JP2007042880A - 光増幅装置およびレーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高利得であって実用的な光増幅装置およびレーザ光源装置を提供する。
【解決手段】 第１光増幅性導波路４１および第２光増幅性導波路４２それぞれは、主成分が石英系ガラスからなり、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加された光ファイバである。第１光増幅性導波路４１は、コア領域を導波する励起光により励起され、入力端に入力した光を光増幅して出力する。第２光増幅性導波路４２は、コア領域および第１クラッド領域を導波する励起光により励起され、第１光増幅性導波路４１において光増幅された光を入力し更に光増幅して出力する。
【選択図】 図９

Description

本発明は、入力端に入力した光を光増幅して出力端から出力する光増幅装置、および、このような光増幅装置を含むレーザ光源装置に関するものである。

レーザ光をハルス発振するレーザ光源は、励起エネルギが供給されることにより放出光を発生するレーザ媒質が共振光路上に配置されたレーザ共振器と、レーザ共振器の共振器損失を変調するＱスイッチ手段と、レーザ媒質に励起エネルギを連続的に供給する励起手段と、を備えている。

このレーザ光源では、Ｑスイッチ手段によりレーザ共振器の共振器損失が大きい値に設定されているときに、励起手段による励起エネルギ供給によりレーザ媒質の反転分布が高められ、その後にＱスイッチ手段によりレーザ共振器の共振器損失が小さい値に設定されると、レーザ共振器の共振光路上に配置されているレーザ媒質において誘導放出が短期間に発生する。この誘導放出光がレーザ共振器から外部へレーザ光として出力される。このようなレーザ光源は、ピークパワーが高いパルスレーザ光を出力することができることから、電子・機械関係の加工用途、医療用レーザメス、測長等の計測用途など、広く利用されている。

例えば、Ｑスイッチの実現方法としては、音響光学（ＡＯ）効果による光スイッチ（ＡＯスイッチ）を用いて、レーザ共振器を構成する反射鏡の反射率を実効的に変調する方法が一般的である。また、レーザ媒質として、Ｙｂイオンが光導波領域に添加された光ファイバ（Yb-DopedFiber、以下「ＹｂＤＦ」という。）が用いられる（非特許文献１，２を参照）。この場合、このレーザ媒質に供給される励起エネルギとして、波長９７５ｎｍ帯または波長９１５ｎｍ帯の励起光が用いられる。

このように構成される光ファイバレーザ光源では、励起光の供給に伴いＹｂＤＦにおいて反転分布が形成され、このＹｂＤＦからＡＳＥ（AmplifiedSpontaneous Emission）光が発生する。ＡＯスイッチへのＲＦ電圧の印加と停止とが繰返されて、これにより、レーザ共振器の共振器損失が変調される。例えば、ＡＯスイッチにＲＦ電圧が印加されてない期間では、レーザ共振器の共振器損失が大きくなって、レーザ発振が起こらない、一方、ＡＯスイッチにＲＦ電圧が印加されている期間では、レーザ共振器の共振器損失が小さくなって、レーザ発振が起こり、それまでＹｂＤＦに反転分布として蓄積されていたエネルギが一挙に放出され、高いパワーの光パルスが発生する。

なお、Ｑスイッチは、上記のような光ファイバレーザ光源だけでなく、個体レーザ光源や気体レーザ光源でも実現可能である。ただし、光ファイバレーザ光源は、空間結合部分が少なく、信頼性が高く、且つコンパクトであり、また、ビーム品質が安定して良好であることから、実用的である。しかし、固体レーザ光源（特に、ディスクレーザ光源）と比較して、光ファイバレーザ光源は、共振器長が数ｍと長くなるのが普通で、Ｑスイッチの場合には、レーザ共振器を伝搬する時間が数１０ｎｓとなるから、必然的にそれより短い幅の光パルスを発生できない、という欠点を有する。

このような問題点を解決するために、直接変調された半導体レーザ光源や外部変調された光ファイバレーザ光源を種光源として用い、この種光源から出力されるパルスレーザ光を光増幅装置により光増幅する構成のものが知られている（非特許文献３，４を参照）。このような種光源および光増幅装置を含むレーザ光源装置の構成では、パルス幅や繰り返し周波数の自由度が高くなる。
M. J. Weber, et al,"Dependence of the stimulated emission cross section of Yb3+ onhost glass composition", IEEE J. of Quantum Electron., vol.QE19, No.10,pp.1600-1608, 1983 R. Paschotta, et al.,"Lifetime quenching in Yb-doped fibers", Optics communications,vol.136, pp.375-378, 1997 A.Babushkin, etal., "Multi-kilowatt peak power pulsed fiber laser with precise computercontrolled pulse duration for materials processing", Proc. of SPIEVol.5709, pp98-102 A. J. W. Brown, "Fiberlaser development at Aculight Corporation", 第63回レーザ加工学会予稿集、2005

しかしながら、このような種光源および光増幅装置を含む構成のレーザ光源装置は以下のような問題点を有することを本願発明者は見出した。

すなわち、直接変調された半導体レーザ光源が種光源として用いられる場合、出力されるパルスレーザ光のビーム品質を回折限界に維持ずることを考えると、半導体レーザ光源は横単一モードのものであることが望ましい。ところが、横単一モードの半導体レーザ光源は、Ｙｂが利得を有する波長域（１０６４ｎｍ帯）で発振する最高出力が高々２００ｍＷである。また、数百ＭＨｚの帯域で高速変調できる電流値も限られる。更に、利得スイッチで高いピークパワーを出力する方式も考えられるが、半導体レーザ光源の信頼性の観点から、定常的に高いピークパワーを出力するのは望ましくない。これらの制約により、種光源のピークパワーは１００〜２００ｍＷ程度に限定される。また、外部変調された光ファイバレーザ光源が種光源として用いられる場合も、外部変調を行うために用いられるＬＮＯ等の電気光学素子の信頼性の観点から、ピークパワーは高々１００ｍＷ程度に抑圧する必要がある。

その結果、出力パルスのピークが数ｋ〜数十ｋＷも必要な場合（例えば、レーザ加工に用いられる場合や、第２高調波や第３高調波を発生させる為の基本波を出力する光源として用いられる場合）、種光源の下流に設けられる光増幅装置は、４０ｄＢを超える利得を有することが必要となる。この利得は、光通信の分野においてさえも最高クラスに近く、非常に高い値である。仮に、産業用の光ファイバレーザ光源で一般的に用いられるクラッド励起を行ったとしても、信号光以外に存在するＡＳＥ光による飽和で、１段のＹｂＤＦで稼げる利得は３０ｄＢ程度に制約される。

したがって、光増幅装置を２段以上の多段構成として、ＡＳＥ光を除去する損失スペクトルを有する素子を段間に挿入するのが好適である。この場合、前段のＹｂＤＦは、光増幅すべき信号光のレベルが未だ小さいので、高価なファイバ被覆や特殊な励起光結合手段が必要なクラッド励起をする必要は無く、光通信の分野で一般に普及している、光ファイバのコアを伝搬する励起光による励起方式を使うことが、コスト上も消費電力上も望ましい。

しかし、非特許文献３，４では、これらの異なる励起方式に適したＹｂＤＦのガラス組成に関する設計事項は開示されていない。そもそも、ＹｂＤＦのガラス組成に関しては、非特許文献１，２にあるように、誘導放出断面積および吸収断面積または励起寿命に関する個別の検討のみであり、且つ、対象もボレートやリン酸塩ガラスなどであって実用に適しないガラスのものが多く、産業上重要な石英系ガラスの組成を詳細に調査したものは無かった。ましてや、組成と励起方式の相性に言及したものは存在しなかった。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高利得であって実用的な光増幅装置およびレーザ光源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光増幅装置は、入力端に入力した光を光増幅して出力端から出力する光増幅装置であって、(1) 主成分が石英系ガラスからなり、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、主としてコア領域を導波する励起光により励起され、入力端に入力した光をコア領域を伝搬させながら光増幅して出力する第１光増幅性導波路と、(2) 主成分が石英系ガラスからなり、コア領域と、このコア領域を取り囲む第１クラッド領域と、この第１クラッド領域を取り囲む第２クラッド領域とを含み、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、主としてコア領域および第１クラッド領域を導波する励起光により励起され、第１光増幅性導波路において光増幅された光を入力し、その光をコア領域を伝搬させながら光増幅して出力する第２光増幅性導波路と、(3) 第１光増幅性導波路および第２光増幅性導波路それぞれに励起光を供給する励起光供給手段とを備えることを特徴とする。さらに、第１光増幅性導波路におけるＹｂイオン以外の３価の正イオンの添加濃度は、第２光増幅性導波路におけるＹｂイオン以外の３価の正イオンの添加濃度より高いことを特徴とする。また、本発明に係る光増幅装置において、第１光増幅性導波路の励起寿命は第２光増幅性導波路の励起寿命より長いのが好適である。上記正イオンはＡｌイオンであるのが好適である。また、第１光増幅性導波路の励起寿命は１ｍ秒以上であるのが好適である。また、第１光増幅性導波路の励起寿命が１ｍ秒以上であるのが好適である。

或いは、本発明に係る光増幅装置は、入力端に入力した光を光増幅して出力端から出力する光増幅装置であって、(1) 主成分が石英系ガラスからなり、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、主としてコア領域を導波する励起光により励起され、入力端に入力した光をコア領域を伝搬させながら光増幅して出力する第１光増幅性導波路と、(2) 主成分が石英系ガラスからなり、コア領域と、このコア領域を取り囲む第１クラッド領域と、この第１クラッド領域を取り囲む第２クラッド領域とを含み、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、主としてコア領域および第１クラッド領域を導波する励起光により励起され、第１光増幅性導波路において光増幅された光を入力し、その光をコア領域を伝搬させながら光増幅して出力する第２光増幅性導波路と、(3) 第１光増幅性導波路および第２光増幅性導波路それぞれに励起光を供給する励起光供給手段とを備えることを特徴とする。さらに、第２光増幅性導波路の吸収断面積のスペクトルにおける波長９１５ｎｍ帯の副次ピークは、第１光増幅性導波路の吸収断面積のスペクトルにおける波長９１５ｎｍ帯の副次ピークより高いのが好適である。また、本発明に係る光増幅装置において、第２光増幅性導波路の吸収断面積のスペクトルにおける主ピークの高さで規格した波長９１５ｎｍ帯の副次ピークが２５.１％より高いのが好適である。

本発明に係る光増幅装置においては、第１光増幅性導波路および第２光増幅性導波路それぞれは、主成分が石英系ガラスからなり、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加されている。励起光供給手段により第１光増幅性導波路に供給された励起光は、第１光増幅性導波路のコア領域を導波して、第１光増幅性導波路に添加されたＹｂイオンを励起する。励起光供給手段により第２光増幅性導波路に供給された励起光は、第２光増幅性導波路のコア領域および第１クラッド領域を導波して、第２光増幅性導波路に添加されたＹｂイオンを励起する。入力端に入力した被増幅光は第１光増幅性導波路において光増幅され更に第２光増幅性導波路においても光増幅されて、その増幅された光が出力端から出力される。第１光増幅性導波路におけるＹｂイオン以外の３価の正イオンの添加濃度は、第２光増幅性導波路におけるＹｂイオン以外の３価の正イオンの添加濃度より高い。或いは、第２光増幅性導波路の吸収断面積のスペクトルにおける波長９１５ｎｍ帯の副次ピークは、第１光増幅性導波路の吸収断面積のスペクトルにおける波長９１５ｎｍ帯の副次ピークより高い。このような光増幅装置は高利得であって実用的なものとなり得る。

本発明に係るレーザ光源装置は、レーザ光を出力するレーザ光源と、このレーザ光源から出力されるレーザ光を光増幅する上記の本発明に係る光増幅装置とを備えることを特徴とする。本発明に係るレーザ光源装置では、レーザ光源から出力されるレーザ光は、光増幅装置により光増幅された後に出力される。光増幅装置が高利得であるので、このレーザ光源装置は、高パワーのレーザ光を出力することができる。

本発明に係る光増幅装置は、高利得であって実用に優れ、特に加工用途等に好適に用いられ得る。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ光源装置１の概略構成図である。この図に示されるレーザ光源装置１は、ＭＯＰＡ（Master Oscillator Power Amplifier）構成のものであって、レーザ光源２および光増幅装置３を備える。レーザ光源２は、レーザ光を出力するものであり、例えばレーザダイオードである。光増幅装置３は、このレーザ光源２から出力されるレーザ光を光増幅する。このレーザ光源装置１では、レーザ光源２から出力されたレーザ光は、光増幅装置３により光増幅された後に出力される。

図２は、本実施形態に係る光増幅装置３の構成図である。この図に示される光増幅装置３は、入力端１１に入力した光を光増幅して出力端１２から出力するものであって、光アイソレータ２１〜２３、光カプラ３１，３２、第１光増幅性導波路４１、第２光増幅性導波路４２、バンドパスフィルタ５０、光分岐器６０および励起光源７０を備える。光増幅装置３の入力端１１は、レーザ光源２から出力されるレーザ光を入力する。

入力端１１から出力端１２へ向かって順に、光アイソレータ２１、光カプラ３１、第１光増幅性導波路４１、光アイソレータ２２、バンドパスフィルタ５０、光カプラ３２、第２光増幅性導波路４２および光アイソレータ２３が配置されている。また、光カプラ３１および光カプラ３２の双方に光分岐器６０が接続され、この光分岐器６０に励起光源７０が接続されている。

光アイソレータ２１〜２３それぞれは、入力端１１から出力端１２へ向かう順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。光カプラ３１は、光アイソレータ２１から到達した被増幅光を第１光増幅性導波路４１へ出力するとともに、光分岐器６０から到達した励起光をも第１光増幅性導波路４１へ出力する。光カプラ３２は、バンドパスフィルタ５０から到達した被増幅光を第２光増幅性導波路４２へ出力するとともに、光分岐器６０から到達した励起光をも第２光増幅性導波路４２へ出力する。

第１光増幅性導波路４１および第２光増幅性導波路４２それぞれは、主成分が石英系ガラスからなり、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加された光導波路であり、好適にはＹｂ添加光ファイバ（ＹｂＤＦ）である。第１光増幅性導波路４１は、光カプラ３１から出力された被増幅光および励起光を入力し、励起光により励起されて被増幅光を光増幅し、その増幅した光を光アイソレータ２２へ出力する。第２光増幅性導波路４２は、光カプラ３２から出力された被増幅光および励起光を入力し、励起光により励起されて被増幅光を光増幅し、その増幅した光を光アイソレータ２３へ出力する。

特に、第１光増幅性導波路４１は、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、コア領域を導波する励起光により励起され、入力端に入力した光を光増幅して出力する。第２光増幅性導波路４２は、コア領域と、このコア領域を取り囲む第１クラッド領域と、この第１クラッド領域を取り囲む第２クラッド領域とを含み、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、コア領域および第１クラッド領域を導波する励起光により励起され、第１光増幅性導波路４１において光増幅された光を入力し更に光増幅して出力する。

さらに、第１光増幅性導波路４１および第２光増幅性導波路４２それぞれは、Ｙｂイオン以外の３価の正イオンを含有する。そして、第１光増幅性導波路４１における正イオンの添加濃度は、第２光増幅性導波路４２における正イオンの添加濃度より高い。この正イオンはＡｌ^３＋イオンであるのが好適である。第２光増幅性導波路４１の吸収断面積のスペクトルにおける波長９１５ｎｍ帯の副次ピークは、第１光増幅性導波路４２の吸収断面積のスペクトルにおける波長９１５ｎｍ帯の副次ピークより高いのが好適である。第１光増幅性導波路４１の励起寿命は、第２光増幅性導波路４２の励起寿命より長いのが好適である。また、第１光増幅性導波路４１の励起寿命は１ｍ秒以上であるのが好適である。

バンドパスフィルタ５０は、光アイソレータ２２と光カプラ３２との間の光路上に設けられ、第１光増幅性導波路４１において光増幅されて出力された光を選択的に透過させ、その他の波長の光（ＡＳＥ光）を遮断する。光分岐器６０は、励起光源７０から出力された励起光を２分岐して、その分岐した一方の励起光を光カプラ３１へ出力し、他方の励起光を光カプラ３２へ出力する。励起光源７０は、第１光増幅性導波路４１および第２光増幅性導波路４２それぞれに含まれるＹｂイオンを励起し得る波長の励起光を出力するものであり、好適にはレーザダイオードを含む。励起光源７０，光分岐器６０，光カプラ３１および光カプラ３２は、第１光増幅性導波路４１および第２光増幅性導波路４２それぞれに励起光を供給する励起光供給手段として作用する。

このように構成される光増幅装置３は以下のように動作する。励起光源７０から出力された波長９７５ｎｍ帯または波長９１５ｎｍ帯の励起光は光分岐器６０により２分岐される。光分岐器５０による分岐により得られた一方の励起光は光カプラ３１を経て第１光増幅性導波路４１に供給され、他方の励起光は光カプラ３２を経て第２光増幅性導波路４２に供給される。

入力端１１に入力した波長１０６４ｎｍ帯の被増幅光は、光アイソレータ２１および光カプラ３１を経て、第１光増幅性導波路４１に入力し、この第１光増幅性導波路４１において光増幅される。第１光増幅性導波路４１において光増幅された光は、光アイソレータ２２，バンドパスフィルタ５０および光カプラ３２を経て、第２光増幅性導波路４２に入力し、この第２光増幅性導波路４２において更に光増幅される。そして、第２光増幅性導波路４２において光増幅された光は、光アイソレータ２３を経て、出力端１２から出力される。

次に、第１光増幅性導波路４１および第２光増幅性導波路４２について更に具体的に説明する。第１光増幅性導波路４１および第２光増幅性導波路４２それぞれは、主成分が石英系ガラスからなり、少なくともコア領域の一部にＹｂイオンが添加された光導波路であり、好適にはＹｂ添加光ファイバ（ＹｂＤＦ）である。以下では、第１光増幅性導波路４１または第２光増幅性導波路４２として用いられ得るＹｂＤＦの実施例（ＹｂＤＦ-Ａ，ＹｂＤＦ-Ｂ，ＹｂＤＦ-Ｃ）について説明する。

図３は、ＹｂＤＦ-Ａ，ＹｂＤＦ-ＢおよびＹｂＤＦ-Ｃそれぞれの組成および励起寿命を纏めた図表である。また、この図表には、吸収断面積の主ピークの高さで規格した副次ピークの高さ（規格化副次ピーク）も示されている。ＹｂＤＦ-Ａは、３８０７wtppmのＹｂ元素および５.６６wt％のＡｌ元素がコア領域に添加されたものである。ＹｂＤＦ-Ｂは、５４８６wtppmのＹｂ元素および０.２７wt％のＡｌ元素がコア領域に添加されたものである。また、ＹｂＤＦ-Ｃは、１０５７１wtppmのＹｂ元素および２.５４wt％のＡｌ元素がコア領域に添加されたものである。ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの組成を対比すると、Ｙｂ濃度の差は小さいが、Ａｌ濃度の差は大きい。ＹｂＤＦ-ＡのＡｌ濃度は、ＹｂＤＦ-ＢのＡｌ濃度より高い。この結果、ＹｂＤＦ-Ａの励起寿命は１.５ｍ秒であり、ＹｂＤＦ-Ｂの励起寿命は０.８ｍ秒であって、前者は後者の略２倍となった。励起寿命が長い方が、吸収から増幅に転じる閾値となる励起パワーが低く抑えられるので、一般的にはパワー変換効率の改善に有利である。

図４は、ＹｂＤＦ-Ａ，ＹｂＤＦ-ＢおよびＹｂＤＦ-Ｃそれぞれの誘導放出断面積のスペクトルを示す図である。また、図５は、ＹｂＤＦ-Ａ，ＹｂＤＦ-ＢおよびＹｂＤＦ-Ｃそれぞれの吸収断面積のスペクトルを示す図である。これらのスペクトルは、波長９７５ｎｍ付近での主ピーク値を１００として規格化されている。ＹｂＤＦ-Ａと比べると、ＹｂＤＦ-Ｂは、波長９１５ｎｍ帯の吸収ピークが高く、波長９１５ｎｍ帯の励起光の吸収効率が良い。また、ＹｂＤＦ-Ａと比べると、ＹｂＤＦ-Ｂは、誘導放出断面積の第二ピークが長波長側にあるので、発振波長を１０８０ｎｍより長くしたい場合（非常に強く飽和した場合など、クラッド励起でコアとクラッドとの直径比率が１０を超えた場合などに見られる）には有利である。

ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれにおいて、吸収断面積は波長９７５ｎｍ帯で最も大きいことから、この点からは励起光波長として９７５ｎｍ帯が好ましいと言える。しかし、クラッド励起の場合、励起光源７０として用いられるマルチモード励起のレーザダイオードの所要電流が数Ａ〜数十Ａにもなり、発熱量が大きいので、ペルチエ素子のみによる精度の高い電子冷却は不可能で、場合によっては水冷などが必要となる。このとき、レーザダイオードの温度変動は無視でない程度となって、レーザダイオードから出力される励起光の波長は不安定となる。その結果、吸収スペクトル幅が狭い波長９７５ｎｍ帯での励起は、励起光波長が変動した場合に、吸収効率の大きな劣化を招き、ひいては、パワー変換効率の劣化を招くことになる。一方、波長９１５ｎｍ帯の副次ピークは、ピーク値が低いものの、幅が広いので、励起光波長変動の影響を無視できる。したがって、クラッド励起の場合は、波長９１５ｎｍ帯励起が望ましいと考えられる。

次に、コア領域を伝搬する波長９７５ｎｍ帯の励起光により励起したときのＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの利得について説明する。図６は、ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの利得を纏めた図表である。ここでは、ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂの何れも、波長１.０６４μｍ帯でのモードフィールド径が４.６μｍであり、Ｙｂ添加領域の直径が２.４μｍであり、波長９７５ｎｍ帯での吸収断面積が２４８ｄＢ／ｍであり、長さが６ｍであって、コア領域を伝搬する波長９７５ｎｍ帯の励起光により励起された。

コア領域を伝搬する励起光による励起の場合、励起光源として、光通信用に普及している単一モードの波長０.９８μｍ帯励起レーザダイオードモジュールが使用可能である。そこで、励起光波長を９７５ｎｍした。ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれに注入される励起光のパワーを、１００ｍＷ，２００ｍＷまたは４００ｍＷとした。また、励起方向は順方向励起とした。被増幅光については、波長を１０６４ｎｍとし、ピークパワーを２００ｍＷとし、デューティ比１００００のパルス列を想定し、平均パワーを−１７ｄＢｍとした。

図６に示されるとおり、ＹｂＤＦ-Ａについては、励起光パワーが１００ｍＷであるときに利得は１６.８ｄＢであり、励起光パワーが２００ｍＷであるときに利得は２１.６ｄＢであり、励起光パワーが４００ｍＷであるときに利得は２４.１ｄＢであった。また、ＹｂＤＦ-Ｂについては、励起光パワーが１００ｍＷであるときに利得は９.１ｄＢであり、励起光パワーが２００ｍＷであるときに利得は１７.９ｄＢであり、励起光パワーが４００ｍＷであるときに利得は２２.４ｄＢであった。

ＹｂＤＦ-ＡとＹｂＤＦ-Ｂとでは、励起光パワーが１００ｍＷであるときには、励起パワーの閾値の違いが大きく影響し、ＹｂＤＦ-Ａの利得は１６.７ｄＢ程度であり、ＹｂＤＦ-Ｂの利得は９ｄＢ程度であって、両者の間には２倍近い差が生じた。励起光パワーが４００ｍＷであるときには、両者の間の閾値の違いの影響が小さくなり差が縮まるが、誘導放出断面積および吸収断面積の形状の違いから、依然としてＹｂＤＦ-Ａの利得が大きい。また、稼動時初期は差が小さくとも、何年という期間中に励起レーザダイオードの劣化が生じ、励起光パワーが下がったときの影響を考えれば、ＹｂＤＦ-Ａの方が有利と言える。

次に、波長９１５ｎｍ帯の励起光によりクラッド励起したときのＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの利得について説明する。図７は、ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの信号光パワーおよび残留励起光パワーを纏めた図表である。波長９１５ｎｍ帯での吸収断面積ピークの差異は、励起光モードフィールドとＹｂ添加領域とのオーバーラップが小さいクラッド励起時に影響する。そこで、以下のような場合を検討した。ここでは、ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂの何れも、波長１.０６４μｍ帯でのモードフィールド径が１４μｍであり、Ｙｂ添加領域の直径が１２μｍであり、クラッド直径が１２５μｍであり、波長９７５ｎｍ帯での吸収断面積が６４ｄＢ／ｍであり、長さが５ｍであって、コア領域および第１クラッド領域を伝搬する波長９１５ｎｍ帯の励起光により励起された。

コア領域および第１クラッド領域を伝搬する励起光による励起の場合、前述したとおり、励起光波長は９１５ｎｍ帯であるのが好ましい。そこで、励起光波長を９１５ｎｍした。ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれに注入される励起光のパワーを４０ｍＷとした。また、励起方向は、励起効率が優れる逆方向励起とした。被増幅光については、波長を１０６４ｎｍとし、ここに到達するまでに充分に光増幅されていると仮定して平均パワーを＋１７ｄＢｍとした。

図７に示されるとおり、ＹｂＤＦ-Ａについては、被増幅光が光増幅される出力される信号光のパワーが２３.７Ｗであり、残留励起光のパワーが５.８Ｗであった。また、ＹｂＤＦ-Ｂについては、被増幅光が光増幅される出力される信号光のパワーが２４.５Ｗであり、残留励起光のパワーが３.５Ｗであった。ＹｂＤＦ-Ｂと比較すると、ＹｂＤＦ-Ａの平均出力は０.８Ｗだけ低い。この理由は、ＹｂＤＦ-Ｂと比較すると、ＹｂＤＦ-Ａは、図５に示した吸収断面積スペクトルから判るように波長９１５ｎｍでの吸収係数が小さいために、通過してしまう残留励起光のパワー（５.８Ｗ）が６０％程度大きいからである。このように、残留励起光パワーが大きいと、光増幅装置３の上流に位置するレーザ光源２の損傷原因ともなり、危険も増す。

図８は、ＹｂＤＦ-Ａ，ＹｂＤＦ-ＢおよびＹｂＤＦ-ＣそれぞれのＡｌ濃度と主ピークで規格化した吸収断面積のスペクトルの副次ピーク高さとの関係を示すグラフである。Ａｌ濃度が低いほど、波長９１５ｎｍ付近の副次ピークの高さは向上する。その一方で、励起用レーザダイオードとして世界でもっとも高いシェアを有するJDSU製6390シリーズの仕様書などに見られるとおり、励起レーザダイオード側にも波長９１５±８ｎｍ程度の波長ばらつきが存在する。ここで、バラツキ範囲内の最長波長９２３ｎｍでは、図５に見られるとおり、ＹｂＤＦ-Ｂの吸収断面積は、ＹｂＤＦ-Ａより高いが、ＹｂＤＦ-Ｃとは略一致する。したがって、励起レーザダイオードの仕様の波長バラツキの最悪値（９２３ｎｍ）を仮定するなら、Ａｌ濃度はＹｂＤＦ-ＢでもＹｂＤＦ-Ｃでも同じである。しかし、これ以上のＡｌ濃度の差があれば、吸収断面積の副次ピークの際の効果は現れる。したがって、Ｙｂ添加ファイバのＡｌ濃度はせめてＹｂＤＦ-Ｃ以下であることが、クラッド励起される用途としては望ましい。

以上のように、ＹｂＤＦ-Ａは、励起パワーも信号光パワーも数ｍＷ〜数百ｍＷ程度と低く、且つ、励起光の波長を９７５ｎｍに設定できる信号経路上流のプリアンプ（すなわち、図２中の第１光増幅性導波路４１）に適用するのが好適である。その一方で、ＹｂＤＦ-Ｂは、励起パワーも信号光パワーも数Ｗ〜数十Ｗと高く、励起光波長を９１５ｎｍ付近とせざるを得ない信号経路下流のブースタアンプ（すなわち、図２中の第２光増幅性導波路４２）に適用するのが好適である。また、第２光増幅性導波路４２の励起方向は逆方向励起であるのが好適である。

したがって、図１中における光増幅装置３として、図９に示される構成の光増幅装置３Ａが用いられるのが更に好ましい。図９は、他の実施形態に係る光増幅装置３Ａの構成図である。図２に示された光増幅装置３の構成と比較すると、この図９に示される光増幅装置３Ａは、光カプラ３２に替えて光カプラ３３を備える点で相違し、また、光分岐器６０および励起光源７０に替えて励起光源７１および励起光源７３を備える点で相違している。

光カプラ３３は、第２光増幅性導波路４２と光アイソレータ２３との間に設けられており、第２光増幅性導波路４２において光増幅されて出力された光を光アイソレータ２３へ通過させ、励起光源７１から到達した励起光を第２光増幅性導波路４２へ出力する。励起光源７１は、光カプラ３１と接続されており、波長９７５ｎｍ帯の励起光を出力する。また、励起光源７３は、光カプラ３３と接続されており、波長９１５ｎｍ帯の励起光を出力する。

このように構成される光増幅装置３Ａは以下のように動作する。励起光源７１から出力された波長９７５ｎｍ帯の励起光は、光カプラ３１を経て第１光増幅性導波路４１（ＹｂＤＦ-Ａ）に順方向から供給され、この第１光増幅性導波路４１のコア領域に閉じ込められて導波する。また、励起光源７３から出力された波長９１５ｎｍ帯の励起光は、光カプラ３３を経て第２光増幅性導波路４２（ＹｂＤＦ-Ｂ）に逆方向から供給され、この第２光増幅性導波路４２のコア領域および第１クラッド領域に閉じ込められて導波する。

入力端１１に入力した波長１０６４ｎｍ帯の被増幅光は、光アイソレータ２１および光カプラ３１を経て、第１光増幅性導波路４１に入力し、この第１光増幅性導波路４１において光増幅される。第１光増幅性導波路４１において光増幅された光は、光アイソレータ２２およびバンドパスフィルタ５０を経て、第２光増幅性導波路４２に入力し、この第２光増幅性導波路４２において更に光増幅される。そして、第２光増幅性導波路４２において光増幅された光は、光カプラ３３および光アイソレータ２３を経て、出力端１２から出力される。

なお、以上ではＹｂと共にＡｌが添加される場合について示したが、Ｌａ等の３価の正イオンであれば同等の効果が期待される。また、上記のＹｂＤＦ-Ｂに替えて、Ａｌ無添加のものが用いられてもよい。

本実施形態に係るレーザ光源装置１の概略構成図である。 本実施形態に係る光増幅装置３の構成図である。 ＹｂＤＦ-Ａ，ＹｂＤＦ-ＢおよびＹｂＤＦ-Ｃそれぞれの組成および励起寿命を纏めた図表である。 ＹｂＤＦ-Ａ，ＹｂＤＦ-ＢおよびＹｂＤＦ-Ｃそれぞれの誘導放出断面積のスペクトルを示す図である。 ＹｂＤＦ-Ａ，ＹｂＤＦ-ＢおよびＹｂＤＦ-Ｃそれぞれの吸収断面積のスペクトルを示す図である。 ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの利得を纏めた図表である。 ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの信号光パワーおよび残留励起光パワーを纏めた図表である。 ＹｂＤＦ-Ａ，ＹｂＤＦ-ＢおよびＹｂＤＦ-ＣそれぞれのＡｌ濃度と主ピークで規格化した吸収断面積のスペクトルの副次ピーク高さとの関係を示すグラフである。 他の実施形態に係る光増幅装置３Ａの構成図である。

符号の説明

１…レーザ光源装置、２…レーザ光源、３，３Ａ…光増幅装置、１１…入力端、１２…出力端、２１〜２３…光アイソレータ、３１，３２，３３…光カプラ、４１…第１光増幅性導波路、４２…第２光増幅性導波路、５０…バンドパスフィルタ、６０…光分岐器、７０，７１，７３…励起光源。

Claims (7)

1. 入力端に入力した光を光増幅して出力端から出力する光増幅装置であって、
   主成分が石英系ガラスからなり、コア領域と、前記コア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、少なくとも前記コア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、主として前記コア領域を導波する励起光により励起され、前記入力端に入力した光をコア領域を伝搬させながら光増幅して出力する第１光増幅性導波路と、
   主成分が石英系ガラスからなり、コア領域と、前記コア領域を取り囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を取り囲む第２クラッド領域とを含み、少なくとも前記コア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、主として前記コア領域および前記第１クラッド領域を導波する励起光により励起され、前記第１光増幅性導波路において光増幅された光を入力し、その光をコア領域を伝搬させながら光増幅して出力する第２光増幅性導波路と、
   前記第１光増幅性導波路および前記第２光増幅性導波路それぞれに励起光を供給する励起光供給手段と
   を備え、
   前記第１光増幅性導波路におけるＹｂイオン以外の３価の正イオンの添加濃度が、前記第２光増幅性導波路におけるＹｂイオン以外の３価の正イオンの添加濃度より高い
   ことを特徴とする光増幅装置。
2. 前記第１光増幅性導波路の励起寿命が前記第２光増幅性導波路の励起寿命より長いことを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
3. 前記正イオンがＡｌイオンであることを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
4. 前記第１光増幅性導波路の励起寿命が１ｍ秒以上であることを特徴とする請求項１記載の光増幅装置。
5. 入力端に入力した光を光増幅して出力端から出力する光増幅装置であって、
   主成分が石英系ガラスからなり、コア領域と、前記コア領域を取り囲むクラッド領域とを含み、少なくとも前記コア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、主として前記コア領域を導波する励起光により励起され、前記入力端に入力した光をコア領域を伝搬させながら光増幅して出力する第１光増幅性導波路と、
   主成分が石英系ガラスからなり、コア領域と、前記コア領域を取り囲む第１クラッド領域と、前記第１クラッド領域を取り囲む第２クラッド領域とを含み、少なくとも前記コア領域の一部にＹｂイオンが添加されており、主として前記コア領域および前記第１クラッド領域を導波する励起光により励起され、前記第１光増幅性導波路において光増幅された光を入力し、その光をコア領域を伝搬させながら光増幅して出力する第２光増幅性導波路と、
   前記第１光増幅性導波路および前記第２光増幅性導波路それぞれに励起光を供給する励起光供給手段と
   を備え、
   前記第２光増幅性導波路の吸収断面積のスペクトルにおける波長９１５ｎｍ帯の副次ピークが、前記第１光増幅性導波路の吸収断面積のスペクトルにおける波長９１５ｎｍ帯の副次ピークより高い
   ことを特徴とする光増幅装置。
6. 前記第２光増幅性導波路の吸収断面積のスペクトルにおける主ピークの高さで規格化した波長９１５ｎｍ帯の副次ピークが２５.１％より高いことを特徴とする請求項５記載の光増幅装置。
7. レーザ光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源から出力されるレーザ光を光増幅する請求項１〜６の何れか１項に記載の光増幅装置とを備えることを特徴とするレーザ光源装置。

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