JP2007294931A - 光ファイバ増幅モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 デューティ比の低い光を増幅する場合であっても安定して高利得を得るための構造を備えた光ファイバ増幅モジュールを提供する。
【解決手段】 光ファイバ増幅モジュール(1)は、増幅用光ファイバとして、入力コネクタ(11)から出力コリメータ(12)へ向かって順に配置された、ＹｂＤＦ(41)、ＹｂＤＦ(42)及びＹｂＤＦ(43)を備える。ＹｂＤＦ(41)とＹｂＤＦ(42)の間にはバンドパスフィルタ(50)が配置されており、光受動部品のみの構成又はフィードバック構成の制御手段がＹｂＤＦ(41)における入力光に対する利得に上限を与えるよう機能することにより、バンドパスフィルタ(50)の破壊等、ＹｂＤＦ(43)よりも上流側に位置する光部品の性能劣化が回避される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、入力光を増幅用光ファイバで増幅する光ファイバ増幅モジュールに関するものである。

光ファイバレーザ光源は、信頼性が高く、かつ、小型の光源として知られ、特に、導波路構造を有することからビーム品質が良好である。このことから、光ファイバレーザ光源は、電子・機械分野における加工、医療、計測、光通信など様々な用途に広く普及している。

特に、種光源から出力されたパルス種光を光ファイバ増幅モジュールにより増幅するＭＯＰＡ（Master Oscillation Power Amplifier）構成の光ファイバレーザ光源は、現在普及しているＱスイッチ構成の光源と比較して、ファイバ長による伝搬遅延の影響によるパルス幅広がりなどが見られない。すなわち、上記光ファイバ増幅モジュールは、短パルス化や高繰返し周波数化に有利なことから、微細加工や計測の用途への普及が期待される。ただし、種光源として高速変調可能な半導体レーザ光源を使用して、加工用など高出力が要求される用途に適用される場合、光ファイバ増幅モジュールには５０ｄＢ以上の高利得が要求される。光ファイバ増幅モジュールにおける増幅作用は、通常、希土類元素などが添加された増幅用光ファイバにより実現されるので、原理的には高利得が実現され易い。
特許３３０６７００号公報 F. D. Teodoro, et al,"High-power pulsed fiber source at 1567nm",Proc. Photonic WEST2005

発明者は、従来技術について詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、光ファイバ増幅モジュールにおいて、増幅された自然放出光（ＡＳＥ）の混入成分比率が高まり、出力パルス列の消光比が劣化すると、ＡＳＥ光で当該光ファイバ増幅モジュールの出力が飽和してしまい、高利得が得られにくくなる。そのため、被増幅光の伝搬経路上に誘電体多層膜バンドパスフィルタを配置し、該誘電体多層膜バンドパスフィルタにより被増幅光のみを選択することが望ましい。なお、光通信用など信号光レベルが低い用途と比べると、レーザ加工用途等ではパルスピークが高いため、誘電体多層膜を破壊する可能性が高い。例えば、非特許文献１には、光ファイバブラッググレーティング及び光サーキュレータを組み合わせた方式なども提案されている。

特許文献１に記載されたように、光ファイバ増幅モジュールのうち光フィルタの上流部までの利得又は光パワーレベルを一定制御することで、光フィルタの破壊を防止することも考えられる。しかしながら、加工用レーザなどでは、デューティ比が１／１００〜１／１００００と非常に低いとき、パルスピークの検出が困難であるため、特許文献１に記載されたようなアクティブ制御は、時定数などの制約から誤動作の危険性が高い。

また、増幅用光ファイバによる高利得は、逆に、動作状態によっては高い利得が出過ぎてしまい、自らがモード競合した発振を起こしてしまう。この場合、光サージなどの出力により当該光ファイバ増幅モジュールを構成する光部品を破壊する事態が懸念される。特に、高出力を実現するために広く用いられるクラッド励起方式では、励起光と被増幅光との分離がされていないケースも多い。この場合、コアを伝搬すべき被増幅光やＡＳＥ光による光サージが、励起光が伝搬する内クラッドの伝搬モードに結合してしまい、励起光源の破壊につながる危険性がある。したがって、クラッド励起された部分の利得はあまり高くしないことが望ましい。一般的には２０ｄＢ程度が上限の目安と言われる。

この発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、デューティ比の低い光を増幅する場合であっても安定して高利得を実現するための構造を備えた光ファイバ増幅モジュールを提供することを目的としている。

この発明に係る光ファイバ増幅モジュールは、１％以下のデューティ比を有する光を入力するための入力端と、該入力端を介して取り込まれた入力光を増幅することにより得られる増幅光を出力するための出力端と、複数の増幅用光ファイバ（少なくとも３本の増幅用光ファイバ）と、光フィルタと、該光フィルタの破壊等を回避するよう増幅利得を制御する第１制御手段を、少なくとも備える。なお、デューティ比は「パルス幅／パルス周期」で定義される。

複数の増幅用光ファイバは、入力端から出力端へ到る光伝搬経路に沿って縦列に配置され、それぞれが入力光を増幅する。光フィルタは、入力端を介して取り込まれた入力光を選択的に通過させるための光部品である。また、光フィルタは、複数の増幅用光ファイバのうち、入力端を通過した入力光が最初に通過する初段の増幅用光ファイバと、該初段の増幅用光ファイバから出力された増幅光が最初に通過する第２段の増幅用光ファイバとの間に配置される。特に、第１制御手段は、初段の増幅用光ファイバにおける入力光に対する利得を第１所定値以下となるように設定する。

この発明に係る光ファイバ増幅モジュールにおいて、第１制御手段は、光受動部品のみの構成であっても、また、フィードバック構成のいずれであってもよい。例えば、初段の増幅用光ファイバの吸収条長積は、温度調整された環境下において特定値に最適化されている状態で、第１制御手段は、該初段の増幅用光ファイバに供給される励起光のパワーを一定に維持するよう、該励起光を供給する励起光源を制御する。このとき、増幅用光ファイバ周辺の環境温度は、特定範囲に収まるよう制御されているのが好ましい。このような温度調節は、サーミスタによる温度検知を行いながら、ペルチェ素子に対してフィードバック制御を行う方式が考えられるが、実質的にヒートシンクとなり得る良好な熱伝導性を有する材質の上に増幅用光ファイバを搭載し、このヒートシンクのをファンで強制冷却する方式などでもよい。なお、このように初段の増幅用光ファイバの吸収条長積及び励起光パワーの制御により該初段の増幅用光ファイバにおける利得を抑制する構成では、該初段の増幅用光ファイバの吸収条長積及び励起光パワーそれぞれを、予め最適値に設定しておくことによっても第１制御手段は実現されえる。

また、この発明に係る光ファイバ増幅モジュールにおいて、第１制御手段は、フィードバック構成にて実現可能であり、この場合、該第１制御手段は、初段の増幅用光ファイバから出力されるＡＳＥ光のうち入力光以外の波長成分をモニタし、該モニタ値に応じて初段の増幅用光ファイバに供給される励起光のパワーを制御するための構成を備える。さらに、第１制御手段は、初段の増幅用光ファイバの光入力端及び光出力端の双方配置された、入力光を透過する一方、入力光波長周辺の特定の波長成分を選択的に反射するための２つの反射手段を含んでもよい。なお、上記所定値は、特定の値であっても数値範囲であってもよい。また、第１制御手段による制御は常時行われても、所定値を越えた場合にだけ制御を行ってもよい。

この発明に係る光ファイバ増幅モジュールは、複数の増幅用光ファイバのうち、出力端に最も近い位置に配置された最終段の増幅用光ファイバにおける入力光に対する利得を、第２所定値以下となるように設定する第２制御手段を備えてもよい。なお、この第２所定値は、上述のように２０ｄＢ程度に設定されるのが一般的であり、通常、第１所定値よりも小さい。具体的には、最終段の増幅用光ファイバを挟むように配置された、入力光を透過する一方、入力光とは異なる特定波長成分を選択的に反射させるための２つの反射手段により、第２制御手段は実現可能である。このとき、２つの反射手段のうち、入力光の伝搬方向から見て下流側に位置する反射手段は、最終段の増幅用光ファイバから出力された増幅光が伝搬する、該最終段の増幅用光ファイバと出力端との間の空間中に配置される。また、選択的に反射される特定波長成分は、入力光（被増幅光）に含まれる波長成分のいずれよりも短い波長であるのが好ましい。

さらに、この発明に係る光ファイバ増幅モジュールは、１％以下のデューティ比を有する光を入力するための入力端と、該入力端を介して取り込まれた入力光を増幅することにより得られる増幅光を出力するための出力端と、それぞれイットリビウム（Ｙｂ）が添加された複数の増幅用光ファイバ（少なくとも３本の増幅用光ファイバ）と、光フィルタを備えてもよい。この場合、複数の増幅用光ファイバは、入力端から出力端へ到る光伝搬経路に沿って縦列に配置される。また、光フィルタは、入力端を介して取り込まれた入力光を選択的に通過させるため、複数の増幅用光ファイバのうち、入力端を通過した入力光が最初に通過する初段の増幅用光ファイバと、該初段の増幅用光ファイバから出力された増幅光が最初に通過する第２段の増幅用光ファイバとの間に配置されている。特に、このような構造を備えた光ファイバ増幅モジュールにおいて、初段の増幅用光ファイバは、該初段の増幅用光ファイバ内を伝搬する光に対して１０００ｄＢ以下の非飽和吸収条長積を有するのが好ましい。

なお、この発明に係る各実施形態は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施形態は単に例示のために示されるものであって、この発明を限定するものと考えるべきではない。

また、この発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施形態を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、この発明の思想及び範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。

以上のようにこの発明によれば、デューティ比の低い光（被増幅光）を増幅する場合であっても安定して高利得が実現され得る。

以下、この発明に係る光ファイバ増幅モジュールの各実施形態を、図１〜図１２を参照しながら詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一要素、同一部位には同一符号を付して重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、この発明に係る光ファイバ増幅モジュールの第１実施形態の構成を示す図である。図１に示された第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１は、入力コネクタ１１に入力した光を増幅し、この増幅光を出力コリメータ１２からコリメート光として出力する。当該光ファイバ増幅モジュール１は、入力コネクタ１１から出力コリメータ１２へ向かって順に配置された、光アイソレータ２１、光カプラ３１、ＹｂＤＦ４１、光アイソレータ２２、バンドパスフィルタ５０、光カプラ３２、ＹｂＤＦ４２、光アイソレータ２３、光ファイバブラッググレーティング６０、コンバイナ７０及びＹｂＤＦ４３を備える。さらに、光ファイバ増幅モジュール１は、光カプラ３１に接続された励起光源８１、光カプラ３２に接続された偏波合成器３３、及び励起光源８２、８３を備えるとともに、コンバイナ７０に接続された複数の励起光源８４をも備える。

ＹｂＤＦ４１〜４３それぞれは、石英ガラスをホストガラスとし、光活性物質としてＹｂ元素を光導波領域に添加された増幅用光ファイバ（Yb-Doped Fiber）である。特に、最後段に設けられたＹｂＤＦ４３は、図２の領域（ａ）に示されたように、Ｙｂ元素を添加されるとともに被増幅光が伝搬するコア４３ａ（最大屈折率ｎ１）と、該コア４３ａを取り囲むクラッド領域４３ｂを備える。クラッド領域４３ｂは、複数の後段励起光源７２からの励起光が伝搬する内側クラッド４３ｂ１（屈折率ｎ２（＜ｎ１））と、該内側クラッド４３ｂ１を取り囲む外側クラッド４３ｂ２（屈折率ｎ３（＜ｎ２））から構成されている。なお、図２の領域（ｂ）は、ＹｂＤＦ４３の屈折率プロファイル４３０であり、該屈折率プロファイル４３０において、領域４３１は、コア４３ａの径方向に沿った各部位の屈折率、領域４３２は内側クラッド４３ｂ１の径方向に沿った各部位の屈折率、領域４３３は外側クラッド４３ｂ２の径方向に沿った各部位の屈折率を示す。

この第１実施形態において、初段のＹｂＤＦ４１における利得は、受動光部品のみで構成される第１制御手段により、第１所定値以下となるように制御される。すなわち、この第１実施形態において、第１制御手段は、初段のＹｂＤＦ４１の吸収条長積及び励起光源８１から出力される励起光のパワーそれぞれを、予め最適値に設定しておくことにより実現される。一方、最終段のＹｂＤＦ４３における利得も、第２制御手段により、第２所定値以下となるように制御される。なお、この第２制御手段は、最終段のＹｂＤＦ４３の両端に配置された反射手段により実現される。なお、この第２所定値は、上述のように２０ｄＢ程度に設定されるのが一般的であり、通常、第１所定値よりも小さい。

励起光源８１は、ＹｂＤＦ４１へ供給すべき励起光（９７５ｎｍ波長帯、パワー３００ｍＷ級）を出力する単一モード励起ＬＤである。励起光源８２、８３は、ＹｂＤＦ４２へ供給すべき励起光（９７５ｎｍ波長帯、パワー５００ｍＷ級）を出力する単一モード励起ＬＤである。複数の励起光源８４は、ＹｂＤＦ４３へ供給すべき励起光（９１５ｎｍ波長帯）を出力する多モード励起ＬＤである。これらＹｂＤＦ４１〜４３それぞれは、１０６４ｎｍ波長帯の光を増幅することができる。

光アイソレータ２１〜２３それぞれは、入力コネクタ１１から出力コリメータ１２へ向かう順方向に光を通過させる一方、逆方向には光を通過させない。光カプラ３１は、励起光源８１から到達した励起光をＹｂＤＦ４１へ出力するととともに、光アイソレータ２１から到達した入力光（被増幅光）もＹｂＤＦ４１へ出力する。偏波合成器３３は、励起光源８２、８３から出力された励起光を偏波合成する。さらに、偏波合成器３３は、このように合成された励起光を光カプラ３２へ出力する。光カプラ３２は、偏波合成器３３から到達した励起光をＹｂＤＦ４２へ出力するととともに、光フィルタ（バンドパスフィルタ）５０から到達した被増幅光もＹｂＤＦ４２へ出力する。コンバイナ７０は、光ファイバブラッググレーティング６０から到達した被増幅光をＹｂＤＦ４３へ出力するとともに、複数の励起光源８４から到達した励起光もＹｂＤＦ４３へ出力する。

バンドパスフィルタ５０は、初段のＹｂＤＦ４１と第２段のＹｂＤＦ４２との間、更に具体的には光アイソレータ２２と光カプラ３２との間に配置される。このバンドパスフィルタ５０は、光アイソレータ２２から到達した光のうち被増幅光を選択的に光カプラ３２へ透過させる一方、他の波長成分を遮断する。バンドパスフィルタ５０は例えば誘電体多層膜を含む。光ファイバブラッググレーティング６０は、光アイソレータ２３とコンバイナ７０との間に配置されており、被増幅光と異なる特定波長成分を選択的に反射させる一方、他の波長成分を透過させる。

図３は、この第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１に含まれる出力コリメータ１２の構成を説明するための図である。この図３には、出力コリメータ１２を構成する複数の部品が分解された状態で示されている。出力コリメータ１２は、光ファイバ１２０、エンドキャップ１２１、レンズ１２２、反射膜１２３及び光アイソレータ１２４を含む。この第１実施形態において、上述の第２制御手段は、光ファイバブラッググレーティング６０と反射膜１２３により構成されている。

光ファイバ１２０の一端は最終段のＹｂＤＦ４３と光学的に接続されており、光ファイバ１２０の他端にエンドキャップ１２１が設けられている。レンズ１２２は、エンドキャップ１２１から出力された光をコリメートする。反射膜１２３は、レンズ１２２によりコリメートされて出力された光を入力して、光ファイバブラッググレーティング６０の特定反射波長と同じ波長成分を反射する一方、他の波長成分を透過させる。この反射膜１２３は例えば誘電体多層膜から構成される。光アイソレータ１２４は、反射膜１２３から到達した光を外部へ通過させるが、逆方向には光を通過させない。

最終段のＹｂＤＦ４３の両端に設けられている光ファイバブラッググレーティング６０及び反射膜１２３は、被増幅光と異なる特定波長成分を選択的に反射させる一方、他の波長成分を透過させる光部品である。これら光ファイバブラッググレーティング６０及び反射膜１２３により構成された光共振器がＹｂＤＦ４３における利得を所定値以下となるように制御する。すなわち、この第１実施形態における第２制御手段は、光ファイバブラッググレーティング６０及び反射膜１２３により構成される。下流側に位置する反射膜１２３は、ＹｂＤＦ４３から出力された被増幅光がエンドキャップ１２１から出力した後の空間に設けられている。また、光ファイバブラッググレーティング６０反射膜１２３により反射される特定波長成分は、被増幅光の波長より短いのが好ましい。

当該光ファイバ増幅モジュール１は以下のように動作する。すなわち、励起光源８１から出力された励起光（９７５ｎｍ波長帯）は、光カプラ３１を経て順方向からＹｂＤＦ４１へ供給される。励起光源８２、８３から出力された励起光（９７５ｎｍ波長帯）は、偏波合成器３３により偏波合成される。そして、このように偏波合成された励起光は、光カプラ３２を経て順方向からＹｂＤＦ４２へ供給される。複数の励起光源８４から出力された励起光（９１５ｎｍ波長帯）は、コンバイナ７０を経て順方向からＹｂＤＦ４３へ供給される。

入力コネクタ１１に入力した被増幅光（波長１０６４ｎｍ）は、光アイソレータ２１及び光カプラ３１を経てＹｂＤＦ４１に入力され、このＹｂＤＦ４１において増幅される。ＹｂＤＦ４１において増幅された光は、光アイソレータ２２、バンドパスフィルタ５０及び光カプラ３２を経てＹｂＤＦ４２に入力され、このＹｂＤＦ４２においても増幅される。ＹｂＤＦ４２において増幅され光は、光アイソレータ２３、光ファイバブラッググレーティング６０及びコンバイナ７０を経てＹｂＤＦ４３に入力され、このＹｂＤＦ４３において更に増幅される。

ＹｂＤＦ４３において増幅された光は、最終的に出力コリメータ１２によりコリメートされ、当該光ファイバ増幅モジュール１の外部へ出力される。出力コリメータ１２において、ＹｂＤＦ４３から出力された光は、光ファイバ１２０及びエンドキャップ１２１を経て空間に出力される。この出力光は、レンズ１２２によりコリメートされた後、該コリメート光が反射膜１２３光アイソレータ１２４を経て当該光ファイバ増幅モジュール１の外部へ出力される。

すなわち、当該光ファイバ増幅モジュール１では、入力コネクタ１１を介して入力された被増幅光がＹｂＤＦ４１〜４３により増幅され、該増幅光が出力コリメータ１２からコリメート光として当該光ファイバ増幅モジュール１の外部へ出力される。例えば、パルス変調されたＹＡＧレーザやＬＤなどが種光源として入力コネクタ１１に結合され、出力コリメータ１２から出力された光は加工や計測に使われる。

図４は、この第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１に含まれる増幅用光ファイバのサンプルとして、上記ＹｂＤＦ４１〜４３それぞれの諸元を纏めた表である。なお、ＹｂＤＦ４１は、２５０ｄＢ／ｍの非飽和吸収ピークと、２．４μｍのコア径と、１２５μｍのクラッド径を有する。ＹｂＤＦ４２は、１８０ｄＢ／ｍの非飽和吸収ピークと、４．０μｍのコア径と、１２５μｍのクラッド径を有する。ＹｂＤＦ４３は、二重クラッド構造を有し、９ｄＢ／ｍの非飽和吸収ピークと、１５．０μｍのコア径と、１２５μｍのクラッド径（内側クラッド径）を有する。ＹｂＤＦ４３のみ非飽和吸収ピークが低いが、これはコア励起ではなくクラッド励起を想定しているためである。ＹｂＤＦ４３のクラッド径とは内側クラッド径を示す。ＹｂＤＦ４３では、内側クラッド４３ｂ１の外側に屈折率の低い樹脂の被覆（外側クラッド４３ｂ２）が設けられ、クラッド励起を可能にしている。また、バンドパスフィルタ５０の半値全幅は３ｎｍである。

種光源として最も高速変調が可能で安価なＬＤが適用された場合、高速変調可能な電流は１００ｍＡ程度である。その結果、ＬＤから出力される種光のパルスピークは精々２０〜３０ｍＷであることが多い。また、加工用レーザでは、パルス幅は１０ｎｓ〜１００ｎｓであって、繰返し周波数は１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲に設定されることが殆どである。例えば、パルス幅１０ｎｓであって繰返し周波数１０ｋＨｚであるとき、デューティ比は最小値（１／１００００）となる。また、パルス幅１００ｎｓであって繰返し周波数１００ｋＨｚであるとき、デューティ比は最大値（１／１００）となる。なお、デューティ比は「パルス幅／パルス周期」で定義される。種光源のピーク値が３０ｍＷのとき、種光源から出力される種光の平均光パワーは理想的には−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍの範囲で変化する。

図５及び図６それぞれは、第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１における光レベルの長手方向分布を示すグラフである。また、図７は、比較例に係る光ファイバ増幅モジュールにおける光レベルの長手方向分布を示すグラフである。比較例に係る光ファイバ増幅モジュールの構成は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１の構成からバンドパスフィルタ５０が除かれている。図５〜図７それぞれには、被増幅光のレベル分布（signal）、順方向の励起光のレベル分布（Pump-f）、逆方向の励起光のレベル分布（Pump-b）、順方向のＡＳＥ光のレベル分布（ASE-f）、及び、逆方向のＡＳＥ光のレベル分布（ASE-b）が示されている。図５及び図７には、入力コネクタ１１を介して入力される被増幅光の平均光パワーが−２５ｄＢｍである場合が示されている。図６には、入力コネクタ１１に入力される被増幅光の平均光パワーが−５ｄＢｍである場合が示されている。

図５に示されたように、この第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１において、入力コネクタ１１を介して入力される被増幅光の平均光パワーが−２５ｄＢｍである場合、出力コリメータ１２から出力される光の平均光パワーは２Ｗであり、デューティ比が１／１００００である。したがって、この場合の出力パルスピーク値は２０ｋＷとなる。一方、図６に示されたように、この第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１において、入力コネクタ１１を介して入力される被増幅光の平均光パワーが−５ｄＢｍである場合、出力コリメータ１２から出力される光の平均光パワーは１０Ｗを超え、デューティ比が１／１００である。したがって、この場合の出力パルスピーク値は１ｋＷとなる。いずれの場合も、パルスエネルギーは０.１ｍＪを超えるので、マーキングなどの加工を行うことができる。

これに対して、図７に示されたように、バンドパスフィルタ５０が取り除かれた比較例に係る光ファイバ増幅モジュールにおいて、入力コネクタ１１を介して入力される被増幅光の平均光パワーが−２５ｄＢｍである場合、出力コリメータ１２から出力される光の平均光パワーは７ｄＢ低くなる。すなわち、パルスピークパワーは４kＷ止まりで、パルスエネルギーとしては０.０４ｍＪとなり、用途は極めて限定される。

しかしながら、一般に、バンドパスフィルタは、誘電体多層膜で構成されており、ピークパワーの高いパルス光を入力されると破壊する可能性が極めて高い。市販のバンドパスフィルタの最大入力パワー許容値は０.５Ｗ〜１Ｗ程度である。したがって、入力コネクタ１１から光アイソレータ２２の出口に至るまでの利得は、常に１５ｄＢ（＝１Ｗ／３０ｍＷ）程度であることが望ましい。

このためには、特許文献１に記載されているように初段のＹｂＤＦ４１について自動利得一定制御（ＡＧＣ）をすることも考えられる。しかしながら、低いデューティ比を想定した場合、ピークパワーのみの検出が困難でかつ制御回路への帰還制御の時定数なども問題となり、ＡＧＣの適用は難しい。その対策として、入力される被増幅光の平均光パワーの全範囲（−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍ）において小信号利得状態になるように、ＹｂＤＦ４１について励起パワーとＹｂ濃度及び長さ、場合によっては被増幅光波長を最適化する方式が考えられる。具体的には、ＹｂＤＦ４１の非飽和吸収条長ピークは１０００ｄＢ以下であるのが望ましい。

光活性物質としてＥｒ元素が光導波領域に添加された増幅用光ファイバ（ＥＤＦ:Erbium-Doped Fiber）の場合、励起寿命は１０ｍｓと長い。そのため、図８に示されたように、入力される被増幅光のパワーが５ｄＢｍにも達してしまうと、利得の飽和が始まり、−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍのダイナミックレンジいのける利得の大きさは、非特許文献２に記載された波長１５６７ｎｍといえども大幅に変動する。これに対して、ＹｂＤＦの場合、励起寿命が１ｍｓ前後と短いので、入力される被増幅光のパワーが−５ｄＢｍに達しても、小信号利得状態を維持することが可能である。なお、図８は、ＥＤＦの利得スペクトルである。また、図８には、入力レベルが−２５ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−２５））、入力レベルが−２０ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−２０））、入力レベルが−１５ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−１５））、入力レベルが−１０ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−１０））、及び、入力レベルが−５ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−５））それぞれ示されている。

図９の領域（ａ）は、初段のＹｂＤＦ４１の利得スペクトルであり、図９の領域（ｂ）その一部領域の拡大図である。波長１０６４ｎｍでの利得は２０ｄＢである。入力コネクタ１１から光アイソレータ２２まで、光アイソレータ２個分と少なくとも４箇所の融着接続点とが含まれる。ここで、１０６４ｎｍ波長帯における光アイソレータ挿入損の仕様は２ｄＢ／個であり、融着ロスが１箇所あたり０.２ｄＢ〜０.４ｄＢ程度であることを考えると、入力される被増幅光の平均光パワーが−２５ｄＢｍ〜−５ｄＢｍの範囲であれば、この間の利得は１５ｄＢ程度に保たれることが判る。なお、図９の領域（ａ）及び領域（ｂ）には、入力レベルが−２５ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−２５））、入力レベルが−２０ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−２０））、入力レベルが−１５ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−１５））、入力レベルが−１０ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−１０））、及び、入力レベルが−５ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−５））それぞれ示されている。

バンドパスフィルタ５０は初段のＹｂＤＦ４１の直後のみに挿入されるのが好ましい。この理由は、バンドパスフィルタ５０の最大入力パワーによる制約があること、及び、最終段のクラッド励起されるＹｂＤＦ４３の利得一定化に寧ろ有利であることに因る。後者の理由については、図１０に実例が示されている。

図１０は、最終段のＹｂＤＦ４３の利得スペクトルである。バンドパスフィルタ５０は、初段のＹｂＤＦ４１と第２段のＹｂＤＦ４２との間のみに設けられているので、第２段のＹｂＤＦ４２内で発生したＡＳＥ光は、最終段のＹｂＤＦ４３に注入される。その結果、図５及び図６に示されたように、入力される被増幅光の平均パワーが−２５ｄＢｍであるとき、第２段のＹｂＤＦ４２から出力される被増幅光のパワーは２０ｄＢｍを下回る。一方で、順方向ＡＳＥ光のパワーが２５ｄＢｍ近いので、結局、ＹｂＤＦ４３から見た平均入力パワーは、平均入力パワーが−２５ｄＢｍでも−５ｄＢｍでも大きな差が生じない。その結果、図１０に示されたとおり、波長１０６４ｎｍでの最終段のＹｂＤＦ４３の利得は１７ｄＢ〜１８ｄＢとなり、上述の２０ｄＢを超えることは無い。ここで、図１０には、入力レベルが−２５ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−２５））、入力レベルが−２０ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−２０））、入力レベルが−１５ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−１５））、入力レベルが−１０ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−１０））、及び、入力レベルが−５ｄＢのときの利得スペクトル（Ｇ（−５））それぞれ示されている。さらに、この図１０には、異常動作時（励起光源が劣化した状態）と当該実施形態における利得スペクトルも示されている。

なお、以上は正常動作時の場合に限った話である。例えば励起光源８２、８３の双方またはいずれか一方が劣化して、励起光源８２、８３からの出力パワーが１００ｍＷに劣化した場合、図１０に示されるとおり、波長１０６４ｎｍでの利得は３０ｄＢを超えてしまう。その結果、波長１０４０ｎｍ付近でモード競合した発振が生じ、励起光源等の光部品の破壊につながる危険がある。

この最悪の事態を防ぐには、最終段のＹｂＤＦ４３の両端に、波長１０４０ｎｍにおいてにて反射率２２ｄＢを有する反射手段として、光ファイバブラッググレーティング６０及び反射膜１２３を設けるのが望ましい。特に、出力側の反射手段としての反射膜１２３は、損傷する可能性が大きいので、ビーム径が広げられた後の空間部品として挿入されるのが望ましい。また、このような特定波長の光を反射させる反射手段による利得の上限を与える制御方式は、最上流のＹｂＤＦ４１に適用されても良い。

（第２実施形態）
図１１は、この発明に係る光ファイバ増幅モジュールの第２実施形態における主要部分の構成を示す図である。この第２実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール２の基本構成は、上述の第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１と同じである。しかしながら、この第２実施形態における第１制御手段フィードバック構成を備える点で、該第１実施形態と異なる。なお、この図１１では、バンドパスフィルタ５０から下流側の構成は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１と同じであり、図示が省略されている。

上述のように、入力コネクタ１１から光アイソレータ２２に至るまでの利得は１５ｄＢ程度にとどまることが望ましい。ところが、デューティ比の低い被増幅光の入出力を精度よくモニタすることは困難である。そこで、この第２実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール２は、図１１に示されたように、光アイソレータ２２とバンドパスフィルタ５０の間に配置された、ＹｂＤＦ４１ないで発生したＡＳＥ光のうち特定波長成分のみを選択的に反射する光フィルタ１０１と、この光フィルタ１０１により反射された特定波長成分は受光する受光素子（ＰＤ）１０２と、励起光源８１から出力される励起光パワーを制御する制御回路１０３を備える。これら光フィルタ１０１、受光素子１０２、制御回路１０３、及び励起光源８１により、第１制御手段が構成されている。

この第２実施形態において、制御回路１０３は、光フィルタ１０１から反射された特定波長成分を受光素子１０２によりモニタする。そして、受光素子１０２から得られるモニタ値が予め設定された値を超えると、該制御回路１０３は、その超過量に応じて励起光源８１の供給電流を下げるようフィードバック制御する。このとき、モニタすべき特定波長成分は、図１０に示されたように、ＡＳＥ光ピークの存在する１０４０ｎｍ付近が適している。これは、ＹｂＤＦ４１における利得の変化に対して敏感であるとともに、該利得の絶対値も大きいからである（検出が容易）。

以上のように、この第２実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール２よれば、デューティ比の低い信号光（被増幅光）をモニタすることなく、容易に利得を確保できるとともに、バンドパスフィルタ５０を効果的な保護が可能になる。

（第３実施形態）
図１２は、この発明に係る光ファイバ増幅モジュールの第３実施形態における主要部分の構成を示す図である。この第３実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール３の基本構成も、上述の第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１と同じである。しかしながら、この第３実施形態における第１制御手段は、デューティ比の低い信号光（被増幅光）をモニタすることなく励起光光源８１の保護を可能にする構成を備えた点で、上述の第１及び第２実施形態と異なる。なお、この図１２でも、図１１と同様に、バンドパスフィルタ５０から下流側の構成は、第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール１と同じであり、図示が省略されている。

この第３実施形態に係る光ファイバ増幅モジュール２では、図１２に示されたように、第１制御手段が、ＹｂＤＦ４１の両端に配置された光ファイバブラッググレーティング１０４、１０５により構成され、また、これら光ファイバブラッググレーティング１０４、１０５は共振器を構成している。

光ファイバブラッググレーティング１０４、１０５の反射率は、入力コネクタ１１から光アイソレータ２２に至るまでの利得が１５ｄＢ程度を超えると発振が始まるよう設定される。また、これら光ファイバブラッググレーティング１０４、１０５それぞれの中心反射波長は、１０４０ｎｍ付近に設定されるのが好ましい。

以上の説明から、この発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、この発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

この発明に係る光ファイバ増幅モジュールの第1実施形態の構成を示す図である。 第1実施形態に係る光ファイバ増幅モジュールにおける最終段の増幅用光ファイバ（ＹｂＤＦ４３）の断面構造を示す図及びその屈折率プロファイルである。 第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュールに含まれる出力コリメータの構成を説明するための図である。 第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュールに含まれる増幅用光ファイバ（ＹｂＤＦ４１〜４３）それぞれの諸元を纏めた表である。 第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュールにおける光レベルの長手方向分布を示すグラフである。 第１実施形態に係る光ファイバ増幅モジュールにおける光レベルの長手方向分布を示すグラフである。 比較例に係る光ファイバ増幅モジュールにおける光レベルの長手方向分布を示すグラフである。 ＥＤＦの利得スペクトルである。 初段の増幅用光ファイバ（ＹｂＤＦ４１）の利得スペクトル及びその一部領域の拡大図である。 最終段の増幅用光ファイバ（ＹｂＤＦ４３）の利得スペクトルである。 この発明に係る光ファイバ増幅モジュールの第２実施形態における主要部分の構成を示す図である。 この発明に係る光ファイバ増幅モジュールの第３実施形態における主要部分の構成を示す図である。

符号の説明

１、２、３…光ファイバ増幅モジュール、１１…入力コネクタ、１２…出力コリメータ、２１〜２３…光アイソレータ、３１，３２…光カプラ、３３…偏波合成器、４１〜４３…ＹｂＤＦ、５０…バンドパスフィルタ、６０、１０４、１０５…光ファイバブラッググレーティング、７０…コンバイナ、８１〜８４…励起光源、１０１…反射フィルタ、１０２…受光素子（ＰＤ）、１０３…制御回路、１２０…光ファイバ、１２１…エンドキャップ、１２２…レンズ、１２３…反射膜、１２４…光アイソレータ。

Claims (9)

1. １％以下のデューティ比を有する光を入力するための入力端と、
   前記入力端を介して取り込まれた入力光を増幅することにより得られる増幅光を出力するための出力端と、
   前記入力端から前記出力端へ到る光伝搬経路に沿って縦列に配置された、入力光をそれぞれ増幅する複数の増幅用光ファイバと、
   前記入力端を介して取り込まれた入力光を選択的に通過させるための光フィルタであって、前記複数の増幅用光ファイバのうち、前記入力端を通過した入力光が最初に通過する初段の増幅用光ファイバと、前記初段の増幅用光ファイバから出力された増幅光が最初に通過する第２段の増幅用光ファイバとの間に設けられた光フィルタと、そして、
   前記初段の増幅用光ファイバにおける入力光に対する利得を第１所定値以下となるように設定する第１制御手段を備えた光ファイバ増幅モジュール。
2. 前記増幅用光ファイバは温度調整された環境下に設置されるとともに、この環境下において前記増幅用光ファイバの吸収条長積は特定値に最適化されており、そして、
   前記第１制御手段は、前記初段の増幅用光ファイバに供給される励起光のパワーを一定に維持するよう、前記励起光を供給する励起光源を制御することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅モジュール。
3. 前記第１制御手段は、前記初段の増幅用光ファイバから出力されるＡＳＥ光のうち入力光以外の波長成分をモニタし、前記モニタ値に応じて前記初段の増幅用光ファイバに供給される励起光のパワーを制御することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅モジュール。
4. 前記第１制御手段は、前記初段の増幅用光ファイバの光入力端及び光出力端の双方配置された、入力光を透過する一方、入力光波長周辺の特定の波長成分を選択的に反射するための２つの反射手段を含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅モジュール。
5. 前記複数の増幅用光ファイバのうち、前記出力端に最も近い位置に配置された最終段の増幅用光ファイバにおける入力光に対する利得を、第２所定値以下となるように設定する第２制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ増幅モジュール。
6. 前記第２制御手段は、前記最終段の増幅用光ファイバを挟むように配置された、入力光を透過する一方、入力光波長周辺の特定の波長成分を選択的に反射させるための２つの反射手段を含むことを特徴とする請求項５記載の光ファイバ増幅モジュール。
7. 前記２つの反射手段のうち、入力光の伝搬方向から見て下流側に位置する反射手段は、前記最終段の増幅用光ファイバから出力された増幅光が伝搬する、前記最終段の増幅用光ファイバと前記出力端との間の空間中に配置されていることを特徴とする請求項６記載の光ファイバ増幅モジュール。
8. 前記選択的に反射される特定波長成分は、入力光に含まれる波長成分のいずれよりも短い波長であることを特徴とする請求項６記載の光ファイバ増幅モジュール。
9. １％以下のデューティ比を有する光を入力するための入力端と、
   前記入力端を介して取り込まれた入力光を増幅することにより得られる増幅光を出力するための出力端と、
   前記入力端から前記出力端へ到る光伝搬経路に沿って縦列に配置された、入力光をそれぞれ増幅する複数の増幅用光ファイバであって、それぞれＹｂ元素が添加された複数の増幅用光ファイバと、そして、
   前記入力端を介して取り込まれた入力光を選択的に通過させるための光フィルタであって、前記複数の増幅用光ファイバのうち、前記入力端を通過した入力光が最初に通過する初段の増幅用光ファイバと、前記初段の増幅用光ファイバから出力された増幅光が最初に通過する第２段の増幅用光ファイバとの間に設けられた光フィルタとを備えた光ファイバ増幅モジュールであって、
   前記初段の増幅用光ファイバは、前記初段の増幅用光ファイバ内を伝搬する光に対して１０００ｄＢ以下の非飽和吸収条長積を有することを特徴とする光ファイバ増幅モジュール。

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