JP2004319563A - 光増幅装置、及び光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゴミなどの付着により端面の焼き付きを発生させることなく、励起光を有効利用して信号光の増幅を効率良く行う光増幅装置を提供する。
【解決手段】光ファイバー３中を通った信号光１と、光ファイバー４中を通った励起光２は、波長分割多重器５によって合成され、光ファイバー増幅器６に入射する。光ファイバー増幅器６の出力端７には、レンズ２１が融着により取り付けられている。光ファイバー増幅器６で増幅された信号光９と、光ファイバー増幅器６を透過した励起光１０はレンズ２１によってコリメートされ、平行光束となって出射される。出射された励起光は反射器１１によって反射され、レンズ２１を通って、再び光ファイバー増幅器６の端面７に集光され、入射する。レンズ２１が光ファイバー増幅器６の出力側端面に融着されているので出力端７にゴミなどの異物が付くことがなく、出力端７が焼き付くことがなくなり、信号光の増幅が効率良く行われる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバー又は光導波路を用いた光学素子、この光学素子を用いた光増幅装置、及びこの光増幅装置を用いた光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ等によって発生した単一波長の赤外光又は可視光を増幅させる方法の１つに光ファイバー型増幅器、光導波路増幅器がある。これはエルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素を添加した増幅用光ファイバーに励起光を供給して、添加された希土類元素を励起することによって希土類元素の外殻電子のエネルギー準位について反転分布を形成し、光を増幅させるものである。
【０００３】
また、このような光増幅器と、波長変換素子を組み合わせて、短波長の光を放出する光源装置が、特に、光通信の分野で用いられている。このような光源装置の概要を図３に示す。図３は、擬似位相整合器を用いた、２００ｎｍ以下（１９３ｎｍ）の紫外光を発生させる固体レーザ光源装置の例を示す図である。図３において１００は、ＤＦＢ構造を持ちパルス変調されたＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザである。このレーザは波長１５５４ｎｍで発振するように不図示の温度調節機構によって温度コントロールされている。
【０００４】
半導体レーザ１００から出射された波長１５４４ｎｍの光は、シングルモード光ファイバー１０１中を伝播し、アイソレータ１０２を通り再びシングルモード光ファイバー１０１中を伝播する。半導体レーザ１０３は、波長９８０ｎｍの光または波長１４８０ｎｍの光を発振させることができる。半導体レーザ１０３からの光は、シングルモードファイバー１０４を通り、光合波装置１０５で波長１５４４ｎｍの光と合流し、希土類元素のエルビウム（Ｅｒ）をドープした光ファイバー１０６に入射される。ここで、エルビウムドープファイバーは、半導体レーザ１０３からの光（励起光）によって励起され、波長１５５４ｎｍの光を増幅する働きを持つ。
【０００５】
増幅された光は、光ファイバー端面またはコネクタ端面１０７より出射光１０８として空間に出射され、レンズ１０９によって非線形光学結晶ＬＢＯ１１０に入射される。非線形光学結晶ＬＢＯ１１０では、第二光高調波が発生する。波長７７２ｎｍの光１１１は、レンズ１１２により非線形光学結晶ＬＢＯ１１３に集光され、第二光高調波発生により波長３８６ｎｍの光に変換される。波長３８６ｎｍの光１１４は、レンズ１１５により擬似位相整合結晶１１６に集光され、第二光高調波発生により波長１９３ｎｍの光１１７に変換される。
【０００６】
このような目的に使用される、従来の方式による光ファイバー型光増幅装置の概要を図４に示す。Ｅｒ等の希土類が添加された光ファイバー増幅器６の入射側に波長分割多重器（ＷＤＭ）５が結合され、出射側は研磨された光ファイバー端面７の後にレンズ８が配置されている。波長分割多重器５は波長の異なる信号光１と励起光２を合波するもので、光ファイバー３、４に各々入射された信号光１と励起光２は波長分割多重器５によって合成され、光ファイバー増幅器６に入射する。信号光１は光ファイバー増幅器６で増幅されて光ファイバー端面７から出射される（増幅された信号光９）。
【０００７】
このとき、励起光２はその全てが信号光１の増幅に使われるわけではなく、一部は光ファイバー増幅器６を透過して光ファイバー端面７から出射される（光ファイバー増幅器を透過した励起光１０）。レンズ８の後に励起光のみを反射させる反射器１１が設置されており、光ファイバー増幅器６を透過した励起光１０は反射され、レンズ８によって光ファイバー増幅器６の端面７に集光されて入射し、光ファイバー増幅器６中を信号光１の進行方向とは逆方向に進行する。
【０００８】
すなわち、励起光は光ファイバー増幅器６中を往復する。この往復によって光ファイバー増幅器６中の励起光の密度は大きくなり、この結果、供給された励起光エネルギーに対して、光ファイバー増幅器６に添加されたＥｒの殻外電子が効率良く励起されてＥｒの殻外電子のエネルギー準位分布における反転分布が発生し、信号光の増幅が効率良く行われる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
希土類元素が添加された光ファイバー又は光導波路増幅器に励起光を供給すると、その全てが増幅に寄与するわけではなく、一部は増幅に寄与せずに光ファイバー増幅器又は光導波路増幅器を透過する。このため、励起光を効率良く使用していないという問題がある。この問題を解決するために、前述のように、透過してきた励起光を反射させて光ファイバー増幅器又は光導波路増幅器に戻すことが行われている。しかしながら、この方式においては、光ファイバー又は光導波路から放出される光のパワーが大きい場合、光ファイバー端面又は光導波路の端面にゴミなどの異物が付着すると、端面で焼き着きが起こり、光の放出効率が悪くなるという問題点がある。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、光ファイバー増幅器又は光導波路増幅器において、ゴミなどの付着により端面の焼き付きを発生させることなく、励起光を有効に利用して信号光の増幅を効率良く行う光増幅装置、及びこの光増幅装置を用いた光源装置を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、光増幅器の出力端の光ファイバーの端部又は光導波路端部に固着され、光増幅されて前記光ファイバー又は光導波路から放出される光の光束を広げる作用を有する、前記光ファイバー又は光導波路より大きな口径のレンズと、当該レンズから放出される光のうち、励起光を反射する反射器とを有することを特徴とする光増幅装置（請求項１）である。
【００１２】
本手段においては、光ファイバー又は光導波路からの光束を広げる作用を行う、当該光ファイバー又は光導波路より大きな口径のレンズが、光ファイバー又は光導波路の端部に、融着等により固着されている。よって、光ファイバー又は光導波路の端部が剥き出しにならないので、光ファイバーの端部又は光導波路端部にゴミ等が付着することがない。
【００１３】
光ファイバー又は光導波路から放出される光は、レンズにより広げられて、レンズの表面から射出されるが、レンズの表面では光束が広がって単位面積当たりのパワーが弱まっているので、レンズの表面にゴミ等が付着しても焼き付きが起こることがない。レンズにより、外からの光を光ファイバーの端部又は光導波路端部集光する場合については、やはり、レンズの表面では、光束が広がって単位面積当たりのパワーが弱いので、レンズの表面にゴミ等が付着しても焼き付きが起こることがない。
【００１４】
また、本手段は、光ファイバーの端部又は光導波路の端部に固着されているレンズの口径が、光ファイバー又は光導波路の直径よりも大きいことに特徴を有する。これにより、レンズ表面での単位面積当たりの光のパワーを、光ファイバーの端部又は光導波路端部での単位面積当たりの光のパワーより小さくすることができる。
【００１５】
なお、「光束を広げる作用」というのは、必ずしもレンズの内部で、レンズ自体がそのような作用を持つことを意味しない。「光束を広げる作用」というのは、光ファイバーの端部又は光導波路の端部から射出した光が、レンズの内部を通るうちに、自然に広がることをも意味し、すなわち、レンズ内部で光束が広がりながら、光束を構成する光線は直進する場合をも含むものである。
【００１６】
また、本手段は、レンズから放出される光のうちの励起光を、反射器により反射して増幅作用を有する光ファイバー又は光導波路に戻し、再び光増幅に使用するようにしている。このようにして、励起光を効率的に使用する手法は、先に説明した従来の光増幅器と同じであるが、本手段においては、光ファイバーの端部又は光導波路の端部にレンズが固着されているので、光ファイバーの端部又は光導波路端部にゴミなどが付着して焼き付きを起こすのを防止することができる。
【００１７】
前記課題を解決するための第２の手段は、光増幅器の出力端の光ファイバーの端部又は光導波路端部に固着され、光増幅されて前記光ファイバー又は光導波路から放出される光の光束を広げる作用を有する、前記光ファイバー又は光導波路より大きな口径の収束性レンズを有し、当該収束性レンズにおける光の出射面は平面とされ、当該収束性レンズからの出射光は、前記出射面に垂直な方向に放出されるようにされており、かつ、前記出射面に励起光を反射する反射膜が設けられていることを特徴とする光増幅装置（請求項２）である。
【００１８】
本手段は、光ファイバーの端部又は光導波路の端部に固着されるレンズとして、収束性レンズを使用している。収束性レンズは、その内部で屈折率が徐々に変化し、光ファイバー又は光導波路から出た光をコリメートし、平行光束としてそのレンズ表面（出射面）より放出するようになっている。よって、光は、収束性レンズの内部で出射面に対して垂直に入射して、出射面に対して垂直に放出される。よって、この出射面に励起光を反射させる反射膜を設けることにより、特別な反射器を用いなくても、励起光を光増幅作用を有する光ファイバー又は光導波路中に戻して再び光増幅に使用することができる。本手段においても、光ファイバーの端部又は光導波路端部には、収束性レンズが固着されているので、光ファイバーの端部又は光導波路端部にゴミ等が付着して焼き付きを起こすのを防止することができる。
【００１９】
前記課題を解決するための第３の手段は、光増幅されて光ファイバー又は光導波路から放出される光の出力端の光ファイバーの端部又は光導波路端部に固着された透明体を有し、当該透明体の前記光ファイバー又は光導波路に固着される面に、励起光を反射させる反射膜が設けられていることを特徴とする光増幅装置（請求項３）である。
【００２０】
本手段においては、光ファイバー又は光導波路から放出される光の出力端の光ファイバーの端部又は光導波路端部に固着された透明体を有し、当該透明体の前記光ファイバー又は光導波路に固着される面に、励起光を反射させる反射膜を有している。よって、励起光はこの反射膜で反射されて、再び光増幅に使用されることになる。そして、光ファイバーの端部又は光導波路端部には、透明体が固着されているので、光ファイバーの端部又は光導波路端部にゴミ等が付着して焼き付きを起こすのを防止することができる。
【００２１】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかである光増幅装置を備えていることを特徴とする光源装置（請求項４）である。
【００２２】
本手段においては、前記第１の手段から第３の手段のいずれかである光増幅装置を使用しているので、従来のものと異なり、光ファイバーの端部又は光導波路端部にゴミ等が付着して焼き付きを起こし、光量の低下をもたらすことを防止することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態である光学素子、及びそれを用いた光ファイバー型光増幅装置の第１の例を示す図である。
【００２４】
光ファイバー３中を通った信号光１と、光ファイバー４中を通った励起光２は、波長分割多重器５によって合成され、光ファイバー増幅器６に入射する。光ファイバー増幅器６の出力端７には、レンズ２１が融着により取り付けられている。
【００２５】
光ファイバー増幅器６で増幅された信号光９と、光ファイバー増幅器６を透過した励起光１０はレンズ２１によってコリメートされ、平行光束となって出射される。出射された励起光はレンズ２１の後に置かれた励起光のみを反射する反射器１１によって反射され、レンズ２１を通って、再び光ファイバー増幅器６の端面７に集光され、入射する。入射した励起光は光ファイバー増幅器６中を信号光１の進行方向とは逆方向に進行し、光ファイバー増幅器６中を往復する。このとき、レンズ２１が光ファイバー増幅器６の出力側端面に融着されているので端面７にゴミなどの異物が付くことがなく、ファイバーの端面７が焼き付くことがなくなり、信号光の増幅が効率良く行われる。
【００２６】
図２は、本発明の実施の形態である光学素子、及びそれを用いた光ファイバー型光増幅装置の第２の例を示す図である。図２において、図１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２７】
この実施の形態では光ファイバー増幅器６の出力側の端面７に収束性マイクロレンズ２３が融着されている。収束性マイクロレンズ２３は中心軸から周辺に向かって連続的に（通常は、距離のほぼ２乗に比例して）減少する屈折率分布を持つロッド状の光伝送体で、レンズ作用はロッド内部の屈折率分布による光の屈折を利用するためレンズ端面が平面でよいという特徴を持つ。本実施形態では光ファイバー端面７からの出射光がコリメートされて、収束性マイクロレンズ２３の内部において出力側端面に対して垂直入射し、出力側端面から、出力側端面に対して垂直に出射するような設計になっている。この収束性マイクロレンズ２３の出射側端面（平面である）に励起光のみを反射する反射膜２４がコートされている。
【００２８】
光ファイバー増幅器６で増幅された信号光９と、光ファイバー増幅器を透過した励起光１０は収束性マイクロレンズ２３によってコリメートされ、信号光９は出射されるが、励起光は収束性マイクロレンズ２３の出射側端面に形成された反射膜２４で反射され、収束性マイクロレンズ２３を逆方向に通って、光ファイバー増幅器６の光ファイバー端面７に集光され、入射する。入射した励起光は光ファイバー増幅器６中を信号光１の進行方向とは逆方向に進行し、光ファイバー増幅器６中を往復する。このとき、収束性マイクロレンズ２３が光ファイバー端面７に融着されているので、ファイバー端面７にゴミなどの異物がつくことがなく、ファイバー端面７が焼き付くことがなくなり、信号光の増幅が効率良く行われる。
【００２９】
第２の実施の形態では収束性マイクロレンズ２３の端面に励起光のみを反射させる反射膜２４がコートされているので、第１の実施の形態で配置された反射器１１を設ける必要がなく、構成が簡略化できる。
【００３０】
第１の実施形態において、レンズ２１の端面２２に励起光のみを反射する反射膜をコートして反射器１１をなくす構成や、第２の実施形態で収束性マイクロレンズ２３の光ファイバー側の端面２５に励起光のみを反射する反射膜をコートする構成も考えられるが、光ファイバーとレンズを融着する際に反射膜が損傷を受ける可能性があるので前記、第１の実施の形態、第２の実施の形態の方が好ましい。しかし、融着でなく、接着等により固着できれば、この方法でもよい。
【００３１】
本実施の形態では、光ファイバー型増幅装置を用いて説明したが、光ファイバー型増幅装置だけではなく、光導波路増幅器でも同様の構成で同様の効果が得られるのは言うまでもない。
【００３２】
このような光増幅器を光源装置に使用する方法は、従来の方法と変わらない。たとえば、図３に示す光源装置において、光合波装置１０５、光ファイバー１０６を中心とする光増幅器に、本実施の形態である光増幅器を使用すればよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光ファイバー増幅器又は光導波路増幅器において、ゴミなどの付着により端面の焼き付きを発生させることなく、励起光を有効に利用して信号光の増幅を効率良く行う光増幅装置、及びこの光増幅装置を用いた光源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態である光学素子、及びそれを用いた光ファイバー型光増幅装置の第１の例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態である光学素子、及びそれを用いた光ファイバー型光増幅装置の第２の例を示す図である。
【図３】擬似位相整合器を用いた、２００ｎｍ以下（１９３ｎｍ）の紫外光を発生させる、従来の固体レーザ光源装置の例を示す図である。
【図４】従来の方式による光ファイバー型光増幅装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
１…信号光、２…励起光、３…光ファイバー、４…光ファイバー、５…波長分割多重器、６…光ファイバー増幅器、７…（光ファイバー）端面、８…レンズ、９…信号光、１０…励起光、１１…反射器、２１…レンズ、２２…端面、２３…収束性マイクロレンズ、２４…反射膜、２５…光ファイバー側の端面

Claims (4)

1. 光増幅器の出力端の光ファイバーの端部又は光導波路端部に固着され、光増幅されて前記光ファイバー又は光導波路から放出される光の光束を広げる作用を有する、前記光ファイバー又は光導波路より大きな口径のレンズと、当該レンズから放出される光のうち、励起光を反射する反射器とを有することを特徴とする光増幅装置。
2. 光増幅器の出力端の光ファイバーの端部又は光導波路端部に固着され、光増幅されて前記光ファイバー又は光導波路から放出される光の光束を広げる作用を有する、前記光ファイバー又は光導波路より大きな口径の収束性レンズを有し、当該収束性レンズにおける光の出射面は平面とされ、当該収束性レンズからの出射光は、前記出射面に垂直な方向に放出されるようにされており、かつ、前記出射面に励起光を反射する反射膜が設けられていることを特徴とする光増幅装置。
3. 光増幅されて光ファイバー又は光導波路から放出される光の出力端の光ファイバーの端部又は光導波路端部に固着された透明体を有し、当該透明体の前記光ファイバー又は光導波路に固着される面に、励起光を反射させる反射膜が設けられていることを特徴とする光増幅装置。
4. 請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光増幅装置を備えていることを特徴とする光源装置。

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