JP2009290203A - 光増幅モジュールおよびレーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトダークニングの効果的な抑制と効率的な光増幅を可能にするための構造を備えた光増幅モジュールを提供する。
【解決手段】光増幅モジュール3Aは、主成分としてリン酸塩系ガラスからなり、Ｙｂ元素添加の第１光導波領域を含む第１光増幅導波路41と、第１光増幅導波路41と光学的に結合され、かつ、Ａｌ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第２光導波領域を含む第２光増幅導波路43と、第１光増幅導波路41および第２光増幅導波路43それぞれに励起光を供給する励起光源部21,23を備える。第１光増幅導波路43に入力された被増幅光は、第１光増幅導波路41および第２光増幅導波路43において励起光を用いて１度のみ増幅される。
【選択図】図２

Description

本発明は、被増幅光を増幅する光増幅モジュール、および、このような光増幅モジュールを備えたレーザ光源装置に関するものである。

超微細加工等の産業においては、スポットサイズが小さい光を出力するレーザ光源が求められている。このようなレーザ光源が、特に半導体や電気部品の加工等に代表される産業用途に実用的に用いられるためには、レーザ光の短パルス化および高出力化の達成が必要である。すなわち、ナノ秒オーダーのパルス幅とｋＷを上回るピークパワーとを持つ光を出力するレーザ光源を実現する必要がある。

スポットサイズが小さい光を出力するレーザ光源の実現においては、光増幅媒体そのものが導波路構造となるタイプのレーザ光源が採用され得る。しかしながら、このようなレーザ光源の場合、少なくとも数ｍの長さを有する導波路構造が必要であるため伝搬遅延が発生する。その結果、Ｑスイッチなどの共振構造を有するレーザ光源では、パルス幅が１００ｎｓに達してしまう。

上述の問題を解消するとともに、パルス幅を１０ｎｓまたは１ｎｓ、あるいはそれ以下にするレーザ光の短パルス化を実現するため、モードロックした固体レーザ光源や、直接変調されたレーザダイオードを種光源とし、その出力光を単一パスで増幅するＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）構造が用いられている。特に、コスト低減やパルス周期の自由度の高さの観点から、直接変調されたレーザダイオードを種光源に用いる光増幅を行うＭＯＰＡ構造が採用されている。

一方、レーザ光の高出力化には、レーザ遷移に関係する２準位より上の準位が存在しないため、アップコンバージョンによる吸収が生じないＹｂ元素を光導波領域に添加するとともに、フォトダークニングを抑制する様々な方法が採用されている。

上述の技術は、例えば特許文献１および特許文献２に記載されている。

特許文献１には、反転分布率の高い部分にはＹｂ元素濃度の低いＹｂ元素添加ファイバ（以下、ＹｂＤＦ）を使用し、反転分布率の低い部分にはＹｂ元素濃度の高いＹｂＤＦを使用する光増幅モジュールが開示されている。具体的には、Ｙｂ元素がコア領域に添加された第１光増幅媒体と、第１光増幅媒体に融着接続されているとともに第１光増幅媒体より高い濃度でＹｂ元素がコア領域に添加されている第２光増幅媒体とを備え、第１光増幅媒体に入力された被増幅光を第１および第２の光増幅媒体それぞれにおいて増幅する光増幅モジュールが開示されている。

また、特許文献２には、比較的低濃度でＹｂ元素が添加された第１ファイバセクションと、比較的高濃度でＹｂ元素が添加された第２ファイバセクションとを備え、第１ファイバセクションに入力された被増幅光が第１および第２のファイバセクションそれぞれにおいて増幅されるファイバレーザ光源が開示されている。

特開２００７−１９４５０１号公報 米国特許出願公開第２００７／００５３４００号明細書

発明者らは、従来のレーザ光源について検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、特許文献１および特許文献２に開示された光増幅モジュールおよびファイバレーザ光源では、フォトダークニングの抑制を図るために光増幅導波路（光増幅媒体またはファイバセクション）へのＹｂ元素の添加濃度を減少させている。しかしながら、これら従来技術では、濃度の低いＹｂＤＦを利用するためＹｂＤＦの総長が長くなり、収納容易性、低コスト化等の面において不利である。そのため、フォトダークニングの効果的な抑制と効率的な光増幅を達成することができないという課題があった。

本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、フォトダークニングの効果的な抑制と効率的な光増幅を実現するための構造を備えた光増幅モジュールおよびレーザ光源装置を提供することを目的といている。

上述の課題を解決するため、本発明に係る光増幅モジュールは、第１光増幅導波路と、第１光増幅導波路に光学的に結合された第２光増幅導波路と、励起部を備える。第１光増幅導波路と第２光増幅導波路は、被増幅光が第１光増幅導波路、第２光増幅導波路の順に伝搬するよう配置されており、励起部は、これら第１および第２光増幅導波路それぞれに励起光を供給する。また、第１光増幅導波路は、主成分として石英系ガラスからなり、Ｐ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第１光導波領域を含む。第２光増幅導波路は、Ａｌ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第２光導波領域を含む。なお、第１光増幅導波路に入力された被増幅光は、第１光増幅導波路および第２光増幅導波路それぞれにおいて励起光を用いて１度のみ増幅される。

本発明に係る光増幅モジュールの他の構成において、第１光増幅導波路は、主成分としてリン酸塩系ガラスからなり、Ｙｂ元素添加の第１光導波領域を含んでもよい。この構成においても、第２光増幅導波路は、Ａｌ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第２光導波領域を含む。

上述のような構成を有する本発明に係る光増幅モジュールでは、反転分布率が低い部分にＡｌ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第２光導波領域を含む第２光増幅導波路が設けられ、反転分布率が高い部分にＰ元素を含むＹｂ元素添加の第１光導波領域を含む第１光増幅導波路が設けられている。このように、光増幅モジュールの励起効率（励起パワー入力に対する被増幅光のパワー比）を支配的に決定する反転分布率が低い部分（増幅光の出力端側）に励起効率が高い第２光増幅導波路を配置することで、当該光増幅モジュールの励起効率の劣化が回避され得る。

反転分布率が高いためにフォトダークニングが起こり易い部分（被増幅光の入力端側）に相対的に反転分布率が低い第１光増幅導波路を配置することで、フォトダークニングが効果的に抑制され得る。また、本発明に係る光増幅モジュールにおいて、被増幅光は第１光増幅導波路において増幅された後に、第２光増幅導波路において更に増幅される構成を備える。したがって、第１光増幅導波路はＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：増幅された自然放出光）が少ない。本発明に係る光増幅モジュールのように、直列に接続された複数の光増幅導波路により光を多段増幅する光増幅モジュールにおいては、通常、ＡＳＥ等のノイズ成分を除去するために最前端の光増幅導波路と最後段の光増幅導波路との間に波長選択素子が配置される。しかしながら、当該光増幅モジュールにおいては、まず、ＡＳＥの少ない第１光増幅導波路に被増幅光が入力されるため、波長選択素子を備えることなく波長選択素子を備えたときと同様の効果を得ることができる。

ＡＳＥの少ない第１光増幅導波路において増幅された光を励起光率が高い第２光増幅導波路において更に増幅するため、被増幅光の効率的な増幅が達成され得る。したがって、本発明に係る光増幅モジュールによれば、フォトダークニングの効果的な抑制と効果的な光増幅が達成され得る。

また、第１光増幅導波路と第２光増幅導波路のそれぞれは、Ｙｂ元素添加光ファイバであることが好適である。このように、第１および第２光増幅導波路として入手容易なＹｂＤＦを用いることにより、上述の構成を有する光増幅モジュールの製造が容易になる。

更に、フォトダークニングの徹底回避と励起効率の維持を両立させるため、本発明に係る光増幅モジュールにおいて、第２光増幅導波路における第２光導波領域内にＰ元素が更に添加されてもよい。この場合、第２導波領域において、９１５ｎｍ帯励起光に対する非飽和吸収（以下、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収という）は、第1光導波領域の９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収よりも低いのが好適である。

また、モジュール全体としての雑音指数を向上させるため、本発明に係る光増幅モジュールは、被増幅光の伝搬方向に関して第１光増幅導波路の上流側に配置された光フィルタと、被増幅光の伝搬方向に関して光フィルタの上流側に配置された第３光増幅導波路を更に備えてもよい。なお、光フィルタは、被増幅光の波長成分のみを透過する一方、その他の波長成分に減衰を与える光学部品である。また、第３光増幅導波路は、Ｐ元素が共添加されることなくＡｌ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第３光導波領域を含み、その９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収は、第２光導波領域の半分以下であるのが好ましい。

本発明に係るレーザ光源装置は、上述のような構造を有する光増幅モジュール（本発明に係る光増幅モジュール）とともに、１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲に含まれるパルス幅と、波長範囲１０６２ｎｍ〜１０７２ｎｍに含まれる中心波長と、を有する被増幅光を出力するレーザダイオードを備えるのが好適である。この構成により、出力レーザ光の中心波長の波長域を既存のＹＡＧレーザと同様の１０６４ｎｍ程度にしつつ、フォトダークニングの効果的な抑制と効率的な光増幅の達成が可能になる。

本発明に係る光増幅モジュールおよびレーザ光源装置によれば、効率的なフォトダークニングの抑制が可能になるとともに、効果的な光増幅が達成可能になる。

本発明に係るレーザ光源装置の一実施形態の概略構成を示す図である。 図１に示されたレーザ光源装置に適用可能な光増幅モジュール（本発明に係る光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光増幅導波路４１および第２光増幅導波路４３それぞれの吸収断面積のスペクトルおよび誘導放出断面積のスペクトルである。 試験例１に用いられた光増幅モジュール１０３を示す概略図である。 試験例１により得られたレーザダイオードそれぞれに供給された駆動電流と増幅光の出力パワーとの関係を示す図である。 ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-ＢそれぞれのＡＳＥスペクトルを示す図である。 ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの背景ロスを示す図である。 試験例１により得られたレーザダイオードそれぞれに供給された駆動電流と増幅光の出力パワーとの関係を示す図である。 ＹｂＤＦ-ＢおよびＹｂＤＦ-Ｃそれぞれの背景ロスを示す図である。 本発明に係るレーザ光源装置に適用可能な光増幅モジュール（本発明に係る光増幅モジュールの第２実施形態）の構成を示す図である。

以下、本発明に係るレーザ光源装置の各実施形態を、図１〜図１０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の要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係るレーザ光源装置の一実施形態の概略構成を示す図である。この図１において、レーザ光源装置１は、ＭＯＰＡ構成を採用しており、レーザ光源２および光増幅モジュール３を備える。レーザ光源２は、１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲に含まれるパルス幅と、１０６４ｎｍの中心波長と、を有する被増幅光を出力するように温度調整されたレーザダイオードを含む。すなわち、レーザダイオードの場合には、チップの温度や変調電流によりその出力光の波長が容易に変化するので、レーザ光源２は出力される被増幅光の中心波長が、１０６４ｎｍより長ければレーザチップは冷却され、逆に１０６４ｎｍより短ければレーザチップは加熱されるように温度調整される。

（光増幅モジュールの第１実施形態）
光増幅モジュール３は、このレーザ光源２から出力された被増幅光を増幅する。レーザ光源装置１（図１）において、レーザ光源２から出力された被増幅光は、光増幅モジュール３により増幅された後に出力される。

図２は、本発明に係る光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２（ａ）に示されるように、第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａは、レーザ光源２から出力された被増幅光を入力端５介して入力し、この被増幅光を増幅した後に出力端７を介して出力する。具体的に、光増幅モジュール３Ａは、入力端５および出力端７を備えるとともに、光アイソレータ１１、１３、励起光源部（励起部）２１、２３、光カプラ３１、光コンバイナ３３、第１光増幅導波路４１および第２光増幅導波路４３を備える。また、入力端５から出力端７に向かって順に、入力端５に入力された光アイソレータ１１、光カプラ３１、第１光増幅導波路４１、光アイソレータ１３、光コンバイナ３３および第２光増幅導波路４３が配置されている。光カプラ３１および光コンバイナ３３それぞれには、励起光源部２１および２３が接続されている。

光アイソレータ１１、１３それぞれは、入力端５から出力端７へ向かう順方向には光を透過するが、逆方向には光を透過しない。光カプラ３１は、光アイソレータ１１から到達した被増幅光を第１光増幅導波路４１へ出力するとともに、励起光源部２１から到達した励起光をも第１光増幅導波路４１へ出力する。光コンバイナ３３は、光アイソレータ１３から到達した被増幅光（第１光増幅導波路４１から出力された増幅光）を第２光増幅導波路４３へ出力するとともに、励起光源部２３から到達した励起光をも第２光増幅導波路４３へ出力する。

第１光増幅導波路４１は、主成分としてリン酸塩系ガラスからなり、図２（ｂ）に示されるように、コア領域４１１（第１光導波領域）と、コア領域４１１を取り囲む第１クラッド領域４１２と、第１クラッド領域４１２を取り囲む第２クラッド領域４１３とを備える。第１光増幅導波路４１は、少なくともコア領域４１１の一部にＹｂ元素が添加されているＹｂＤＦである。第１光増幅導波路４１には、光カプラ３１から出力された被増幅光および励起光が入力される。この第１光増幅導波路４１内では、コア領域４１１をシングルモード伝搬する被増幅光は、第１クラッド領域４１２をマルチモード伝搬する励起光により励起されることにより増幅され、その増幅光が光アイソレータ１３へ出力される。

第２光増幅導波路４３は、主成分として石英系ガラスからなり、図２（ｃ）に示されるように、コア領域４３１（第２光導波領域）と、コア領域４３１を取り囲む第１クラッド領域４３２と、第１クラッド領域４３２を取り囲む第２クラッド領域４３３とを備える。第２光増幅導波路４３は、少なくともコア領域４３１の一部にＡｌ元素とＹｂ元素とが共添加されているＹｂＤＦである。第２光増幅導波路４３には、光コンバイナ３３から励起光および第１光増幅導波路４１において増幅された出力光が入力される。この第２光増幅導波路４３内では、第１光増幅導波路４１から出力された増幅光は、コア領域４３１をシングルモード伝搬するが、その際、第１クラッド領域４３２をマルチモード伝搬する励起光により励起されることにより、更に増幅される。

励起光源部２１は、第１光増幅導波路４１に供給すべき励起光（例えば、波長９７５ｎｍ帯、パワー６Ｗ級）を出力するレーザダイオードＬＤ１で構成されている。レーザダイオードＬＤ１は、その出力パワーが、第１光増幅導波路４１においてフォトダークニングが発生しないような値に設定されている。なお、第１光増幅導波路４１は、Ｐ元素を含んでいるリン酸塩系ガラスが主成分であるため、Ｐ元素を含んでいない場合に比較して、レーザダイオードＬＤ１の出力パワーを高く設定することができる。

励起光源部２３は、６つの単一モード励起のレーザダイオードＬＤ２〜７で構成されており、レーザダイオードＬＤ２〜７それぞれは、第２光増幅導波路４３に供給すべき励起光（例えば、波長９７５ｎｍ帯、パワー７Ｗ級）を出力する。

光増幅モジュール３は、クラッド励起方式であり、励起光源として用いられる励起用のレーザダイオードＬＤ１〜７の所要電流が数Ａ〜数十Ａにもなり、発熱量が大きい。そのため、温度変化により励起光の波長が不安定となり、励起光波長が変動した場合には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。したがって、レーザダイオードＬＤ１〜７は、高性能な電子冷却ユニットを備えていることが好ましい。

励起光源部２１、２３、光カプラ３１、光コンバイナ３３は、第１光増幅導波路４１および第２光増幅導波路４３に励起光を供給する。

図３は、第１光増幅導波路４１および第２光増幅導波路４３それぞれの吸収断面積のスペクトルおよび誘導放出断面積のスペクトルである。特に、図３（ａ）は、第１光増幅導波路４１および第２光増幅導波路４３それぞれの吸収断面積のスペクトルを示し、図３（ｂ）は、第１光増幅導波路４１および第２光増幅導波路４３それぞれの誘導放出断面積のスペクトルである。これらスペクトルは、波長９７５ｎｍ付近での主ピーク値を１として規格化されている。図３（ａ）および図３（ｂ）に示されているように、第１光増幅導波路４１および第２光増幅導波路４３は、何れも波長９７５ｎｍ帯の吸収ピークが高い。また、第１光増幅導波路４１と比べると、第２光増幅導波路４３は誘導放出断面積の第２ピークが長波長側にある。第１光増幅導波路４１の場合には、吸収断面積が広い波長域で平坦になり励起波長の選択性が緩和されているが、誘導放出断面積が波長１０６４ｎｍ付近で完全にゼロに近づいている。そのため、被増幅光の中心波長１０６４ｎｍにおける励起効率面においては、第２光増幅導波路４３が第１光増幅導波路４１より有利である。

このように構成される光増幅モジュール３は、以下のように動作する。

励起光源部２１を構成するレーザダイオードＬＤ１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光増幅導波路４１に供給される。一方、励起光源部２３を構成する６つのレーザダイオードＬＤ２〜７からそれぞれ出力された波長９７５ｎｍ帯の励起光は光コンバイナ３３を経て第２光増幅導波路４３に供給される。

入力端５に入力された１０６４ｎｍ帯の中心波長を有する被増幅光は、光アイソレータ１１および光カプラ３１を経て、第１光増幅導波路４１に入力され、この第１光増幅導波路４１において増幅される。第１光増幅導波路４１において増幅された光は、光アイソレータ１３および光コンバイナ３３を経て第２光増幅導波路４３に入力される。第２光増幅導波路４３は、この入力光を更に光増幅する。そして、第２光増幅導波路４３において増幅された光は、出力端７を介して出力される。

この第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａでは、反転分布率が低い部分（当該光増幅モジュール３Ａの出力端７の側）にＡｌ元素が共添加されたＹｂ元素添加のコア領域４３１を有する第２光増幅導波路４３が配置されており、反転分布率が高い部分（当該光増幅モジュール３Ａの入力端５の側）に主成分としてリン酸塩系ガラスからなり、Ｙｂ元素添加のコア領域４１１を有する第１光増幅導波路４１が配置されている。このように、当該光増幅モジュール３Ａの励起効率を支配的に決定する反転分布率が低い部分（当該光増幅モジュール３Ａの出力端７の側）に励起効率が高い第２光増幅導波路４３を配置することで、当該光増幅モジュール３Ａの励起効率の劣化が回避され得る。

また、反転分布率が高いことに起因してフォトダークニングが起こり易い部分に、相対的に反転分布率が低い第１光増幅導波路４１を配置することで、フォトダークニングを効果的に抑制することができる。また、当該光増幅モジュール３Ａでは、被増幅光は第１光増幅導波路４１内において増幅され、この第１光増幅導波路４１により増幅された光が第２光増幅導波路４３において更に増幅される構成が採用されている。また、この第１光増幅導波路４１はＡＳＥが少ない。この第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａのように、直列に接続された複数の光増幅導波路により光を多段増幅する光増幅モジュールにおいては、通常ノイズ成分を除去するために最前端の光増幅導波路と最後段の光増幅導波路との間に波長選択素子が配置される。そして、多くの場合には、その波長選択素子は、誘電体多層膜により構成されるバンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦ）が用いられる。レーザ加工用など高いパワーを要する用途には、光増幅モジュールの途中といえども、ＢＰＦが光損傷により破壊される危険性が高い。しかしながら、当該光増幅モジュール３Ａにおいては、ＡＳＥの少ない第１光増幅導波路４１に被増幅光が入力されるため、光損傷により破壊され得る波長選択素子を備えることなく波長選択素子を備えたときと同様の効果を得ることができる。

また、当該光増幅モジュール３Ａでは、ＡＳＥの少ない第１光増幅導波路４１において増幅された光を励起光率が高い第２光増幅導波路４３において更に増幅するため、より効率的な光増幅を達成することができる。このように、当該光増幅モジュール３Ａによれば、フォトダークニングの効果的な抑制と効率的な光増幅をともに達成することができる。また、当該光増幅モジュール３Ａによれば、中心波長を１０６４ｎｍに有する被増幅光が励起光により励起され増幅されるので、既存のＹＡＧレーザと同等の１０６４ｎｍの被増幅光への選択的な利益を得ることができる。

（変形例）
次に、第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａの変形例を説明する。変形例に係る光増幅モジュールは、第１光増幅導波路４１の構成が相違するが、他の構成は図２（ａ）に示す第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａと共通である。変形例に係る第１光増幅導波路４１は、主成分として石英ガラスからなり、コア領域４１１（第１光導波領域）、コア領域４１１を取り囲む第１クラッド領域４１２および第１クラッド領域４１２を取り囲む第２クラッド領域４１３を備えるＹｂＤＦである。また、少なくともコア領域４１１の一部にＹｂ元素と２０ｗｔ％以上の濃度のＰ元素とが共添加されている。

本変形例に係る光増幅モジュールは、第１光増幅導波路４１の構成のみが第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａと異なるが、その第１光増幅導波路４１は少なくともコア領域４１１の一部にＹｂ元素とＰ元素とが共添加されている点においては第１実施形態における第１光増幅導波路４１と同様である。そのため、本変形例に係る光増幅モジュールによっても、第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａと同様の効果を得ることができる。

以下、実施例を挙げて本発明について更に詳しく説明をするが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
実施例１のファイバは、本発明における各実施形態の第１光増幅導波路４１として用いられ得るＹｂＤＦ（以下、ＹｂＤＦ-Ａという）である。ＹｂＤＦ-Ａは、２６．４ｗｔ％のＰ元素および０．８ｗｔ％のＡｌ元素を含むリン酸塩系ガラスを主成分とするＹｂＤＦで、コア径が１０μｍであり、第１クラッド径が１２５μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が１．８ｄＢ／ｍであり、長さが８ｍであった。また、ＹｂＤＦ-ＡにおけるＹｂ重量濃度は４７０００ｗｔ．ｐｐｍである。

（実施例２）
実施例２のファイバは、本発明における各実施形態の第２光増幅導波路４３として用いられ得るＹｂＤＦ（以下、ＹｂＤＦ-Ｂという）である。ＹｂＤＦ-Ｂは、石英系ガラスを主成分とし、１．５ｗｔ％のＡｌ元素がコア領域に添加されたＹｂＤＦであり、コア径が１０μｍであり、第１クラッド径が１２５μｍであり、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が１．５ｄＢ／ｍであり、長さが１０ｍであった。ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂの励起光吸収の総和は何れもほぼ同程度であった。ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂの第２クラッドは、何れもＰ元素、Ａｌ元素等の不純物は添加されていなかった。また、ＹｂＤＦ-ＢにおけるＹｂ重量濃度は１２０００ｗｔ．ｐｐｍである。

（実施例３）
実施例３のファイバは、本発明における各実施形態の第２光増幅導波路４３として用いられ得るＹｂＤＦ（以下、ＹｂＤＦ-Ｃという）である。ＹｂＤＦ-Ｃは、石英系ガラスを主成分とし、４．６ｗｔ％のＡｌ元素と４．１ｗｔ％のＰ元素がコア領域に共添加されたＹｂＤＦであり、コア径が１０μｍであり、長さが４ｍであり、第１クラッド径が１２５〜１２８μｍ程度であり（但し第一クラッドの断面は８角形）、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が１．５ｄＢ／ｍであった。また、ＹｂＤＦ-ＣにおけるＹｂ重量濃度は１９０００ｗｔ．ｐｐｍである。この実施例３のＹｂＤＦ-Ｃは、コア領域にＡｌ元素とＰ元素が共添加されているが、Ｐ元素の濃度は、上述の実施例２のＹｂＤＦ-ＢにおけるＰ元素濃度の１／５程度であってもよい。

なお、上述の９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収は、Ｙｂ重量濃度に相当し、上記ＹｂＤＦ-Ａ〜ＹｂＤＦ-Ｃにおいて、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収は同程度である。

［試験例１］
実施例１のＹｂＤＦ-Ａおよび実施例２のＹｂＤＦ-Ｂについて、励起効率の評価試験を行った。

（共通条件）
図４は、試験例１に用いられた光増幅モジュール１０３を示す概略図である。図４に示すように、光増幅モジュール１０３は、入力端１０５から出力端１０７に向かって順に配置された光アイソレータ１１３と、光コンバイナ１３３とを備え、光コンバイナ１３３には６つの励起用のレーザダイオードＬＤ１０１〜１０６で構成された励起光源部１２３が接続されていた。光アイソレータ１１３は、中心波長１０６０ｎｍの被増幅光の逆光を防止するために用いられた。また、光コンバイナ１３３は、６本のマルチモードファイバよりなる入力端と、１本の二重クラッドファイバによりなる出力端を有する。励起用のレーザダイオードＬＤ１０１〜１０６から出力された励起光は入力端として機能する６本のマルチモードファイバそれぞれに入力され、出力端から出力された。レーザダイオードＬＤ１０１〜１０６それぞれは、中心波長を９７５ｎｍに有する励起光を出力する。本試験例において、レーザダイオードＬＤ１０１〜１０６それぞれには、出力パワーが同一になるように、同一の駆動電流が供給された。なお、駆動電流が８ＡであるときにレーザダイオードＬＤ１０１〜１０６それぞれの出力パワーは７Ｗであった。

本試験例では、光コンバイナ１３３の出力端と光増幅モジュール１０３の出力端１０７との間にＹｂＤＦ-ＡまたはＹｂＤＦ-Ｂが配置される。それぞれのファイバが配置された場合において、レーザダイオードＬＤ１０１〜１０６で順方向励起し、１０６０ｎｍ帯の２Ｗの被増幅光が入力されたときの、出力端１０７から出力された増幅光の出力パワーを測定した。

（評価および結果）
図５は、本試験例により得られたレーザダイオードＬＤ１０１〜１０６それぞれに供給された駆動電流と増幅光の出力パワーとの関係を示している。図５に示されているように、レーザダイオードＬＤ１０１〜１０６それぞれに供給された励起電流が８Ａであったとき（換言すれば、トータル励起パワーが４０ｍＷであったとき）、ＹｂＤＦ-Ｂから出力された増幅光の出力パワーは３１Ｗであり、ＹｂＤＦ-Ａから出力された増幅光の出力パワーは２３．６Ｗであった。すなわち、トータル励起パワーが４０ｍＷであったとき、ＹｂＤＦ-Ａの励起光率はＹｂＤＦ-Ｂの励起光率の７５％にとどまった。これにより、励起効率面においては、第２光増幅導波路４３として用いられ得るＹｂＤＦ-Ｂが第１光増幅導波路４１として用いられ得るＹｂＤＦ-Ａより有利であることが確認された。

［試験例２］
実施例１のＹｂＤＦ-Ａおよび実施例２のＹｂＤＦ-Ｂについて、ＡＳＥスペクトルの測定を行った。

（共通条件）
試験例１の光増幅モジュール１０３が用いられ、被増幅光のパワーをセロとして、ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-ＢのＡＳＥスペクトルが測定された。

（評価および結果）
図６において、本試験例により得られたＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-ＢそれぞれのＡＳＥスペクトルが示されている。図６に示されているように、ＹｂＤＦ-Ｂは、１０６４ｎｍ周辺以外に１０４０ｎｍ周辺にも利得を有し、広帯域なＡＳＥを示した。一方、ＹｂＤＦ-Ａは、３ｄＢ帯域が１０６２〜１０７２ｎｍに限られており、ＡＳＥとしてのトータルパワーはＹｂＤＦ-Ｂの約１／４であった。本試験例により、ＹｂＤＦ-Ａは、そのＡＳＥが少ないこととＢＰＦのような機能をすることとが確認された。

［試験例３］
実施例１のＹｂＤＦ-Ａおよび実施例２のＹｂＤＦ-Ｂについて、背景ロスの評価試験を行った。

（共通条件）
被増幅光の入力が無い状態で、励起光を入力する前と、９７５ｎｍ帯励起光を５００ｍＷのパワーで１時間にわたり単一モードで入力してＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれを励起した後との背景ロスを調べた。なお、本試験においては、ＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの長さを０．１ｍにした。

（評価および結果）
図７において、本試験例により得られたＹｂＤＦ-ＡおよびＹｂＤＦ-Ｂそれぞれの背景ロスの結果が示されている。特に、図７（ａ）は実施例１のＹｂＤＦ-Ａの背景ロスの結果を示し、図７（ｂ）は実施例２のＹｂＤＦ-Ｂの背景ロスの結果を示す。本試験例においては、図７から分かるように、ＹｂＤＦ-Ａ（図７（ａ））の方がＹｂＤＦ-Ｂ（図７（ｂ））に比べて、背景ロスの増加が抑えられていることが確認された。すなわち、フォトダークニングの抑制面においては、ＹｂＤＦ-ＡがＹｂＤＦ-Ｂより有利であることが確認された。
また、試験例１〜３から、第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａの構成により、例えばデューティー比が１／１０００（パルス幅：１０ｎｓ、繰返し周波数：１００ｋＨｚ）である非常に低いパルス光が入力され、第１光増幅導波路４１として用いられるＹｂＤＦ-Ａが小信号状態となっても、そのトータルＡＳＥ出力は、ＹｂＤＦ-Ｂを用いた場合の１／４であり、第２光増幅導波路４３の利得はほぼ４倍となるため、４倍近いパルスピークが得られることが分かった。
なお、光増幅モジュール３の第２光増幅導波路４３としてＹｂＤＦ-Ｂを用いる場合には、第２光増幅導波路４３は、励起光を十分に吸収し尽くすだけの長さを有するのが望ましい。具体的には、励非飽和吸収の総和が１５ｄＢ程度になるように、励起光の中心波長が９１５ｎｍの場合には１０ｍ程度であればよく、励起波長が９７５ｎｍの場合には３．３ｍ程度であればよい。

更に、上述の実施例１のＹｂＤＦ-Ａおよび実施例２のＹｂＤＦ-Ｂについて、図４および図５に示したとおり、励起光吸収の総和は何れもほぼ同程度としても、実施例２のＹｂＤＦ-Ｂでは、３１Ｗの出力が得られるのに対し、実施例１のＹｂＤＦ-Ａでは、２３．６Ｗの出力しか得られない。すなわち、７５％程度の励起効率しか得られない。一方、実施例１のＹｂＤＦ-Ａは、図７（ａ）に示されるとおり、実施例２のＹｂＤＦ-Ｂと比較して、フォトダークニングが殆ど発生しないという利点がある。実施例３のＹｂＤＦ-Ｃは、これら両者の特長を併せ持つサンプルとして用意された。

［試験例４］
実施例２のＹｂＤＦ-Ｂおよび実施例３のＹｂＤＦ-Ｃについて、励起効率の評価試験を行った。

（共通条件）
この試験例４は、上述の試験例１と同様に、図４に示す光増幅モジュール１０３において、光コンバイナ１３３の出力端と出力端１０７の間に実施例２のＹｂＤＦ-Ｂまたは実施例３のＹｂＤＦ-Ｃは配置される。それぞれのファイバが配置された場合において、レーザダイオードＬＤ１０１〜１０６で順方向励起し、１０６０ｎｍ帯の２Ｗの被増幅光が入力されたときの、出力端１０７から出力された増幅光の出力パワーを測定した。なお、実施例２のＹｂＤＦ-Ｂおよび実施例３のＹｂＤＦ-Ｃそれぞれの長さは、何れも４ｍである。励起光源部１２３を構成する６つの励起用のレーザダイオードＬＤ１０１〜１０６の何れも、駆動電流６Ａで出力パワー５Ｗであった。また、駆動電流６Ａが供給された励起用のレーザダイオードＬＤ１０１〜１０６それぞれの出力光の中心波長は、９７５±３ｎｍであった。

（評価および結果）

図４に示す光増幅モジュール１０３において、波長１０６０ｎｍの入力光のパワーを０．２Ｗ程度に設定した場合、図８から分かるように、実施例２のＹｂＤＦ-Ｂおよび実施例３のＹｂＤＦ-Ｃそれぞれの出力パワーは、ほぼ同等であった。

［試験例５］
実施例３のＹｂＤＦ-Ｃについて、試験例３と同様の背景ロスの評価試験を行った。

（共通条件）
被増幅光の入力が無い状態で、励起光を入力する前と、９７５ｎｍ帯励起光を５００ｍＷのパワーで１時間にわたり単一モードで入力してＹｂＤＦ-Ｃを励起した後との背景ロスを調べた。なお、本試験においては、ＹｂＤＦ-Ｃの長さは０．０５ｍである。

（評価および結果）
図９から分かるように、実施例３のＹｂＤＦ-Ｃにおけるフォトダークニングは、図７（ａ）および図７（ｂ）に示される特性の中間程度で、実施例１のＹｂＤＦ-Ａ（図７（ａ））よりはやや顕著である。しかしながら、その励起効率は、図４に示す光増幅モジュール１０３において、１０６０ｎｍの入力光のパワーを０．２Ｗ程度に設定した場合、実施例２のＹｂＤＦ-Ｂおよび実施例３のＹｂＤＦ-Ｃを共に長さ０．０５ｍとして使用した場合の出力光パワーは、図８に示すとおり、ほぼ同等となる。こうした実施例３のＹｂＤＦ-Ｃの特性を活用し、例えば図２に示す第１実施例に係る光増幅モジュール３Ａにおいて、フォトダークニングの危険が大きい光増幅導波路４１には、実施例１のＹｂＤＦ-Ａを使用する一方、注入している励起パワーに対する被増幅光の出力パワー、すなわち、励起効率を決定する光増幅導波路４３には実施例３のＹｂＤＦ-Ｃを使用してもよい。いずれにせよ、フォトダークニングの危険が大きい上流側には実施例１のＹｂＤＦ-Ａを用いることが、フォトダークニング回避の観点からは望ましい。

（光増幅モジュールの第２実施形態）
上述の第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａにおいて、励起光の波長域は、既存のＹＡＧレーザと同等の１０６４ｎｍが望ましいが、図３（ｂ）に示されるとおり、実施例１のＹｂＤＦ-Ａの誘導放出断面積は、波長１０６４ｎｍにおいて殆どゼロとなる。一方で、実施例１のＹｂＤＦ-Ａの吸収断面積は、図３（ａ）に示されるとおり、実施例２のＹｂＤＦ-Ｂと大差ない。すなわち、誘導放出断面積と吸収断面積の比率は、実施例１のＹｂＤＦ-Ａにおいて実施例２のＹｂＤＦ-Ｂよりも小さい。その結果、雑音指数（ＮＦ）は劣化し、引いては、被増幅光を信号光と見立てた時の信号対雑音比率（ＳＮ比）は劣化する傾向がある。

例えば図２に示す第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａが適用されたレーザ光源装置において、種光源（光源２）を、レーザ加工装置などで典型的な、繰り返し周波数＝５０ｋＨｚ、パルス幅２０ｎｓ（つまりデューティー比＝１／１０００）でパルス変調した場合などは、仮に種光源のＯｎ状態での出力が２００ｍＷでも、光増幅モジュール３の平均出力は０．２ｍＷとなってしまうので、第１光増幅導波路４１として使用される実施例１のＹｂＤＦ-Ａに直接被増幅光が注入された場合は、フォトダークニングは回避できても、ＳＮ比が劣悪になる。すなわち、実施例１のＹｂＤＦ-Ａの出力端において、被増幅光とＡＳＥ（増幅された自然放出光）の比率が劣化する。たとえ被増幅光の波長以外の波長成分を除去するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）等の波長選択素子が実施例１のＹｂＤＦ-Ａの直後に挿入されたとしても、被増幅光とほぼ一致するＡＳＥ成分は除去できない。その結果、第２光増幅導波路４３の出力端（光増幅モジュール３Ａの最終出力端）においてＡＳＥ成分が増大し、被増幅成分が抑圧される。具体的にはパルスピークパワーが２０ｋＷ以上に達すべきところ、１５ｋＷ以下となってしまう。

そこで、こうした事態を避けるため、本願発明に係るレーザ光源装置は、光源２の直後に配置された、図１０に示すような光増幅モジュール（本発明係る光増幅モジュールの第２実施形態）を備えるのが好適である。この第２実施形態に係る光増幅モジュール３Ｂは、図２に示す第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａの構成を含み、被増幅光の伝搬方向（入力端１０５から出力端１０７へ向かう方向）に関して第１光増幅導波路４１の上流側にＰ添加されないＹｂＤＦである第３光増幅導波路４５を備えたことを特徴とする。なお、第３光増幅導波路４５と第１光増幅導波路４１との間には、被増幅光の波長と一致しないＡＳＥ光を除去するための光フィルタとして、バンドパスフィルタ５０（ＢＰＦ）が挿入されている。

図１０（ａ）に示されるように、第３光増幅導波路４５の入力端側には、光カプラ３５が配置されるとともに、この光カプラ３５と入力端５との間には、順方向伝搬する被増幅光を通過させる一方、逆方向伝搬する励起光を遮断するための光アイソレータ１５が配置されている。光カプラ３５は、入力端５を介して取り込まれた被増幅光とともに、励起光源部２４を構成するレーザダイオードＬＤ８から出力された励起光を、第３光増幅導波路４５へ出力する。また、第３光増幅導波路４５の出力端側には、ＢＰＦ５０が配置されており、このＢＰＦ５０から下流側の構成は、図２に示す第１実施形態に係る光増幅モジュール３Ａと同様である。

第３光増幅導波路４５は、図１０（ｂ）に示すように、コア領域４５１（第３光導波領域）と、コア領域４５１を取り囲むクラッド領域４５２により構成された単一クラッド構造を備えたＹｂＤＦ（以下、ＹｂＤＦ-Ｄという）である。また、ＹｂＤＦ-Ｄは、石英系ガラスを主成分とし、５ｗｔ％のＡｌ元素がコア領域４５１に共添加されたＹｂＤＦであり、コア径は１０μｍ、クラッド径は１２５μｍ程度、９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収は７０ｄＢ／ｍ、９７５ｎｍ帯励起光非飽和吸収ピークは２４０ｄＢ／ｍであった。なお、この第３光増幅導波路４５のＹｂＤＦ-Ｄにおける９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収（９７５ｎｍ帯励起光非飽和吸収ピーク）は、クラッド励起を想定した場合の数値である。また、ＹｂＤＦ-ＤにおけるＹｂ重量濃度は２０００ｗｔ．ｐｐｍである。

なお、この第２実施形態に係る光増幅モジュール３Ｂにおいてもフォトダークニングは回避しなければならないので、第３光増幅導波路４５のＹｂＤＦ-Ｄのように、Ｙｂ濃度の低いファイバが使用される。少なくともＹｂＤＦ-ＤにおけるＹｂ濃度は、その下流に配置される第１および第２光増幅導波路４１（例えば実施例１のＹｂＤＦ-Ａ）、や第２光増幅導波路４３（例えば実施例２のＹｂＤＦ-Ｂや実施例３のＹｂＤＦ-Ｃ）の何れよりも低く設定されるのが好ましく、理想的には、ＹｂＤＦ-Ａ〜ＹｂＤＦ-Ｃの最低濃度の半分程度に抑えられているのが好ましい。

ここで、一般的に、Ｙｂ添加濃度が低いＹｂＤＦをクラッド励起する場合、Ｙｂ添加濃度が低い上に励起光モードとコア領域のオーバーラップが小さいため、非常に長いＹｂＤＦが必要になる（例えば、図３（ａ）と同等の吸収条長積を実現しようとすれば、ＹｂＤＦの長さは約１ｋｍ近くになる）。そのため、被増幅光の励起には単一横モードの励起光が望ましい。そこで、この第２実施形態における第３光増幅導波路４５のＹｂＤＦ-Ｄでは、Ｙｂ添加濃度が、単一横モードの９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収が７０ｄＢ／ｍ（９７５ｎｍ帯励起光非飽和吸収ピークは２４０ｄＢ／ｍ）になるよう設定されている。なお、この第２実施形態に係る光増幅モジュール３Ｂにおいて、ＹｂＤＦ-Ｄに励起光を供給する励起光源部３５は、単一モード出力の０．５Ｗ級出力の０．９７５μｍ帯励起ＬＤである。そして、この第２実施形態に係る光増幅モジュール３Ｂに適用されるＹｂＤＦ-Ｄの長さは、７ｍである。

また、この第３実施形態に係る光増幅モジュール３Ｂにおいて、第３光増幅導波路４５にＹｂＤＦ-Ｄが適用された場合の第１光増幅導波路４１と第２光増幅導波路４３のファイバ種類の組み合わせとしては、例えば、第１光増幅導波路４１としてＹｂＤＦ-Ａおよび第２光増幅導波路４３としてＹｂＤＦ-Ｂの組、第１光増幅導波路４１としてＹｂＤＦ-Ａおよび第２光増幅導波路４３としてＹｂＤＦ-Ｃの組、更には、第１光増幅導波路４１としてＹｂＤＦ-Ｃおよび第２光増幅導波路４３としてＹｂＤＦ-Ｃの組の何れも可能である。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、本実施形態において、光増幅モジュール３は、第１および第２光増幅導波路４１および４３が直列に配置された２段構造が採用されているが、所要利得の値に応じて、段数が３段以上であってもよい。但し、被増幅光が最初に入力される段に第１光増幅導波路４１を用い、光増幅モジュール３の出力端の直近に第２光増幅導波路４３を用いる事が望ましい。このとき、試験例１の結果からすれば、第１光増幅導波路４１の励起には、第２光増幅導波路４３場合の約１．３倍の励起パワーが必要になると見込まれる。しかし、所要励起パワーの総和は、光増幅モジュール３の出力端７の側の第２光増幅導波路４３に励起光を供給する励起光源部２３のレーザダイオードＬＤ２〜ＬＤ７のトータルパワーで決定されるので、無視できる程度の増加に留まる。

また、本実施形態において、第１および第２光増幅導波路４１および４３はＹｂＤＦであるが、これに限定される必要はなく、特に、第１光増幅導波路４１がリン酸塩系ガラスを主成分とするときは、平面導波路の構成であっても良い。

１…レーザ光源装置、３、３Ａ、３Ｂ…光増幅モジュール、４１…第１光増幅導波路、４３…第２光増幅導波路、４５…第３光増幅導波路、２１、２３、２５…励起光源部、５０…バンドパスフィルタ（光フィルタ）。

Claims (7)

1. 主成分として石英系ガラスからなる第１光増幅導波路であって、Ｐ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第１光導波領域を含む第１光増幅導波路と、
   前記第１光増幅導波路に対して光学的に結合された第２光増幅導波路であって、Ａｌ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第２光導波領域を含む第２光増幅導波路と、
   前記第１光増幅導波路および前記第２光増幅導波路それぞれに励起光を供給する励起部と
   を備え、
   前記第１および第２光増幅導波路は、前記第１光増幅導波路に入力された被増幅光が前記第１光増幅導波路、前記第２光増幅導波路の順に伝搬するよう配置され、前記被増幅光は、前記第１光増幅導波路および前記第２光増幅導波路それぞれにおいて前記励起光を用いて１度のみ増幅されることを特徴とする光増幅モジュール。
2. 主成分としてリン酸塩系ガラスからなる第１光増幅導波路であって、Ｙｂ元素添加の第１光導波領域を含む第１光増幅導波路と、
   前記第１光増幅導波路に対して光学的に結合された第２光増幅導波路であって、Ａｌ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第２光導波領域を含む第２光増幅導波路と、
   前記第１光増幅導波路および前記第２光増幅導波路それぞれに励起光を供給する励起部と
   を備え、
   前記第１および第２光増幅導波路は、前記第１光増幅導波路に入力された被増幅光が前記第１光増幅導波路、前記第２光増幅導波路の順に伝搬するよう配置され、前記被増幅光は、前記第１光増幅導波路および前記第２光増幅導波路それぞれにおいて前記励起光を用いて１度のみ増幅されることを特徴とする光増幅モジュール。
3. 前記第１および第２光増幅導波路のそれぞれは、Ｙｂ元素添加光ファイバであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光増幅モジュール。
4. 前記第２光増幅導波路における前記第２光導波領域内には、Ｐ元素が更に添加されており、前記第２光増幅導波路の９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収は、前記第1光増幅導波路の９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収よりも低いことを特徴とする請求項１または２記載の光増幅モジュール。
5. 前記被増幅光の伝搬方向に関して前記第１光増幅導波路の上流側に配置された光フィルタであって、前記被増幅光の波長成分のみを透過する一方、その他の波長成分に減衰を与える光フィルタと、
   前記被増幅光の伝搬方向に関して前記光フィルタの上流側に配置されるとともに、Ｐ元素が共添加されることなくＡｌ元素が共添加されたＹｂ元素添加の第３光導波領域を含む第３光増幅導波路であって、前記第２光増幅導波路の９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収の半分以下である９１５ｎｍ帯励起光非飽和吸収を有する第３光増幅導波路を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の光増幅モジュール。
6. 波長範囲１０６２〜１０７２ｎｍに含まれる中心波長を有する前記被増幅光を出力する光源と、
   前記光源から出力された前記被増幅光を光増幅する、請求項１〜５のいずれか一項記載の光増幅モジュールと
   を備えたことを特徴とするレーザ光源装置。
7. 前記被増幅光は、１ｎｓ〜１００ｎｓの範囲に含まれるパルス幅を有することを特徴とする請求項６記載のレーザ光源装置。

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