JP2004287105A

JP2004287105A - 光スイッチと光スイッチを用いたファイバレーザ

Info

Publication number: JP2004287105A
Application number: JP2003079229A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kuwabara; 雅裕桑原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-03-24
Filing date: 2003-03-24
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】活性イオンをファイバにドープしイオン準位励起を利用して反転分布を出現させレーザ発振させるファイバレーザ装置において、光スイッチをファイバで作る事ができず一端ファイバの外部へ光を出してオンオフし、それをまたファイバへ戻すようにしている。外部へ光を出してまた戻すようにするから光軸合わせが難しく高コストになってしまう。ファイバ型の光スイッチを提供することが目的である。
【解決手段】Ｅｒ添加光ファイバにＷＤＭを介して励起用ＬＤを接続し励起用ＬＤによってＥｒイオンを励起できるようにする。励起用ＬＤによってＥｒイオンを励起して第１励起準位を充満させることによって発振光λｏに対しＥｒファイバを透明にする。それがオンということである。Ｅｒイオンが基底状態にあれば発振光λｏは吸収されるからスイッチはオフとなる。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバから光を外部に出すことなく光ファイバを伝搬する光を通過あるいは遮断できる新規な光スイッチ素子と、その光スイッチ素子を用いた、光ファイバ内に光を限定したＱスイッチレーザおよび光ファイバ内に光を限定したモードロックレーザに関する。
【０００２】
Ｅｒ添加光ファイバ増幅器は光ファイバにＥｒイオンをドープし、半導体レーザの光を励起光として用い、Ｅｒイオンの３準位を利用して、入射光を増幅するようにしたものである。Ｅｒ添加光ファイバの増幅機能を利用して半導体レーザ励起によりレーザ発振させるようにしたものがファイバレーザである。
【０００３】
コイル状のＥｒ添加光ファイバとＷＤＭと光スイッチとミラーとを共振空間をなすように組み合わせ、ＷＤＭから半導体レーザの光を導入し、光スイッチをオンオフすることによって発振・停止を繰り返すようになっている。レーザ媒質がバルクガラスの中にドープされていれば固体レーザであるが、ファイバにドープされているのでファイバレーザという。
【０００４】
本発明はそのうち光スイッチを問題にする。光スイッチは音響光学素子を用い素子の両側に光ファイバの端部を斜めに接着しておき定在波を発生させ光を回折させることによって光路を曲げてポート間で光を交換できるようになっている。光ファイバからなる光スイッチは現在も存在しないので光スイッチを設けるためには一部光ファイバでない部分が生ずる。
【０００５】
【従来の技術】
そのようにファイバレーザといってもＥｒ添加光ファイバはファイバであるが、光スイッチの部分は光をファイバの外部に取り出して音響光学素子によって回折させてミラーと結合するようになっている。一旦光ファイバから外部に光を取り出し、ミラーで反射して再び光ファイバへ入れている。ファイバレーザと言っても、全部が光ファイバによって構成されているのではない。
【０００６】
本発明は新規な光スイッチを用い、それによって全ファイバ型のレーザを提供しようとするものである。本発明の光スイッチは、Ｑスイッチ型のレーザやモードロックレーザへ適用することができる。
【０００７】
【非特許文献１】
安尾浩行、石原朋浩、山口正義、西村正幸、「アイセーフ小型Ｑスイッチファイバレーザの開発」、１９９５年９月、住友電気、第１４７号、ｐ４１−４５
【０００８】
非特許文献１によって提案されたＱスイッチ型光ファイバレーザの構造を図１に示す。
このレーザ光学系は、部分透過ミラー２、波長分波器（ＷＤＭ：ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｉｖｉｓｉｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）３、Ｅｒ添加光ファイバ４、音響光学セル６、全反射ミラー８、励起半導体レーザ（ＬＤ）９などよりなる。励起半導体レーザ（ＬＤ）９というのは一定波長λｒの励起光を発生するレーザである。その光λｒは光ファイバ２２からＷＤＭ３を経てＥｒ添加光ファイバ４の一端に入る。
【０００９】
励起光λｒの方がレーザ発振光λｏより波長が短く（λｒ＜λｏ）、ＬＤ９から励起光λｒが光ファイバ光路へ入るためにＷＤＭ３が必要である。レーザ発振光λｏは光ファイバの中を直進すべきであって、ＬＤ９の方へ分岐してはならない。そのために波長選択性をもつＷＤＭ３が用いられる。ＷＤＭ３は励起光λｒをＥｒ添加ファイバ４の方に導き、反射された励起光λｒを分岐ファイバ２２に戻し、発振光λｏを左右方向に通過させる。
【００１０】
Ｅｒ添加光ファイバ４は、石英中にＥｒ^３＋のイオンが含まれた光ファイバである。それはｆ軌道に３個の電子が存在する。図８にＥｒ^３＋のエネルギー準位を示す。フント規則でエネルギーの低いレベルでは、スピン最大、軌道角運動量最大となる。ＬＳカプリングの係数ｋが負であるから、ＬとＳが平行である方がエネルギーが低くなる。
【００１１】
Ｅｒ^３＋の基底状態ｇ（Ｓ＝３／２、Ｌ＝６、Ｊ＝１５／２）は^４Ｉ_１５／２である。励起状態として^４Ｉ_１３／２の第１励起状態ｗ（Ｓ＝３／２、Ｌ＝６、Ｊ＝１３／２）と第２励起状態ｖ（Ｓ＝３／２、Ｌ＝５、Ｊ＝１３／２）、^４Ｉ_１１／２の第３励起状態ｕ（Ｓ＝３／２、Ｌ＝５、Ｊ＝１１／２）がある。左サフィックスの４はスピン多重度（２Ｓ＋１）の値を示す。右下の半整数は全角運動量Ｊ（＝Ｌ＋Ｓ）の値を示す。ｋが負なのでＬとＳが平行に近いものがエネルギーが低く、Ｊ＝１５／２が最低エネルギー（基底）状態になる。Ｊ＝１３／２はそれに次いでエネルギーが低い。
【００１２】
図８に示すように下の方の励起状態（Ｓ＝３／２、Ｌ＝５，６、Ｊ＝１３／２）が二つに分裂している。それを下から第１、第２励起状態ｗ、ｖと呼ぶ。基底状態ｇと第１励起状態ｗのエネルギー差が１．５３μｍ〜１．５５μｍに対応する。基底状態ｇと第２励起状態ｖのエネルギー差が１．４８μｍに対応する。第３励起状態ｕは０．９８μｍの波長のエネルギー差をもっている。だから、Ｅｒ^＋３イオンは、１．４８μｍの光でも、０．９８μｍの光でも励起することができる。
【００１３】
０．９８μｍのエネルギーの強い光によって励起すると基底状態のＥｒ^３＋が第３励起状態（ｕ）^４Ｉ_１１／２まで上がる。それはΔＬ＝１であって許容遷移である。それが直接に基底状態ｇまで下がってしまえばレーザ作用は起こらない。第３励起状態→第２励起状態は非発光遷移である。
【００１４】
そのレベルは基底状態から波長１．４８μｍのエネルギー（０．８３ｅＶ）高い。第２励起状態ｖから第１励起状態ｗへ緩和過程によって落ちる（非発光遷移）。そこでどんどんと第１励起状態ｗにＥｒ^３＋がたまってゆくことになる。それがエネルギーの蓄積であり反転分布の形成ということである。反転分布というのは基底状態のイオン数よりも第１励起状態のイオン数の方が多くなったということである。どんどん第１励起状態のイオン数が増えてゆくとエネルギーが大量に蓄積されたということである。Ｑスイッチによって誘導放出させるとレーザ発振が起こり第１励起状態のイオンは基底状態ｇに戻る。
【００１５】
励起光は０．９８μｍ（１．２６ｅＶ）に限らず、１．４８μｍ（０．８３ｅＶ）であってもよい。その場合は第２励起状態ｖへ直接に励起される。それが熱緩和によって第１励起状態ｗへ推移する。第１励起状態ｗのイオンが蓄積されるという点は同じである。本発明は１．４８μｍによる励起光を主に使う。そのように第１励起準位にイオンの状態を高めることをポンピングという。ポンピングをするのは図１の励起ＬＤ９である。それは１．４８μｍの光を出すレーザでＷＤＭ３を通りＥｒ添加光ファイバ４へ入る。そこでＥｒイオンの状態を基底状態ｇから第２励起状態ｖへ電子を励起する。それが第１励起準位ｗにたまる。
【００１６】
Ｅｒ添加光ファイバは石英中にＥｒ^３＋イオンを分散させたものである。パルスレーザのパワーを大きくするためにはパルス幅を狭くする必要がある。そのためには短い長さにＥｒを集中してドープするのがよい。ところが高濃度にＥｒを添加するとイオン同士の遮蔽効果があり、かえって増幅率が減る。ドープできるＥｒイオン濃度に限界がある。限界以下の濃度のＥｒイオンを加え、しかも所望の増幅率を得なければならないのでＥｒ添加光ファイバはかなりの長さのものが必要である。
【００１７】
そのままであればポンピングによって励起状態のＥｒイオンが増えるだけである。レーザ発振させるためにＱスイッチを動作しなければならない。図１の装置では音響光学セル６を使っている。Ｑスイッチ５は音響光学素子６と変調器７の組み合わせになる。図９にその組み合わせの斜視図を示す。音響光学素子６（ＡＯ素子）の端面に圧電素子があり、それに適当な周波数の交流を掛けると弾性波が生じて端面から反対側の端面へと伝搬する。弾性波は粗密波であるから屈折率が周期的に変動する。音速をｃとし周波数をｆとすると音響光学素子にできる屈折率の周期的変化の空間周期はｄ＝ｃ／ｆとなる。
【００１８】
光ファイバの終端のコリメータ１０から出た光は音響光学セル６の側面に入射するが、弾性波が存在しないときはそのまま透過してしまう。その先に全反射ミラー８が傾けて置いてあるが直進した光はそれによって斜めに反射され光ファイバへ戻らない。だからＱスイッチは起こらない。励起ＬＤ９によるＥｒ添加光ファイバ４のポンピングが進むだけである。
【００１９】
弾性波が存在するときは空間周期ｄ＝ｃ／ｆの回折格子が存在することになる。それによって光ファイバ終端のコリメータ１０から出た光は回折される。一次回折の方向（ｄｓｉｎθ＝λ）に全反射ミラー８を設けている。回折された光は全反射ミラー８によって反射される。それはコリメータ１０の端面に入りＥｒ添加光ファイバ４の中へ戻る。
【００２０】
その場合図１において、部分透過ミラーＡ、ＷＤＭＢ、光ファイバＣ、コリメータＤ、ＡＯ素子Ｅ、全反射ミラーＦを結ぶ往復の光路が形成される。閉じ込められた光はＡＢＣＤＥＦＥＤＣＢＡ…という往復運動をしＥｒファイバの反転分布からエネルギーを得て増幅され位相のそろった光となる。それがレーザ発振である。位相の揃った発振光の一部が部分透過ミラー２を透過して外部へ出て行く。Ｅｒ添加光ファイバのうちの全ての反転分布がなくなるまでレーザ発振が持続する。それは短い時間で消滅する。
【００２１】
非特許文献１はそのように励起ＬＤによってＥｒファイバに反転分布を形成し、変調器によってＱスイッチ動作をさせて強いパワーのパルスレーザ発振を起こさせている。
【００２２】
３０００ｐｐｍのＥｒイオンを添加した３ｍのＥｒ添加石英光ファイバを用い、発振波長１．４８μｍの半導体レーザを励起レーザとして使用し、１．５３μｍ〜１．５５μｍをマルチモード発振させた。繰り返し周波数２ｋＨｚ以下で、ピークパワーが４００Ｗ以上で、２０ｎｓのパルス幅（半値幅）のパルスレーザ発振が実現した。装置の寸法は１２０ｍｍ×９０ｍｍ×３５ｍｍであり、小型の装置となった、と非特許文献１は述べている。
【００２３】
【特許文献１】
特開平７−２３１１３１号「光ファイバレーザ装置」（特願平６−４１８５１号）
【００２４】
これはＥｒ添加光ファイバを用いたレーザであるが反射ミラーを省いたものである。Ｅｒ添加光ファイバの光路をループ状としてその一箇所に光スイッチを設けＱスイッチ動作させている。スイッチが開いているときは開ループとなるのでレーザ発振は起こらない。光スイッチが閉じているときは閉ループとなり光は何回もループを廻り得るので反転準位からエネルギーを吸収して発振することができる。
【００２５】
リングレーザと同じ形式であるが光スイッチの部分はやはり音響光学素子を使っており音響光学素子の上に超音波を発生させ光ファイバから出た光を回折させて、もう一方の光ファイバ端へと接続するようにしている。だからこれも全体が光ファイバであるのではなくて、光スイッチの部分が音響光学素子であり一部に光ファイバから自由空間へ光を出している。だから軸合わせの難しさがある。
【００２６】
次にモードロックファイバレーザについて述べる。これもミラーによる反射のために光スイッチが使われるので同様の問題がある。気体レーザでモードロックレーザ自体はよく知られている。モードロックＥｒファイバレーザというのは別段存在しないが原理からその構成を考える事ができる。
【００２７】
それを図２に示す。Ｅｒ添加光ファイバ４の左端にはＷＤＭ３がありＷＤＭ３によって励起ＬＤ９から励起光を導入できる。その前方には遅延ファイバ３１があり、その前に部分透過ミラー２がある。Ｅｒ添加光ファイバ４の後方には端部３２があって、そこから光が外部空間へ出るようになっている。その光路の途中に光スイッチ３３があり、光スイッチ３３のさらに後方にミラー８があって光を反射することができる。周波数シンセサイザ３４が光スイッチ３３を開閉することができる。
【００２８】
モードロックされたパルス光が出力される周期Ｔは、Ｔ＝２Ｌ／ｃによって与えられる。ここでＬは共振器長、ｃは光速である。遅延ファイバ３１の長さを調節して任意の周期に設定することができる。光スイッチの開閉の周期はシンセサイザ３４によって自由に変化させることができる。適当な周期で光スイッチを開閉して、特定の周波数ｆ＝ｍ／Ｔ（ｍは自然数）だけのモードロック発振させることができる。
【００２９】
【発明が解決しようとする課題】
上に述べたＱスイッチＥｒファイバレーザは、音響光学素子を使い瞬間的に光を回折させ光路を変えて全反射ミラーで反射させ光ファイバへ戻すようにしてＱスイッチ動作をさせている。音響光学素子により光路を切り換えミラーで反射させるのは巧みな方法であるが、一旦光ファイバの外部に光を出してしまい、自由空間中にあるミラーに反射させて、また細い光ファイバへ戻すという難しい手法である。
【００３０】
実際にはコリメータによって平行光を広げて音響光学素子に当て、ミラーからの平行光をコリメータによって光ファイバ端へ収束させるようにしているが、それでも軸合わせが難しくてなかなか反射された光が光ファイバへ戻らない。レーザ発振させるためには光路を何度も往復しなければならない。スイッチが機能しているときの光軸が厳密に一致していなければならない。もしも光軸が僅かな角度でもずれた場合、光は光ファイバへ１００％戻る事ができない。
【００３１】
コリメータがあっても自由空間を伝搬する光をなかなか光ファイバ端に戻すことができない。１往復することによって得られるゲインよりも軸ズレによる損失が大きいと最早レーザ発振しない。その軸合わせが極めて難しくて調整が難しい。練達の作業者が手作業で軸合わせをするが、それが何時間もかかる。困難な手作業となる。それが製造コストを押し上げる。また部品の関係を固定しておいても温度変化や衝撃などによって回折の方向が変わり反射ミラーに入射するスポット位置も変わり、反射光が光ファイバに結合しなくなる。それによってレーザ発振パワーが低下したり、レーザ発振しなくなることがある。そのように一旦ビームを外部に出してスイッチングするので軸合わせ調整が困難でコスト高になるという難点がある。
【００３２】
それは特許文献１のリング型のファイバレーザでも同じことである。光ファイバから一旦光を自由空間へ出し回折させて他端へ入射させるのだから、それは難しい軸合わせを必要とする。たとえ出荷時は軸が合っていても経年変化、温度変化によって狂いが生ずることもある。
【００３３】
それらは光スイッチが光を一旦外部に出し外部の音響光学素子などで回折させ光路を曲げることによって光路を開閉するから起こる欠点である。つまり光スイッチが光ファイバの外部にあるのが問題なのである。光スイッチが光ファイバによってできていないのでいけない。
【００３４】
もしも光スイッチも光ファイバの中に納めることができれば、そのような軸合わせの困難はない。光ファイバ内に光スイッチを形成できれば、そのような軸合わせの問題は全て解決する。経年変化による軸ずれの問題も起こらない。光ファイバ内部で光の進行を遮断、許容できればまことに都合が良い。つまり「ファイバ光スイッチ」というようなものがあれば良い。それがあれば先述のＱスイッチファイバレーザでも全部をファイバ化することができる。先述のモードロックファイバレーザも全ファイバ型のものを簡単に構成することができる。
【００３５】
しかし光ファイバの中を通過する光を止めたり通過したりするというようなことは簡単にはできない。光ファイバに圧力を掛けても光の伝搬の状態は殆ど変わらない。光ファイバを加熱しても光の伝搬状況は変わらない。光ファイバを薬品につけても内部を通る光の状態には影響しない。光ファイバを過度に曲げると放射モードになって伝搬光が外部へ出て行くし、まっすぐにすると伝搬するというようにはできる。が、光ファイバを曲げることは寿命を短くし望ましいことではない。
【００３６】
そもそも光ファイバは化学的にも強くて、電磁力の影響も受けないし物理的な圧力にも殆ど不感であり安定した媒体である。だから光ファイバ自体に光スイッチを形成するというようなことは難しい。光ファイバに内蔵された光スイッチというものはこれまでになかった。そのようなことは光ファイバの安定した性質からしても無理な事だと誰もが考えている。
【００３７】
光ファイバの内部を通過する光を停止あるいは透過させることができる光ファイバ型の光スイッチを提供する事が本発明の第１の目的である。光ファイバ型の光スイッチを使ってＱスイッチ型ファイバレーザを提供することが本発明の第２の目的である。光ファイバ型の光スイッチを使ってモードロック型光ファイバレーザを提供することが本発明の第３の目的である。つまり本発明で提供しようとするものは、空間出射を必要としない光スイッチと、それを用いた全てをインラインで構成するファイバレーザである。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、Ｅｒ添加光ファイバにＷＤＭによって励起ＬＤから励起光を与えることによって光路を開き、励起ＬＤからの励起光を断つことによって光路を閉じるようにした光ファイバ型の光スイッチを提案する。Ｅｒ添加光ファイバは１．４８μｍによって第２励起準位に電子励起し、それが第１励起準位に落ちて反転分布を形成するものであるが、それを励起用ＬＤを使って光スイッチに応用したのが本発明である。
【００３９】
本発明の光スイッチの装置を図３に示す。Ｅｒ添加光ファイバ２４と励起用半導体レーザ（ＬＤ）２９、ＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）２３、変調器３０を含む系の全体が光スイッチとなっている。ファイバ経路Ｇ、Ｈ、Ｊ、Ｍ、Ｋが光スイッチの経路となり光を一旦外部へ出す必要がなく光ファイバ内に閉じ込めることができる。
【００４０】
変調器３０によって励起用ＬＤ２９を発振させると、それはλｒ＝１．４８μｍの励起光を発生する。励起光λｒはＮ、ＷＤＭ２３、Ｊ、Ｍという経路を通りＥｒ添加光ファイバ２４に入る。それはＥｒの基底状態の電子を第２励起状態へ上げる。それはすぐに第１励起状態に落ちる。励起光λｒがあると第１励起状態が電子で満ちる。励起用ＬＤが発振しないときはλｒがないので、Ｅｒファイバ２４のＥｒイオンの第１励起状態は空である。全部のＥｒイオンは基底状態にある。そのように励起用ＬＤ２９の動作、非動作によって第１励起状態を充填するか空にするかという２状態を切り換える。
【００４１】
それは、音響光学素子と変調器の組み合わせになるものとは大いに違う。それは第１に、光の光路を変化させてＱスイッチを行うのではない。光路自体は変わらない。第２に、自由空間に一旦光を出してオン・オフし、光ファイバへ収束させるというものではない。だから自由空間へ出して戻す時のような軸合わせの困難がない。本発明で提案するものは、スイッチという概念からかなり離れ得たものであり少し理解しにくいものである。
【００４２】
本発明のファイバ型光スイッチは、図１のＥｒ添加光ファイバ４の先端を図３のＧ点に接続して用いるようなスイッチである。Ｇ点からの光はＷＤＭ２３を通りＥｒ添加光ファイバ２４を通過して、Ｋ点に出て行く。図３はスイッチの部分だけを図示しているが、Ｋ点の背後にはミラーの部分がある。自由空間へ光を出してはなんにもならないからミラー作用も光ファイバによって担うようになっている。ミラーについては後に説明する。
【００４３】
ＬＤ２９は励起光（λｒ＝１．４８μｍ）を発生し、それがＥｒ添加光ファイバのＥｒイオンを励起して反転分布を発生させる。
それがどうしてスイッチ作用を行うのか？。ＬＤ２９によって励起光を入れるとＥｒ添加ファイバ２４に反転分布が生じているので、Ｇ点から入ってきた光は吸収されずにＥｒファイバ２４を通過することができる。つまりＥｒ添加ファイバは単に透明の光ファイバとして機能する。
【００４４】
ところがＬＤ２９の励起光λｒを断つと、Ｅｒ添加ファイバは吸収性をもつ。Ｅｒは光を吸収するのでＧ点からの光はＥｒ添加ファイバで吸収される。つまりそのまま透過することができないので、それはスイッチオフだということである。つまりＥｒ添加ファイバの吸収状態、飽和状態を切り換えることによって光をスイッチするような方式となっているのである。
【００４５】
図１に示すような光路を変えるようなスイッチとは全く違う。Ｅｒ添加ファイバを吸収状態にするか、飽和状態にするかによってスイッチをオン、オフするという斬新なアイデアによるスイッチである。
【００４６】
図４のようにＥｒ添加光ファイバ４、２４を二重に用いるから、図１のポンピング機構を二つ並べただけのような感じもする。レーザ部分を二つ直列に接続したように見える。
【００４７】
しかしそうではない。Ｅｒ添加光ファイバやＬＤの作用は両者で異なっている。まずレーザ用のＥｒ添加光ファイバ４と、スイッチ用のＥｒ添加光ファイバ２４を区別しなければならない。さらにレーザ準位のポンピングに使うＬＤ９と、スイッチ用Ｅｒ添加光ファイバを励起するためのＬＤ２９を峻別しなければならない。
【００４８】
まず最初に挙がる疑問は、レーザ用のＬＤ９によってスイッチ用Ｅｒ添加光ファイバ２４が励起されるとすれば、単にＥｒ添加光ファイバの長さが長くなっただけであり全部のＥｒイオンについて反転分布が生成されるのに要する時間が長くなっただけではないか？ということであろう。もしもそうであればＬＤ９によるポンピングが進行すると、いつしかスイッチ部のＥｒ添加光ファイバ２４も飽和して光が通るようになる。それは緩慢に起こるのでスイッチングを引き起こす事ができないだろう、と思われる。
【００４９】
それが最も大きい疑問であろう。レーザ用Ｅｒ添加光ファイバ４の長さをＬ１、スイッチ用Ｅｒ添加光ファイバ２４の長さをＬ２とすると、単にＥｒ添加光ファイバの長さをＬ１＋Ｌ２に延長しただけではないか？というものである。しかしそうではない。ＷＤＭがあるから初めの励起用ＬＤ９は後ろのＥｒ添加光ファイバ２４まで行かない。だから初段のＬＤ９が２段目のファイバ２４を励起することはないのである。
【００５０】
ＷＤＭ２３において二つの入力ファイバＨ、Ｎと二つの出力ファイバＪ、Ｌがある。それは波長選択性をもつ入力、出力ファイバである。出力と入力は交代するからＨ、Ｎ、Ｊ、Ｌを単に端子と呼ぶことにしよう。Ｈ端子にレーザ発振波長λｏが入力されると、出力Ｊにλｏが出て行く。Ｎ入力に励起波長λｒを入力すると、出力Ｊにλｒが出て行く。反対にＪ端子からλｏが左向きに入ると、それはＷＤＭ２３を通り抜けてＨ端子に出て行くことができる。つまりλｏはＨ→Ｊ、Ｊ→Ｈという相反性をもち、λｒはＮ→Ｊ、Ｊ→Ｎというような相反性をもつ。
【００５１】
励起用ＬＤ９の励起光λｒはＷＤＭ３で初段のＥｒ添加光ファイバ４に導入されイオンを励起状態にする。残りの励起光λｒがあって次のＷＤＭ２３の端子Ｈに到ったとしても励起光λｒは空端子Ｌへ出てしまう（Ｈ→Ｌ）。だから余分の励起光λｒが第２ファイバのイオンを励起するということはない。対象となるより長波長のλｏはＨ→Ｊとなる。つまり初段の励起用レーザＬＤ９からの励起光λｒはＷＤＭ２３によって遮られ、２段目のＥｒ添加光ファイバ２４に到らない。だから初段レーザＬＤ９から見て、単にＥｒ添加光ファイバの長さがＬ１からＬ１＋Ｌ２になったという訳ではない。
【００５２】
もう一つの疑問があろう。それはより根元的なものである。図３の光スイッチは、励起用ＬＤ２９によって第２のＥｒ添加光ファイバ２４へ励起光λｒを注入すると、イオン状態を第２励起状態ｖから第１励起状態ｗへと遷移させ、第１励起状態ｗにあるイオンが殆ど優勢になり基底状態ｇのイオンの数が減少するというオン状態と、そうでないオフ状態を作り出している。
【００５３】
Ｅｒイオンのうち基底状態の数をＮｇとし、第１励起状態にある数をＮｗとする。Ｎｇ＋Ｎｗ＋Ｎｅ＝Ｎ０である。Ｎ０は全Ｅｒイオンの数である。Ｎｅはその他の励起状態にある数である。Ｎｅは数が少ないのでここでは無視する。
【００５４】
オン状態というのは、ＬＤが動作しており、第１励起状態ｗが優勢で基底状態ｇが少ないというものである。つまり反転準位が出現している。だからＮｗ＞Ｎｇがオン状態ということである。それは基底状態（準位）ｇが殆ど空に近いということである。
【００５５】
オフ状態というのはＬＤが非動作であり、イオンは殆ど基底状態ｇにある。だからＮｗ＜Ｎｇがオフ状態だということである。それは第１励起準位ｗが空に近いということである。
【００５６】
そのような２状態は、エネルギーの高い励起光λｒに対しては明確な選択性がある筈である。
（１）基底準位が殆ど空である状態（オン）に励起光λｒが入っても電子励起できない。だから吸収されないでそのままファイバを通過できる。つまり励起光λｒに対してはオンだということは明白である。
（２）基底状態がたくさん存在している状態（オフ）に励起光λｒが入ると電子励起できるからどんどんエネルギーが吸い取られる。つまり励起光が吸収される。その状態は励起光に対してはオフ動作する、それは明白である。
【００５７】
ところが本発明では励起光λｒに対する選択性を主張しているのではない。そうでなくて励起光よりもエネルギーの低い（長波長の）対象光（レーザ発振光）λｏに対して、そのような２状態がやはり経路をオン・オフする作用があると主張しているのである。それはどういうことか？
【００５８】
エネルギーのより低い対象光（レーザ発振光）λｏに対し、前記の（１）のオンの状態は同様によく理解できる。つまり、基底状態が殆ど空である（オン）状態で対象光λｏがそのままファイバを透過する、というのは当然である。λｏがそのイオンを励起できないからである。
【００５９】
しかし反対の（２）の場合に、対象光λｏが光ファイバに吸収されオフとなるのか？というのは疑問であろう。対象光λｏのエネルギーは、基底準位ｇと第１励起状態のエネルギー差（Ｅｗ−Ｅｇ）と同一だからである。つまりＥｗ−Ｅｇ＝ｈｃ／λｏである。ここでｈはプランク定数、ｃは真空中での光速である。つまり対象光（発振光）から見ると、基底準位ｇと第１励起準位ｗのエネルギー差は共鳴準位だということができる。共鳴準位にある二つのレベルに丁度エネルギーが等しい光が大量に照射されるのだから対象光はそれによって吸収される。
【００６０】
また第１励起準位から光の放出もおこる。吸収の方が優勢となるので、結局対象光λｏは減衰する。Ｎｗが０から幾分増えるが、それもやがて消えてしまう。だから、λｏ＝ｈｃ／（Ｅｗ−Ｅｇ）の対象光に対しても、空の第１励起準位、充満した基底準位という組み合わせは遮断作用をもつのである。
【００６１】
反転準位が発生するためには、基底準位ｇに最も近い第１励起準位ｗは安定でなくてはならない。それはつまりｇ・ｗ間が禁制遷移であるか、そうでなくても遷移確率が小さいということである。
【００６２】
そうであって初めて反転分布が成り立つ。そうであれば丁度共鳴エネルギーに等しい光が夥しく外部から入射すればｇ→ｗの遷移が強制的に起こるが、反対にｗ→ｇの遷移はなかなか起こらないものである。だから丁度エネルギー差に等しい波長をもつ対象光（発振光）λｏ＝ｈｃ／（Ｅｗ−Ｅｇ）に対し、基底準位ｇと第１励起準位ｗの組み合わせが光スイッチとして機能するのである。本発明はレーザ作用の機序に対する深い省察によって初めてなされたものである。類例を見ない光スイッチである。光ファイバ内部での光スイッチだから全ファイバ型の装置をそれによって作り出すことができる。
【００６３】
【発明の実施の形態】
［１．Ｑスイッチ型ファイバレーザへの適用］
図４に本発明をＱスイッチ型ファイバレーザに適用した場合の構成図を示す。大別して３つの部分からなる。左端は図１にも示したＥｒレーザの部分であり、中間部は図３で述べたスイッチの部分である。右端が反射ミラーに代わるループミラーである。初めに述べたように従来例（図１）は光を一旦空間に出し、それを反射ミラーで反射してファイバへ戻すので反射ミラーの軸合わせが難しいという欠点をもっていると述べた。だから反射ミラーを工夫改善しなければならない。
【００６４】
本発明では光を自由空間に出すことなく方向を反転させるようにしたい。そこでミラーとはかけ離れた素子で光の方向を反転させることを考える。
そのように反射ミラーの代わりとして本発明者が考えついたものがループを利用した反転素子である。ここでは作用に着眼してループミラーと呼ぶことにする。それが図４のループミラー２６である。１ターンでも数十ターンのコイル状でもよいのであるが、カプラ２５の両端に続くような閉じたファイバループをミラーとして用いる。このカプラ２５は入力２端子Ｏ、Ｐ、出力２端子Ｑ、Ｒをもつ。その出力の２端子Ｑ、Ｒにループの両端がつながっている。先述のスイッチ機構の終端Ｋはカプラの入力Ｏにつながっている。
【００６５】
ループミラーの原理については後に詳しく述べる。
レーザ動作についてまず述べる。左端のレーザ部分では励起用ＬＤ９が連続励起光λｒ（例えば１．４８μｍ）を発生しており、それが端子ＶからＷＤＭ３を透過し端子Ｂに出て第１Ｅｒ添加ファイバ４のＥｒイオンを励起して^４Ｉ_１３／２の第１励起状態に上げ反転分布を形成する。そのようなポンピングは連続して行われる。先述のように余剰の励起光λｒがあっても２番目のＷＤＭ２３の端子Ｈに行くのでＷＤＭ２３でせき止められて第２のＥｒ添加光ファイバ２４には行かない。スイッチ部でのＬＤ２９は繰り返し周波数ｆで瞬時にオンになり、それ以外の時間はオフとなる。
【００６６】
変調器３０がＬＤ２９を駆動せず、ＬＤ２９がオフである場合、第２Ｅｒ添加光ファイバ２４は非励起だから反転分布がなく、レーザ光波長λｏに対しては第２Ｅｒ添加光ファイバ２４は吸収体として機能する。だからλｏのエネルギーはＥｒ添加ファイバ２４に吸収されて透過することができない。つまりレーザ発振が起こらずポンピングだけが起こる。
【００６７】
繰り返し周波数ｆで瞬時にＬＤ２９が駆動される。ＬＤ２９が励起光λｒを発生すると、それは第２ＷＤＭ２３を端子Ｎから通過することができ、第２Ｅｒ添加光ファイバ２４に入る。基底状態にあったＥｒイオンが第２励起状態（或いは第３励起状態）に上げられ、第１励起状態に落ちて反転分布を作る。第２Ｅｒ添加ファイバがそのようにして飽和すると、レーザ発振光λｏに対する吸収がなくなる。
【００６８】
つまり第２Ｅｒ添加光ファイバ２４は吸収のないファイバとなりλｏをそのまま透過する。それがスイッチオンだということである。スイッチオンとなりλｏが第２Ｅｒ添加光ファイバ２４を通過できるようになると、それはループミラー２６に入ってそれぞれループをめぐり反対側の端子Ｑ、Ｒから反対向きの光となって光路を逆戻りしてくる。それは飽和した第１Ｅｒ添加光ファイバ４、第２Ｅｒ添加光ファイバ２４の反転分布を震わせ第１励起状態から基底状態への遷移を同期して起こさせ誘導放出を促す。それによって位相の揃ったλｏが発生する。左端の部分透過ミラーＡと、右端のループミラー２６が左右の共振器を形成する。
【００６９】
λｏはＡＵＢＣＧＨＪＭＫＯＱＲＯＫＭＪＨＧＣＢＵＡ、ＡＵＢＣＧＨＪＭＫＯＲＱＯＫＭＪＨＧＣＢＵＡというように往復反射されＥｒ添加光ファイバの励起準位から基底準位への遷移によりパワーを得て増幅される。一部は部分透過ミラーＡから左方へ出て行く。つまりパルスレーザ光が発生したということである。全ての反転準位がなくなるとレーザ光は消失する。そのときはすでにＬＤ２９はオフになっている。再びＬＤ９によるポンピングによって第１Ｅｒ添加光ファイバ４において励起が起こる。以下同様に繰り返し周波数ｆでパルス発振が起こる。
【００７０】
ここでループミラーの原理は以下の通りである。
図５のような２×２分岐（Ｏ、Ｐ、Ｑ、Ｒ）のファイバカプラにおいて、図６のようにＱポートとＲポートを結合し、またＯ：Ｐ（Ｑ：Ｒ）の分岐比をｆ：（１−ｆ）とすると、Ｏから入射した光Ｌがループを廻ってＯポート、Ｐポートのそれぞれに出力される光の強度Ｌ_Ｏ、Ｌ_Ｐは以下のようになる。
【００７１】
Ｌ_Ｏ＝（−４ｆ^２＋４ｆ）Ｌ、Ｌ_Ｐ＝（４ｆ^２−４ｆ＋１）Ｌ
ｆに対してＬ_ＯとＬ_Ｐの比率を下表に示す。
【００７２】
【表１】

【００７３】
上の表の通り、ｆの値を０．５にするとＬ_Ｏ＝１となる。だからｆ＝０．５として全反射ミラーをファイバループによって構成することができる。すなわち、５０：５０の分岐比のカプラを用いると、１００％の反射ミラーを形成できる。それによってミラーをもファイバにすることができる。従来例は、光スイッチとミラーが外部に出ていたので軸合わせという困難な問題が発生したが、本発明はファイバ光スイッチとファイバミラーを使って全ファイバ型のレーザを作ることができるのである。つまりＱスイッチ型ファイバレーザの構成図のように、光スイッチ部に今回の発明品を用い反射ミラー部にループミラーを用いることによって、共振器内に空間出射部（電気光学素子など）を持たないＱスイッチ型ファイバレーザを構成できる。
【００７４】
［２．モードロック型ファイバレーザへの適用］
モードロック型レーザについては図２によって既に説明した。図７に示すように本発明の光スイッチはモードロック型のレーザにも適用することができる。
【００７５】
遅延ファイバ３１の先端Ｙには部分透過ミラー２が設けられる。遅延ファイバ３１の後端はＷＤＭ３の左側のＵに接続される。励起ＬＤ９がＷＤＭ３の左側のＶに接続される。ＷＤＭ３の右側のＷは空端子である。ＷＤＭ３の右側のＢはＥｒ添加光ファイバ４に接続される。そのような構造は図２に示したものと同様である。本発明の光スイッチをＥｒ添加光ファイバ４の後ろに接続する。光スイッチは図３に示したものと同じである。光ファイバ光路ＧＨの先にＷＤＭ２３があり、その先にＥｒ添加光ファイバ２４が接続される。ＧＨＪＭＫが主な光路となる。側方のファイバの先に励起用ＬＤ２９があって、それがＮ点でＷＤＭ２３の他端に入力している。励起用ＬＤ２９は変調器３０によって任意の繰り返し周期、パルス幅で駆動・停止できるようになっている。
【００７６】
光スイッチの終りの端子Ｋに、ループミラーが接続される。それはループミラー２６とカプラ２５とからなる。Ｋからカプラ２５へ入った光は、Ｑへｆの割合で、Ｒへ（１−ｆ）の割合で分配される。それが時計廻り、反時計廻りにループを廻り、一部は空端子Ｐへ、残りは元の端子Ｋへと抜ける。ｆ＝０．５の場合は空端子Ｐへの出力は０になり光路上の端子Ｋの出力が１００％となる。
【００７７】
励起用ＬＤ２９がオフであると、光スイッチのＥｒ添加光ファイバ２４は第１励起準位ｗが空になっている。それが発振波長λｏを吸収する。つまりそれは光スイッチがオフだということである。励起用ＬＤ２９がオンであると、光スイッチのＥｒ添加光ファイバ２４の第１励起準位ｗが満たされる。もはや発振波長λｏを吸収できない。つまりＥｒ添加光ファイバ２３が発振波長λｏに対して透明になったということである。だから、それは光スイッチがオンだということである。その場合、前方の部分透過ミラー２からループミラー２６にいたる経路ＹＳＵＢＣＧＨＪＭＫＯＱＲが発振光に対し透明になり両端に反射ミラーが存在し共振器を構成するということである。その場合はＬＤ９によってＥｒ添加光ファイバ４を励起することによってレーザ発振を起こすようにすることができる。
【００７８】
図２のものと同じように、図７の構成に関してモードロックの出力周波数は
Ｔ＝２Ｌ／ｃＴ：周期、Ｌ：共振器長、ｃ：光速
となり、遅延ファイバの長さを調節して、任意の周期に設定できる。
【００７９】
また光スイッチのオンタイミングの周期をモードロックの出力周期と等しくなるように周波数シンセサイザにて光スイッチのオン周期を調節することにより、その周波数に対応した周波数（ｆ＝ｍ×１／Ｔ、ｍ：自然数）のレーザ光のみをモードロック発振する。
【００８０】
【発明の効果】
Ｅｒ添加光ファイバは強い光増幅作用があるのでファイバレーザを構成することができる。しかしＱスイッチするための部分は音響光学素子などを使い、光を一端ファイバの外部へ出してしまう。それをまた光ファイバへ入れる必要がある。レンズを使っても細いファイバコアに光を完全に入力させるのは難しくて軸合わせに時間がかかる。それは製造コストを押し上げる。それに経年変化によって軸ズレが起こるという可能性もある。ファイバレーザであるから全体がファイバによって構成されるのが望ましい。本発明はファイバ自体によるスイッチとしているので、ファイバレーザ系の光スイッチとして最適である。光を外部に出す必要はなくファイバ内で光を遮断したり透過させたりすることができる。だから外部の素子との軸合わせのような作業は不要になる。それが製造を容易にしコストを下げるという効果がある。また部品点数も削減されるから部品コストも低減される。経年変化によって軸がずれるという恐れもない。長寿命で安定した性能をもつファイバレーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】安尾浩行、石原朋浩、山口正義、西村正幸、「アイセーフ小型Ｑスイッチファイバレーザの開発」、１９９５年９月、住友電気、第１４７号、ｐ４１−４５によって提案されたＱスイッチＥｒ添加ファイバレーザの構成図。
【図２】Ｅｒ添加光ファイバと励起ＬＤと遅延ファイバを用いたモードロック型ファイバレーザの仮想的な構成図。
【図３】Ｅｒ添加光ファイバにＷＤＭをつなぎ励起用ＬＤから励起光を導入することによってＥｒイオンを励起して発振光λｏに対しファイバを透明とし、励起光がないときはＥｒイオンが基底状態にあって発振光λｏに対し不透明とするようにした本発明の光スイッチの概略構成図。
【図４】本発明のファイバ型の光スイッチを音響光学素子の代わりに利用した全ファイバ型のＱスイッチ型ファイバレーザ装置の概略構成図。
【図５】２つの入力Ｏ、Ｐと二つの出力Ｑ、Ｒをもつ４端子ファイバカプラの端子を示すための図。
【図６】二つの入力Ｏ、Ｐと二つの出力Ｑ、Ｒをもつ４端子ファイバカプラの出力Ｑ、Ｒにループファイバを接続したファイバループミラーを示すための図。
【図７】Ｅｒ添加光ファイバと励起ＬＤと遅延ファイバと本発明のファイバ型光スイッチを用いた全ファイバ型のモードロック型ファイバレーザの構成図。
【図８】Ｅｒ^＋３イオンのエネルギーレベルを示す図。
【図９】安尾浩行、石原朋浩、山口正義、西村正幸、「アイセーフ小型Ｑスイッチファイバレーザの開発」、１９９５年９月、住友電気、第１４７号、ｐ４１−４５によって提案されたＱスイッチＥｒ添加ファイバレーザのＱスイッチ部分の概略斜視図。
【符号の説明】
２部分透過ミラー
３ＷＤＭ
４Ｅｒ添加光ファイバ
５Ｑスイッチ
６音響光学セル
７変調器
８全反射ミラー
９励起用ＬＤ
１０コリメータ
２０、２２光ファイバ
２３ＷＤＭ
２４Ｅｒ添加光ファイバ
２５カプラ
２６ループミラー
２９励起用ＬＤ
３０変調器
３１遅延ファイバ
３２ファイバ端
３３光スイッチ
３４周波数シンセサイザ

Claims

少なくとも基底準位ｇと第１励起準位ｗと第２励起準位ｖの３つの準位をもつイオンをドープした光ファイバと、オンオフすべき対象となる波長λｏの光を通過させるための端子Ｈとそれより短い波長λｒの励起光を光ファイバへ導入するための端子Ｎを一方にもち他方の端子Ｊに前記光ファイバが接続されたファイバ型ＷＤＭと、ＷＤＭに接続され励起光λｒを発生する励起用ＬＤとを含み、励起用ＬＤが停止しているときはイオンが基底状態にあって対象となる波長の光をイオンが吸収し、励起用ＬＤが作動しているときはイオンが第１励起状態にあって対象となる波長の光を透過するようにしたことを特徴とする光スイッチ。
少なくとも基底準位ｇと第１励起準位ｗと第２励起準位ｖの３つの準位をもつイオンをドープした第１光ファイバと、オンオフすべき対象となる波長λｏの光を通過させるための端子Ｕとそれより短い波長λｒの励起光を光ファイバへ導入するための端子Ｖを一方にもち他方の端子Ｂに前記第１光ファイバが接続された第１ファイバ型ＷＤＭと、第１ファイバ型ＷＤＭに接続され励起光λｒを発生する第１励起用ＬＤと、光ファイバの一端に形成された部分透過ミラーと、光ファイバの他端に接続された光スイッチと、光スイッチの他端に接続された光ファイバを閉曲線に組み合わせて入力した光の一部を反射するファイバ型ループミラーとを含み、前記光スイッチが、少なくとも基底準位ｇと第１励起準位ｗと第２励起準位ｖの３つの準位をもつイオンをドープした第２光ファイバと、オンオフすべき対象となる波長λｏの光を通過させるための端子Ｈとそれより短い波長λｒの励起光を光ファイバへ導入するための端子Ｎを一方にもち他方の端子Ｊに前記第２光ファイバが接続された第２ファイバ型ＷＤＭと、第２ファイバ型ＷＤＭに接続され励起光λｒを発生する第２励起用ＬＤとを含み第２励起用ＬＤが停止しているときはイオンが基底状態にあって対象となる波長λｏの光をイオンが吸収し、第２励起用ＬＤが作動しているときはイオンが第１励起状態にあって対象となる波長λｏの光を透過するようにしたものであり、光スイッチの第２励起用ＬＤを駆動・非駆動にすることによって、前記第１光ファイバと部分透過ミラーとファイバ型ループミラーとからなるレーザ共振器によりレーザ発振させるようにしたことを特徴とするファイバレーザ。
少なくとも基底準位ｇと第１励起準位ｗと第２励起準位ｖの３つの準位をもつイオンをドープした第１光ファイバと、オンオフすべき対象となる波長λｏの光を通過させるための端子Ｕとそれより短い波長λｒの励起光を光ファイバへ導入するための端子Ｖを一方にもち他方の端子Ｂに前記第１光ファイバが接続された第１ファイバ型ＷＤＭと、第１ファイバ型ＷＤＭに接続され励起光λｒを発生する第１励起用ＬＤと、光ファイバの一端に接続された遅延ファイバと、光ファイバあるいは遅延ファイバの一端に形成された部分透過ミラーと、光ファイバあるいは遅延ファイバの他端に接続された光スイッチと、光スイッチの他端に接続された光ファイバを閉曲線に組み合わせて入力した光の一部を反射するファイバループミラーとを含み、前記光スイッチが、少なくとも基底準位ｇと第１励起準位ｗと第２励起準位ｖの３つの準位をもつイオンをドープした第２光ファイバと、オンオフすべき対象となる波長λｏの光を通過させるための端子Ｈとそれより短い波長λｒの励起光を光ファイバへ導入するための端子Ｎを一方にもち他方の端子Ｊに前記第２光ファイバが接続された第２ファイバ型ＷＤＭと、第２ファイバ型ＷＤＭに接続され励起光λｒを発生する第２励起用ＬＤとを含み第２励起用ＬＤが停止しているときはイオンが基底状態にあって対象となる波長λｏの光をイオンが吸収し、第２励起用ＬＤが作動しているときはイオンが第１励起状態にあって対象となる波長λｏの光を透過するようにしたものであり、光スイッチの第２励起用ＬＤを駆動・非駆動にすることによって、前記第１光ファイバと部分透過ミラーとファイバ型ループミラーとからなるレーザ共振器によりレーザ発振させるようにしたことを特徴とするファイバレーザ。
光ファイバにドープすべきイオンがエルビウムイオンＥｒ^３＋であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。
光ファイバにドープすべきイオンがエルビウムイオンＥｒ^３＋であることを特徴とする請求項２または３に記載のファイバレーザ。