバ増幅器のスロープ効率の理論最大値ηｓは、ηｓ＝１．０５／１．４６／２＝３６％である。しかし、第１励起光の波長を１．５６μｍとし、第２励起光の波長を１．４６μｍとした場合、スロープ効率は５０％に達する。レーザ発振器の場合はより顕著であり、閾値の５倍程度の励起パワーにおける理論スロープ効率は、１．０５μｍ励起の場合はηｓ＝７３％であるが、１．４２μｍ励起＋１．５６μｍ励起の場合はηｓ＝９７％にも達する。従って、本発明において、レーザ装置の高い動作効率を提供することも可能である。

　次に、利得媒質について説明する。ここでは、利得媒質中に添加する希土類元素として、Ｔｍを例にとり本発明を説明するが、本発明で使用できる希土類元素は、基底準位よりエネルギの高い２つのエネルギ準位をレーザ上準位及びレーザ下準位としてこの２準位間の誘導放出遷移を用いることができ、この２準位が自己終端系遷移をなしており、イオンの有するエネルギ準位を考慮して現存する半導体レーザ波長に整合する第１励起光及び第２励起光のうち少なくとも一方を選択することができるものであればよく、Ｔｍに限定されるものではない。

　希土類元素を添加する媒体は、通常の固体レーザ又はファイバレーザの媒体として用いられるものであればよいが、一般的にはガラス質である。例えば、石英、リン酸ガラス、ホウ酸ガラス、ゲルマニウムガラス、テルライトガラス又はフルオロジルコニウム酸塩ガラス等を挙げることができる。この中でも、フルオロジルコニウム酸塩ガラスは最もフォノンエネルギが低く、狭いエネルギ差の遷移でも非放射遷移せず、放射遷移により光としてエネルギを取り出すことができるので好ましい。また、媒体をファイバ形状とすると、長さにより利得を稼ぐことができるので、媒体形状としてはファイバ形状が望ましい。

　このように、本発明によるレーザ増幅器においては、第１及び第２の励起光を発振する２つの光源を有することにより、半導体レーザ励起が可能となる。そのため、固体レーザ又はファイバレーザ等の光源を、励起光源として用いることに起因する問題を排除するとともに、高効率を実現することができる。また、本発明は、レーザ増幅器の他、通常の共振器構造を付加することでレーザ発振器として構成することができる。更に、複数の前記レーザ増幅器を直列又は並列に接続することにより、利得を広帯域化したレーザ増幅装置を構成することができる。

　以上説明したように、本発明によれば、自己終端系を形成するイオンを添加したレーザ増幅器及びレーザ増幅装置において、半導体レーザ励起を可能とすることができ、高効率、小型、長寿命及び高安定のレーザ増幅器及びレーザ増幅装置を得ることができる。更に、本発明によれば、利得ピーク波長を長波長シフトしたレーザ増幅器を実現できる。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とを、直列又は並列に接続することで、広い増幅波長帯域を有するレーザ増幅装置を実現でき、大容量化に対応可能な波長多重通信に使用することができる。

　以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。先ず、本発明の第１の実施例について説明する。本実施例では、ツリウム（Ｔｍ）を添加したフッ化物ファイバを増幅ファイバとし、放出光遷移として、^３Ｆ_４→^３Ｈ_４遷移（１．４７μｍ帯）に着目する。

　図１は、本実施例に係るレーザ増幅器の励起方法を示すエネルギ準位図である。図１に示すように、第１励起光の波長は、（１）レーザ下準位（^３Ｈ_４）励起波長：１．５３〜１．９０μｍ（遷移ａ）、（２）^３Ｈ_５準位励起波長：１．１０〜１．２５μｍ（図示せず）、（３）^３Ｆ_４準位励起波長：０．７７〜０．８０μｍ（遷移ｂ）、（４）^３Ｆ_２準位励起波長：０．６４〜０．６８μｍ（遷移ｃ）等の選択肢があり、この中で半導体レーザ励起が可能なものは（１）、（３）及び（４）である。第２励起光の波長は、^３Ｈ_４→^３Ｆ_４励起準位吸収に合致する１．３５〜１．４６μｍの波長範囲であれば良く、半導体レーザで実現可能である。

　例えば、遷移ａの場合、第１励起光の波長は基底準位と^３Ｈ_４準位間とのエネルギギャップに相当するフォトンエネルギを持つように設定すれば良い。この基底準位吸収遷移は波長が１．６５μｍの位置にピークを持ち、波長が１．５３μｍから１．９０μｍまでの範囲に裾野を有する。本実施例では、第１励起光源を波長が１．５６μｍ、最大出力が１００ｍＷの半導体レーザとする。この理由は、縦マルチモード半導体レーザの作製が容易であることと、本波長における光カプラ又はアイソレータ等の受動部品が既に開発されており、導入に支障が無いことである。但し、上記波長範囲内であれば、本質的には同様の動作が可能である。

　また、第２励起光の波長は、レーザ下準位^３Ｈ_４とレーザ上準位^３Ｆ_４との間のエネルギギャップに相当する波長を選択する。この遷移は励起準位吸収と呼ばれ、波長の詳細なデータは従来、公知にされていないため、本発明者等が測定した。その結果、波長１．４１μｍ近傍にピークを有し、１．３５〜１．４６μｍの範囲に広がる励起準位吸収スペクトルが得られた。この波長範囲内で第２励起光の波長を選択すれば良い。上記波長帯域の半導体レーザの作製は容易である。本実施例では、第２励起光源として、波長が励起準位吸収のピーク近傍である１．４２μｍ、最大出力が１００ｍＷの縦マルチモードＬＤを使用する。

　図２は本実施例に係るレーザ増幅器の構成を示すブロック図である。増幅ファイバ１は、フルオロジルコニウム酸塩ガラスを母材とし、ツリウム濃度が２０００ｐｐｍ、コア径が２．０μｍ、ファイバ長が２０ｍである。増幅ファイバ１の入力側には、波長多重カプラ３及び７が配置されている。波長多重カプラ３及び７は、夫々、第１励起光源２及び第２励起光源６に接続されている。波長多重カプラ７の更に入力側の信号入力ポートにはアイソレータ４が、増幅ファイバ１の出力ポートにはアイソレータ５が夫々配置されている。なお、図２において、アイソレータ４及び５内に示されている矢印は、アイソレータ４及び５における光の通過可能方向を示す。

　次に、本実施例に係るレーザ増幅器の動作について説明する。増幅前の信号光８は、信号入力ポートのアイソレータ４を通過した後、波長多重カプラ７及び３を通過し、増幅ファイバ１に導入される。一方、第１励起光源２及び第２励起光源６から出力した励起光は、夫々波長多重カプラ３及び７を介して増幅ファイバ１に導入される。信号光８は、増幅ファイバ１内で増幅され、アイソレータ５を通過した後、増幅信号９として出力される。アイソレータ４及びアイソレータ５は、戻り光による望ましくないレーザ発振を抑制する。

　図３は図２のレーザ増幅器におけるＡＳＥスペクトルを示すグラフ図である。図３に示すように、第１励起光（ピーク１５）を入射せず、第２励起光（ピーク１３）のみを入射した場合は、１．４７０μｍ近辺にＡＳＥは発生していない（スペクトル１０）。しかし、第１励起光及び第２励起光がいずれも入射した場合は、スペクトル１２が得られる。スペクトル１２は、波長１．４７０μｍにピーク１４を持つ。ピーク１４は１．４５０μｍから１．４９０μｍまで広がっており、従って、１．０５μｍ単一波長励起の場合のＡＳＥスペクトル（図１３参照）と同様のＡＳＥ帯域が得られた。

　また、第１励起光及び／又は第２励起光の出力の調整により、ＡＳＥスペクトルの制御が可能である。第１励起光の出力を２０ｍＷ、第２励起光の出力を１０ｍＷとするとき、スペクトル１１が得られる。ピーク位置は１．４８５μｍとなり、スペクトル１２に比べて長波長側にシフトする。この理由は以下のように説明できる。第１励起光による遷移強度が、第２励起光による遷移強度に比して強い場合、レーザ下準位^３Ｈ_４のイオン数が増加し、ファイバ中の反転分布率が低下する。このためＡＳＥスペクトルは長波長側にシフトする。これは、^３Ｈ_４準位を仮想的な基底準位と見なした場合、エルビウム添加ファイバ増幅器において反転分布率の減少が利得帯域の長波シフトを招く現象と同じメカニズムである（例えば、特願平１１−１５６７４５号参照）。また、図２では、励起光は装置の入力側から入射しているが、本発明の効果は、励起光の入射方向によらないことが確認されている。

　図４は本実施例のレーザ増幅器における利得の信号波長依存性の測定結果を示すグラフ図である。この測定においては、波長可変半導体レーザを信号光源とし、波長を１．４４μｍから１．５５μｍまで変化させる。出力は−３０ｄＢｍとする。また、飽和信号の波長を１．５００μｍ、出力を−１０ｄＢｍとする。その結果、信号波長１．４７０μｍにおいて最大利得約３０ｄＢ、雑音指数５ｄＢ程度が得られる（黒丸）。このとき、第１励起光出力は５０ｍＷ、第２励起光出力は７０ｍＷである。１．０５μｍ励起の場合、同程度の利得を得るためには、２００ｍＷから３００ｍＷの励起出力が必要であるのに対し、より高効率であることが分かる。第１励起光の出力を１００ｍＷ、第２励起光の出力を７０ｍＷとすると、ＡＳＥスペクトルの長波シフトと同様に利得の長波長シフト（白丸）が実現できる。この場合、最大利得は低下するが、これはファイバの長尺化により補償できる。

　次に、本発明の第２の実施例について説明する。図５は本発明の第２の実施例におけるレーザ発振器の構成を示すブロック図である。増幅ファイバ１、第１励起光源２及び第２励起光源６は、第１の実施例と同一であり、図５において、前記第１実施例と同一の構成物には同一符号を付してある。増幅ファイバ１の入力側に、第１励起光波長及び第２励起光波長に対して無反射、発振波長帯（１．４７μｍ）に対して全反射するリアミラー２０を設置し、増幅ファイバ１の出力側には、発振波長帯に対して部分反射する出力ミラー１６が設けられている。リアミラー２０の入力側には、第１励起光を透過し第２励起光を反射するダイクロイックミラー２１が配置され、更に入力側には、レンズ１７及び第１励起光源２が設けられている。リアミラー２０，ダイクロイックミラー２１、レンズ１７及び第１励起光源２は、同一直線上に配置されている。また、ダイクロイックミラー２１の入力側には、レンズ１８及び第２励起光源６も設けられている。レンズ１８及び第２励起光源６は、第２励起光源から出力された第２励起光が、レンズ１８を通過し、ダイクロイックミラー２１で反射して、リアミラー２０を介して増幅ファイバ１に入射する位置に配置されている。

　次に、本実施例に係るレーザ発振器の動作について説明する。第１励起光源２から出力された第１励起光は、一旦自由空間に放射された後、レンズ１７、ダイクロイックミラー２１及びリアミラー２０を介して増幅ファイバ１に入射する。また、第２励起光源６から出力された第２励起光は、一旦自由空間に放射された後、レンズ１８、ダイクロイックミラー２１及びリアミラー２０を介して増幅ファイバ１に入射する。増幅ファイバ１内で、波長１．４７μｍのレーザが発振及び増幅され、出力ミラー１６より出力する。

　図６は、本実施例におけるレーザ発振スペクトルを示すグラフ図である。本実施例のレーザ発振器により、励起パワーが１７０ｍＷのとき、波長が１．４７μｍ、最大出力が５０ｍＷのレーザ発振を得ることができる。スロープ効率は３５％、光／光変換効率は３０％である。ファイバ長の最適化により更に出力を増大させることも可能である。また、第１励起光源の波長を０．７９μｍ（図１に示す遷移ｂ）又は０．６８μｍ（図１に示す遷移ｃ）とした場合でも、同様の利得特性を得ることができる。

　次に、本発明の第３の実施例に係る波長可変ツリウム添加ファイバレーザ発振器について説明する。図７は本実施例の波長可変ツリウム添加ファイバレーザ発振器の構成を示すブロック図である。増幅ファイバ１、第１励起光源２及び第２励起光源６は、第１及び第２の実施例と同一であり、図７において、前記第２の実施例と同一の構成物には同一符号を付してある。増幅ファイバ１より入力側の構成は、第２の実施例と同じである。この第３の実施例においては、増幅ファイバ１の出力端側に、コリメートレンズ２３及び回折格子２２が設けられている。

　次に、この第３の実施例の動作について説明する。第１励起光源２から出力された第１励起光は、一旦自由空間に放射された後、レンズ１７、ダイクロイックミラー２１及びリアミラー２０を介して増幅ファイバ１に入射する。また、第２励起光源６から出力された第２励起光は、一旦自由空間に放射された後、レンズ１８、ダイクロイックミラー２１及びリアミラー２０を介して増幅ファイバ１に入射する。増幅ファイバ１内で、波長１．４７μｍのレーザが発振及び増幅され、コリメートレンズ２３により平行化され、回折格子２２において回折されてファイバレーザ発振光１９として出力される。

　図８は、本実施例におけるレーザ波長同調発振スペクトルを示すグラフ図である。本実施例においては、波長１．４６μｍから１．４８μｍの範囲の任意の波長のレーザ発振を実現できる。波長が１．４７μｍ、最大出力が１０ｍＷのレーザ発振を、励起パワー１７０ｍＷで得ることができる。

　次に、本発明の第４の実施例について説明する。図９は本実施例のレーザ増幅装置の構成を示すブロック図である。本実施例に係るレーザ増幅装置は、前記第１の実施例に係るレーザ増幅器（図２参照）を２台直列に接続することにより構成されている。これにより、Ｔｍ添加ファイバを長尺化し、Ｔｍ添加ファイバ増幅器の利得帯域を通常の１．４７μｍ帯より１．４９μｍ帯へと長波側へシフトしている。

　図９に示すレーザ増幅装置においては、２台のレーザ増幅器２４ａ及び２４ｂを直列に配列し、２段構成となっている。レーザ増幅器２４ａはレーザ増幅器２４ｂに対して入力側に配置している。増幅ファイバ１ａ及び１ｂは、フルオロジルコニウム酸塩ガラスを母材とし、ツリウム濃度が２０００ｐｐｍ、コア径が２．０μｍ、ファイバ長が２０ｍの光ファイバである。本実施例のレーザ増幅装置においては、増幅ファイバ１ａ及び１ｂを直列に接続することにより、ファイバ長が合計で４０ｍとなっている。

　レーザ増幅器２４ａにおいては、増幅ファイバ１ａが設けられ、増幅ファイバ１ａの入力側には、波長多重カプラ３ａ及び７ａが設けられている。波長多重カプラ３ａ及び７ａは、夫々、第１励起光源２ａ及び第２励起光源６ａに接続されている。波長多重カプラ７ａの更に入力側の信号入力ポートにはアイソレータ４が設けられ、増幅ファイバ１の出力ポートにはアイソレータ５ａが設けられている。アイソレータ５ａの出力側にはレーザ増幅器２４ｂが接続されている。また、第１励起光源２ａ及び第２励起光源６ａは、夫々第１励起光及び第２励起光を入力側から増幅ファイバ１ａに導入するものである。

　レーザ増幅器２４ｂにおいては、入力側から順に波長多重カプラ７ｂ及び３ｂ、増幅ファイバ１ｂ、波長多重カプラ７ｃ及びアイソレータ５ｂが設けられ、直列に接続されている。波長多重カプラ７ｂ及び３ｂには夫々第２励起光源６ｂ及び第１励起光源２ｂが接続され、波長多重カプラ７ｃには第２励起光源６ｃが接続されている。第１励起光源２ｂ及び第２励起光源６ｂは夫々第１励起光及び第２励起光を入力側から増幅ファイバ１ｂに導入するものであり、第２励起光源６ｃは後方励起光源として第２励起光を出力側から増幅ファイバ１ｂに導入するものである。第１励起光源２ａ及び２ｂは前記第１の実施例における第１励起光源２と同じものであり、第２励起光源６ａ乃至６ｃは、前記第１の実施例における第２励起光源６と同じものである。アイソレータ４、５ａ及び５ｂは、戻り光による望ましくないレーザ発振を抑制するものである。なお、図９においてアイソレータ４、５ａ及び５ｂ内に示されている矢印は、アイソレータ４、５ａ及び５ｂにおける光の通過可能方向を示す。

　次に、本実施例のレーザ増幅装置の動作について説明する。図９に示すように、増幅前の信号光８は、レーザ増幅器２４ａに入力され、アイソレータ４を通過した後、波長多重カプラ７ａ及び３ａを通過し、増幅ファイバ１ａに導入される。一方、第２励起光源６ａ及び第１励起光源２ａから出力された励起光は、夫々波長多重カプラ７ａ及び３ａを介して増幅ファイバ１ａに導入される。信号光８は、増幅ファイバ１ａ内で増幅された後、アイソレータ５ａを通過し、レーザ増幅器２４ｂに対して出力される。

　レーザ増幅器２４ａから出力された光は、レーザ増幅器２４ｂにおいて、波長多重カプラ７ｂ及び３ｂを通過し、増幅ファイバ１ｂに導入される。一方、第２励起光源６ｂ及び第１励起光源２ｂから出力された励起光は、夫々波長多重カプラ７ｂ及び３ｂを介して増幅ファイバ１ｂに導入される。また、第２励起光源６ｃから出力された励起光は、波長多重カプラ７ｃを介して増幅ファイバ１ｃに導入される。前述のレーザ増幅器２４ａから出力された光は、増幅ファイバ１ｂ内で増幅され、アイソレータ５ｂを通過し、増幅信号９として出力される。

　図１０は、図９に示すレーザ増幅装置における増幅信号９の利得及び雑音指数の波長依存性の測定結果を示すグラフ図である。この測定においては、飽和信号として波長が１．４７６μｍ乃至１．５０９μｍの範囲に等間隔に配置された１６の波からなる波長多重信号と、小信号として出力が−２０ｄＢｍの波長可変半導体レーザ光とを合わせてレーザ増幅装置に入力する。前記波長多重信号は、各波の出力が−１５ｄＢｍ／ｃｈ、全入力信号合計出力が−３ｄＢｍである。このとき、第１励起光源２ａの出力は１２ｍＷ、第１励起光源２ｂの出力は１．１ｍＷ、第２励起光源６ａの出力は９３ｍＷ、第２励起光源６ｂの出力は１０７ｍＷ、第２励起光源６ｃの出力は２６７ｍＷである。また、利得及び雑音指数は前記小信号の波長を変えて測定する。測定の結果、信号波長が１．４９０μｍのとき利得の最大値が得られ、このとき、利得が約２６ｄＢ、雑音指数が約６．５ｄＢとなる。また、波長が１．４７７乃至１．５０７μｍの範囲にあるとき、２０ｄＢ以上の利得を得ることができる。

　図１１は、本実施例のレーザ増幅装置の出力及び光変換効率の全励起パワー依存性を示すグラフ図である。全励起パワーとは第１励起光源２ａ及び２ｂ並びに第２励起光源６ａ、６ｂ及び６ｃの各出力の和である。光変換効率は、レーザ増幅装置の出力を全励起パワーで除した値である。このとき、レーザ増幅装置の出力、光変換効率は共に全励起パワーに対して単調増加し、全励起パワーが最大のときに最大値をとる。このとき、光変換効率は最大２９％に達する。この値は、１．０５μｍ励起を行う場合と比較して高効率である。

　なお、本発明は、所望の誘導放出遷移を実現し得る希土類イオン並びに第１励起光源の波長及び強度並びに第２励起光源の波長及び強度を適切に選択することで、前述のＴｍイオン中の他の励起準位間遷移及び他の希土類イオンに対しても有効である。

本発明の第１の実施例に係るレーザ増幅器の励起方法を示すエネルギ準位図である。本実施例におけるレーザ増幅器の構成を示すブロック図である。本実施例のレーザ増幅器における増幅された自然放出光（ＡＳＥ）スペクトルを示すグラフ図である。本実施例のレーザ増幅器における利得の信号波長依存性の測定結果を示すグラフ図である。本発明の第２の実施例におけるレーザ発振器の構成を示すブロック図である。本実施例におけるレーザ増幅器の発振スペクトルを示すグラフ図である。本発明の第３の実施例における波長可変ツリウムファイバレーザ発振器の構成を示すブロック図である。本実施例における波長可変ツリウムファイバレーザ発振機の波長同調曲線を示すグラフ図である。本発明の第４の実施例に係るレーザ増幅装置の構成を示すブロック図である。本実施例のレーザ増幅装置における利得及び雑音指数の波長依存性の測定結果を示すグラフ図である。本実施例のレーザ増幅装置の出力及び光変換効率の全励起パワー依存性を示すグラフ図である。従来のツリウムファイバ増幅器の励起方法を示すエネルギ準位図である。従来のツリウム励起法による蛍光スペクトル（ＡＳＥスペクトル）を示すグラフ図である。

符号の説明

　１、１ａ、１ｂ；増幅ファイバ
　２、２ａ、２ｂ；第１励起光源
　３、３ａ、３ｂ；波長多重カプラ
　４；アイソレータ
　５、５ａ、５ｂ；アイソレータ
　６、６ａ、６ｂ、６ｃ；第２励起光源
　７、７ａ、７ｂ、７ｃ；波長多重カプラ
　８；信号光
　９；増幅信号
　１０；ツリウムにおいて第２励起光（波長１．４２μｍ）のみを照射した場合のＡＳＥスペクトル（破線）
　１１；第１励起光が強い場合に、ツリウムにおいて本発明による励起構成をとったときのＡＳＥスペクトル（点線）。
　１２；第１励起光と第２励起光が同程度の強度の場合に、ツリウムにおいて本発明による励起構成をとったときのＡＳＥスペクトル（実線）。
　１３；第２励起光（波長１．４２μｍ）
　１４；１．４７μｍ帯ＡＳＥ
　１５；第１励起光（波長１．５６μｍ）
　１６；出力ミラー
　１７；レンズ
　１８；レンズ
　１９；ファイバレーザ発振光
　２０；リアミラー
　２１；ダイクロイックミラー
　２２；回折格子
　２３；コリメートレンズ
　２４ａ、２４ｂ；レーザ増幅器

Claims

希土類元素を添加した媒体を利得媒質とし、この媒体中の希土類イオンのエネルギ準位のうち、基底準位よりエネルギが高い２つのエネルギ準位間の誘導放出遷移を用い、この誘導放出遷移が前記２つのエネルギ準位のうちのレーザ上準位寿命よりレーザ下準位寿命が長い自己終端系遷移を形成するレーザ増幅器であって、基底準位から前記レーザ下準位又はそれより上方のエネルギ準位にイオンを励起する第１の励起光の光源と、前記第１の励起光の波長とは異なる波長を有し、前記レーザ下準位から前記レーザ上準位へイオンを励起する第２の励起光の光源とを備え、前記第１励起光源と前記第２励起光源のうち、少なくとも一方は半導体レーザにより構成されることを特徴とするレーザ増幅器。
前記希土類元素を添加する媒体として、フルオロジルコニウム酸塩ガラスを使用することを特徴とする請求項１に記載のレーザ増幅器。
前記希土類イオンがツリウム（Ｔｍ^３＋）であり、波長が１．５３乃至１．９０μｍ、波長が０．７７乃至０．８０μｍ、波長が０．６４乃至０．６８μｍの３つの波長領域内のうち、いずれか一つの波長を有する第１励起光の光源と、波長が１．３５乃至１．４６μｍの第２励起光の光源とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ増幅器。
媒体が光ファイバ形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ増幅器を含む複数のレーザ増幅器を、直列又は並列に配列して利得を広帯域化したことを特徴とするレーザ増幅方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ増幅器を含む複数のレーザ増幅器が、直列又は並列に配列されていることを特徴とするレーザ増幅装置。