JP2008182072A - Fiber amplifier - Google Patents
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Description
本発明は、ファイバ増幅器に関する。 The present invention relates to a fiber amplifier.
波長が2μm近傍の赤外光を発生または増幅するには、希土類元素であるTm3+(ツリウムイオン)を添加したファイバが用いられる。Tm3+は793nmを極大とする800nm近傍に吸収特性を有するので、この波長の光を放射する半導体レーザを励起光源とすることができる。この励起光源によりポンピングされ、例えば3H4から3H6へのエネルギー準位間の遷移によって波長が2μm近傍のレーザ光が増幅される。 In order to generate or amplify infrared light having a wavelength in the vicinity of 2 μm, a fiber added with Tm 3+ (thulium ion) which is a rare earth element is used. Since Tm 3+ has an absorption characteristic in the vicinity of 800 nm where 793 nm is a maximum, a semiconductor laser that emits light of this wavelength can be used as an excitation light source. Pumped by this excitation light source, for example, a laser beam having a wavelength of about 2 μm is amplified by a transition between energy levels from 3 H 4 to 3 H 6 .
Tm及びNd(ネオジム)をコアに添加した光ファイバを利得媒体とし、1.47μm帯の光を増幅する光増幅器の技術開示例がある(特許文献1)。この技術開示例では、Tmによる光増幅時に発生する波長800nm帯の自然放出(ASE:Amplified Spontaneous Emission)光をNdに吸収させ、1470nm帯の光の増幅を効率よく行う。
しかしながら、高出力増幅を行うためにファイバの両端から励起を行う場合、入射端では信号光の入力は小さく励起されたエネルギーを有効に増幅光として取り出すことができず、余ったエネルギーがノイズ成分となるASE光や寄生発振となりエネルギー効率を低下させる。本発明は、ファイバに励起されたエネルギーを効率よく取り出すファイバ増幅器を提供する。 However, when pumping from both ends of the fiber to perform high-power amplification, the input light of the signal light is small at the incident end, and the excited energy cannot be extracted effectively as amplified light, and the surplus energy is regarded as a noise component. ASE light or parasitic oscillation becomes lower and energy efficiency is lowered. The present invention provides a fiber amplifier that efficiently extracts energy excited in a fiber.
本発明の一態様によれば、コアに希土類元素が添加されたファイバと、前記ファイバの一方の端部に入射させる第1の励起光を発生する第1の励起光源と、前記ファイバの他方の端部に入射させる第2の励起光を発生する第2の励起光源と、を備え、前記希土類元素の吸収係数は、前記第2の励起光の波長において前記第1の励起光の波長におけるよりも大きく、前記一方の端部に入射した信号光は、前記第1及び第2の励起光により励起された前記希土類元素により増幅され、前記他方の端部から出射されることを特徴とするファイバ増幅器が提供される。 According to one aspect of the present invention, a fiber in which a rare earth element is added to a core, a first excitation light source that generates a first excitation light incident on one end of the fiber, and the other end of the fiber A second excitation light source that generates second excitation light incident on the end portion, and the rare earth element has an absorption coefficient that is greater than that at the wavelength of the first excitation light at the wavelength of the second excitation light. The signal light incident on the one end is amplified by the rare earth element excited by the first and second excitation light and emitted from the other end. An amplifier is provided.
本発明により、ファイバに励起されたエネルギーを効率よく取り出すファイバ増幅器が提供される。 The present invention provides a fiber amplifier that efficiently extracts energy excited in a fiber.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の実施の形態にかかるファイバ増幅器の構成図を表す。コアにTm3+が添加されシリカを含むファイバ20は、信号光30の入射端22及び増幅光32の出射端24を有する。波長2μm近傍の赤外光である信号光30はダイクロイックプリズム40を通過し、入射端22に入射される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a fiber amplifier according to an embodiment of the present invention. The
第1の励起光源50からの第1の励起光34(波長λ1)は、ダイクロイックプリズム40により90度に折り曲げられて入射端22からファイバ20へ入射する。他方、第2の励起光源52からの第2の励起光36(波長λ2)は、ダイクロイックプリズム42により90度に折り曲げられて出射端24からファイバ20に入射する。このようにダイクロイックプリズム40、42は、信号光30及び増幅光32を通過させ、励起光34及び36を反射させる波長選択性を有する。
The first excitation light 34 (wavelength λ1) from the first
励起光源50、52としては、例えば波長が800nm近傍である半導体レーザを用いることができる。ここでTm3+のエネルギー準位について説明する。図2はTm3+のエネルギー準位図の一例である。800nm近傍の波長を有する励起光源50、52によりポンピングされたTm3+は、3H4から3H6へのエネルギー準位間の遷移によって2μm近傍の波長を有するレーザ光を誘導放出する。
As the
このために、信号光30が増幅され、信号光30と同一の波長を有する増幅光32となってファイバ20の出力端24から、ダイクロイックプリズム42を介して外部へ取り出される。なお、エネルギー準位図はこれに限定されず、3F4から3H6への遷移によって2μm近傍のレーザ光を誘導放出する場合もある。
For this purpose, the
図3は、本実施形態におけるファイバ20の利得または損失分布を表すグラフ図である。縦軸は利得または損失、横軸はファイバ長さ方向位置でありP1は入射端22、P2は出射端24を表す。ドット線で表される前方励起の利得は、入射端22から入射された励起光34によりTm3+が励起されて生じる。
FIG. 3 is a graph showing the gain or loss distribution of the
また、破線で表される後方励起の利得は、出射端24から入射された励起光36によりTm3+が励起されて生じる。前方励起の利得及び後方励起の利得の和が、実線で表す両側励起の利得である。利得は、入射端22からファイバ20の中間部に向かって低下し、ファイバ20の中間部から出射端24に向かって増大し、出射端24において最大となる。
The backward pumping gain represented by the broken line is generated by exciting Tm 3+ by the pumping
本実施形態において、希土類元素の吸収係数を、後方励起の励起光52の波長λ2において前方励起の励起光50の波長λ1におけるより大きくする(λ1≠λ2)。すなわち、前方励起及び後方励起を異なる波長により行う2波長ハイブリッド励起とする。
In the present embodiment, the absorption coefficient of the rare earth element is made larger at the wavelength λ2 of the backward
図4は、800nm近傍の波長におけるTm3+添加シリカファイバの吸収スペクトルを表すグラフ図であり、縦軸は断面積(10−25m2)、横軸は波長(nm)である。この吸収は3H6から3H4、3F4、3F2,3などへの遷移を生じ、吸収の断面積は波長793nmにおいて約10×10−25m2と極大となる。すなわち、吸収係数が極大となり励起されるエネルギーも極大となる。図4の励起波長範囲内において、λ1及びλ2を設定する。 FIG. 4 is a graph showing the absorption spectrum of a Tm 3+ doped silica fiber at a wavelength near 800 nm, where the vertical axis represents the cross-sectional area (10 −25 m 2 ) and the horizontal axis represents the wavelength (nm). This absorption causes a transition from 3 H 6 to 3 H 4 , 3 F 4 , 3 F 2 , 3, etc., and the absorption cross section becomes a maximum of about 10 × 10 −25 m 2 at a wavelength of 793 nm. That is, the absorption coefficient is maximized and the excited energy is also maximized. Within the excitation wavelength range of FIG. 4, λ1 and λ2 are set.
次に、図3において一点鎖線で表す吸収損失について説明する。Tm3+は波長2μm近傍において発光を生じることができるが、吸収も存在する。図5は、Tm3+による発光及び吸収を表すグラフ図である。縦軸は断面積(10−25m2)、横軸は波長(nm)である。波長が1900〜1982nmにおいて、発光及び吸収の断面積は波長の増大につれて低下する。例えば1920nmにおいて、発光断面積は約4.8×10−25m2であるのに対して、吸収も約0.7×10−25m2であるように2μm近傍において吸収も生じる。 Next, the absorption loss represented by the alternate long and short dash line in FIG. 3 will be described. Tm 3+ can emit light in the vicinity of a wavelength of 2 μm, but there is also absorption. FIG. 5 is a graph showing light emission and absorption by Tm 3+ . The vertical axis represents the cross-sectional area (10 −25 m 2 ), and the horizontal axis represents the wavelength (nm). At wavelengths between 1900 and 1982 nm, the emission and absorption cross sections decrease with increasing wavelength. For example, at 1920 nm, the emission cross-sectional area is about 4.8 × 10 −25 m 2 , whereas the absorption also occurs in the vicinity of 2 μm so that the absorption is about 0.7 × 10 −25 m 2 .
すなわち、信号光30の波長においても、この吸収断面積に対応した吸収損失が存在し、ファイバ20の長さ方向にわたって略平坦に分布する。このために、Tm3+による利得から吸収損失を減じた正味の利得が増幅に寄与することになる。本実施形態は、正味の利得がプラスとなる領域を広く設定する。特に、ファイバ20の全域にわたって正味の利得をプラスとすると信号光30の吸収が低減されより好ましい。
That is, even at the wavelength of the
図3に表す2波長ハイブリッド励起である本実施形態のファイバ増幅器は、信号光30の増大に伴った利得分布である。このために、入射端22側において入射する信号光30に対して適正な励起強度とでき、ASE光や寄生発振によるエネルギー効率の低下を抑制できる。
The fiber amplifier of the present embodiment that is the two-wavelength hybrid pumping shown in FIG. 3 has a gain distribution accompanying an increase in the
また、吸収係数が小さすぎると励起が不十分となり信号光30を吸収し増幅率を低下させるが、本実施形態では正味の利得のプラスである範囲が広いので増幅率の低下を抑制できる。正味の利得をファイバ20の全域においてプラスと設定すると増幅率の低下を一層抑制でき、ファイバ20の長さを短くできる。
Further, if the absorption coefficient is too small, excitation becomes insufficient and the
さらに、後方励起の波長λ2における吸収係数は、前方励起の波長λ1におけるより大きいので、出射端24側においてファイバ20の励起を入射端22側より強くし、励起されたエネルギーを効率よく増幅光32として取り出すことができ、高いファイバ出力とできる。
Further, since the absorption coefficient at the wavelength λ2 of the backward pumping is larger than that at the wavelength λ1 of the forward pumping, the excitation of the
次に、本実施形態のうち、808nmの前方励起および793nmの後方励起を組み合わせた2波長ハイブリッド励起について説明する。図6は、ファイバ出力の励起入力依存性を表すグラフ図である。縦軸はファイバ出力(W)、横軸は励起出力(W)である。図6において、本実施形態である2波長ハイブリッド励起の場合を●印、793nmの前方励起を◆印、793nmの後方励起を■印でそれぞれ表す。さらに、793nmによる両側励起を▲印で表す。 Next, two-wavelength hybrid excitation combining 808 nm forward excitation and 793 nm backward excitation will be described. FIG. 6 is a graph showing the dependence of fiber output on pumping input. The vertical axis represents fiber output (W), and the horizontal axis represents pumping output (W). In FIG. 6, the case of the two-wavelength hybrid excitation according to the present embodiment is indicated by ●, the forward excitation at 793 nm is indicated by ◆, and the backward excitation at 793 nm is indicated by ■. Further, double-sided excitation at 793 nm is represented by ▲.
ここでは、吸収スペクトルが極大となる793nm近傍を後方励起の励起光36の波長λ2として設定し、前方励起の励起光34の波長λ1として吸収の断面積が極大値の70%以下と設定する。λ1における吸収の断面積が70%より大きいと、信号光30を増幅しても励起されたエネルギーがまだ残ることがあるので70%以下とすることが好ましい。図6の本実施形態(●印)におけるλ1は808nmとする。
Here, the vicinity of 793 nm where the absorption spectrum is maximized is set as the wavelength λ2 of the
また、図7は800nm近傍の波長で吸収係数が極大となる793nmの波長を有する励起光源50、52による励起である比較例における利得及び吸収損失の分布を模式的表すグラフ図である。前方励起はドット線、後方励起は破線、両側励起は実線、吸収損失は一点鎖線にてそれぞれ表す。なお、吸収損失はファイバ20の長さ方向位置に依存すること無く略一定とする。
FIG. 7 is a graph schematically showing the distribution of gain and absorption loss in the comparative example, which is excitation by the
まず図6において、793nm前方励起のファイバ出力(◆)は、励起入力が85Wで約2.5Wと低い。この場合、利得は図7のドット線で表されるように、入射端22で最大となり入射端22からの長さ方向位置と共に低下する。ファイバ20の中間部近傍から出射端24までの領域では正味の利得がマイナスとなり信号光30が増幅されなくなる。また、入射端22における信号光30の信号レベルは小さいので、793nmで強く励起されたエネルギーを十分に増幅光へ変換できず、低エネルギー効率となる。さらに、出射端24側では励起されたエネルギーは小さいために高いファイバ出力が得られない。
First, in FIG. 6, the fiber output (♦) of 793 nm forward pumping is as low as about 2.5 W when the pumping power is 85 W. In this case, the gain becomes maximum at the
また、793nmの後方励起のファイバ出力(■)は、励起入力が85Wで約7Wであり前方励起より高い。しかしながら、図7に破線で表すように入射端22からの前方励起がないために、入射端22から中間部近傍において正味の利得がなく信号光30がこの領域において増幅されない。正味の利得はファイバ中間部近傍においてプラスに転じ、出射端24に向かって増加し、出射端24において最大となる。励起光36の波長は吸収係数が極大となる793nmであるので、出射端24近傍において強く励起されたエネルギーを外部に取り出すことができ、前方励起よりは高いファイバ出力の7Wが得られる。
Further, the fiber output (■) of the backward pumping at 793 nm is about 7 W when the pumping input is 85 W, which is higher than the forward pumping. However, as indicated by the broken line in FIG. 7, there is no forward pumping from the
また、793nmによる両側励起のファイバ出力(▲)は、励起入力が165Wで約8.5Wであり、励起入力が130Wを越えると飽和気味となる。この場合、入射端22において励起が強いために励起入力が70W以下の領域においてファイバ出力を高くできる。しかしながら入射端22側での励起が強すぎ、信号光30を増幅してもなおエネルギーが残る。残ったエネルギーがASE光や寄生発止を生じ、エネルギー効率を低下させ、図6のようにファイバ出力を約8.5W近傍で飽和させる。
Further, the fiber output (両 側) of both-side excitation by 793 nm is about 8.5 W when the excitation input is 165 W, and becomes saturated when the excitation input exceeds 130 W. In this case, since the excitation at the
これらに対して、793nmの波長による前方励起及び808nmの後方励起を組み合わせた2波長ハイブリッド励起である本実施形態(●)のファイバ出力は、励起入力が175Wで約13.5Wである。この場合、808nmでは吸収の断面積が2.3×10−25m2と極大値の約23%であり、図3のように、入射端22において励起を押さえることができる。このためにASE光や寄生発振を抑制し高いエネルギー効率とできる。
On the other hand, the fiber output of this embodiment (●), which is a two-wavelength hybrid pump that combines forward pumping with a wavelength of 793 nm and backward pumping of 808 nm, is approximately 13.5 W with a pump input of 175 W. In this case, at 808 nm, the cross-sectional area of absorption is 2.3 × 10 −25 m 2 , which is about 23% of the maximum value, and excitation can be suppressed at the
また、ファイバ20の出射端24に近いほど励起光36が大きくTm3+は強く励起され、かつ吸収係数が極大となる波長793nmで励起される。このために図4の励起波長範囲において、ファイバ20に励起されるエネルギーは最大となり、出射端24において励起を最大とでき、ファイバ20に励起されたエネルギーは効率よく増幅光32へ変換でき、約13.5Wと高いファイバ出力を得ることができる。
Further, the closer to the
なお、信号光30が15〜30kHzの繰り返し周波数によりパルス変調されていると、高いピーク値を有するパルス変調された増幅光32を得ることができる。
When the
ここで、図6のような高いファイバ出力を得るための励起光源50、52について説明を補足する。複数の半導体レーザからのレーザ光は集光され伝送ファイバへ入射する。または、ダブルクラッドファイバを用い複数の半導体レーザが入射した伝送ファイバを束ねて融着してもよい。このように並列に配置された複数の半導体レーザをパルス動作させるとより高いピーク励起入力を得ることができ、Tm3+添加のファイバ20をより強く励起することができる。
Here, a supplementary description will be given of the
以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれに限定されない。ファイバ増幅器を構成する希土類元素、ファイバ、励起光源などの材質、サイズ、形状、配置に関して当業者が各種設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to this. Even if those skilled in the art have made various design changes regarding the material, size, shape, and arrangement of rare earth elements, fibers, excitation light sources, etc. constituting the fiber amplifier, they are included in the scope of the present invention without departing from the gist of the present invention. Is done.
20 ファイバ、22 入射端、24 出射端、30 信号光、32 増幅光、34 励起光、36 励起光、50 励起光源、52 励起光源 20 fiber, 22 entrance end, 24 exit end, 30 signal light, 32 amplified light, 34 excitation light, 36 excitation light, 50 excitation light source, 52 excitation light source
Claims (5)
前記ファイバの一方の端部に入射させる第1の励起光を発生する第1の励起光源と、
前記ファイバの他方の端部に入射させる第2の励起光を発生する第2の励起光源と、
を備え、
前記希土類元素の吸収係数は、前記第2の励起光の波長において前記第1の励起光の波長におけるよりも大きく、
前記一方の端部に入射した信号光は、前記第1及び第2の励起光により励起された前記希土類元素により増幅され、前記他方の端部から出射されることを特徴とするファイバ増幅器。 A fiber with a rare earth element added to the core;
A first excitation light source that generates first excitation light that is incident on one end of the fiber;
A second excitation light source for generating second excitation light to be incident on the other end of the fiber;
With
An absorption coefficient of the rare earth element is larger at a wavelength of the second excitation light than at a wavelength of the first excitation light;
The fiber amplifier, wherein the signal light incident on the one end is amplified by the rare earth element excited by the first and second excitation lights and is emitted from the other end.
The fiber amplifier according to claim 1, wherein the rare earth element is thulium.
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