JP2927943B2

JP2927943B2 - レーザ増幅器

Info

Publication number: JP2927943B2
Application number: JP2504258A
Authority: JP
Inventors: ホイトレイ、ティモシー・ジョン; アーミテイジ、ジョナサン・リチャード; ミラー、コリン・アンダーソン
Original assignee: HP Inc
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1989-03-08
Filing date: 1990-03-08
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: AU650618B2; EP0387075B1; CA2047671A1; ATE155289T1; WO1990010964A1; EP0387075A1; JPH04504032A; AU5178290A; GB8905276D0; DE69031002D1; KR920702050A; DE69031002T2

Description

【発明の詳細な説明】本発明は３または４レベルのレーザシステムを含むタ
イプの縦方向にポンプされるレーザ増幅器、特にファイ
バレーザ増幅器に関するが、それに限定されない。

レーザ増幅器は特定の波長の適切なイオン粒子により
ドープされたファイバを光学的にポンプすることによっ
て形成できることが知られている。このようなレーザ増
幅器は高いポンプパワー密度および良好な熱放散を呈
し、したがって低いポンプパワーしきい値を持つレーザ
放射の動作を可能にする。事実、トープされたファイバ
における連続波レーザ放射は、従来は室温でバルクガラ
スにおいて動作されなかった３レベルレーザ転移部にお
いて近年達成されている。

遠隔通信のために、エルビウムをドープされたシリカ
ベースの光ファイバはレーザ源および増幅器として特に
重要である。イオン転移は融着されたシリカファイバの
低損失の窓と一致する約1.5μｍに存在する。さらに、
エルビウムをドープされたファイバは800nmで吸収帯域
を有しているため、コンパクトな効率的なヒ化ガリウム
レーザダイオードによってポンプされた種々のアクチブ
ファイバ装置が得られる可能性がある。しかしながら、
上記されたエルビウムをドープされたファイバのような
あるレーザシステムのエネルギレベルは、励起状態吸収
（ESA）として知られた疑似現象を光学ポンプするのに
適したある波長に存在している。これは、システムの上
部レーザマニフォルド中のイオンがポンプ光子によって
高エネルギ状態に励起されるプロセスである。これらの
励起されたイオンは準安定性マニフォールドに非放射で
緩和されて戻る。これは、ポピュレーション反転に通常
関与しているポンプ光子の比率を減少する効果を有す
る。消費されるポンプ光子の割合は上部および接地状態
マニフォールドの相対的なポピュレーションに比例して
いる。ポンプパワーが大きくなると、上部レベルのポピ
ュレーションが大きくなり、したがってESAの効果が大
きくなる。ポンプパワーが増大されほど、これは結果的
にポンププロセスの効率を低下させる。

本発明の目的は、所定のポンプパワーに対して改良さ
れたポンプ効率を有するファイバレーザ増幅器を提供す
ることである。

したがって、本発明は単一モード光ファイバと、ポン
プ波長で光放射を行なわせる単一の光学ポンプソース
と、ポンプ波長で励起状態吸収を呈し、光ポンプソース
によってポンプ可能であるレーザ放射媒体をそれぞれ含
む複数のファイバ増幅器セクションとを含んでおり、各
セクションが光ポンプ信号の一部分によって端部ポンプ
可能であるように光ポンプソースが各セクションに結合
され、それによって使用時に各部分が各ファイバ増幅器
に沿って縦方向に伝播し、各セクションは他のいずれの
セクションも通過したことのないポンプパワー部分によ
って使用時にポンプされることを特徴とするレーザ増幅
器を提供する。

本発明における使用に適したタイプのファイバは典型
的にほぼ10μｍの直径を有する。

任意の端部でポンプされるファイバ増幅器に対して、
所定のポンプパワーに対して得られる最大ポンプ効率が
ある。本発明者は、ポンプパワーを増加することにより
増大するESAの結果として所定のポンプパワーに関連し
た利得減少が２つ以上の部分にポンプパワーを分割し、
それぞれポンプパワーの一部分を持つ２つ以上のファイ
バセクションを縦方向にポンプすることによって低下さ
れ、したがってポンプ効率を高めることを確認したもの
である。このようにして、ファイバに沿ったポンプエネ
ルギ分布は低く維持され、したがってESAの相対的な効
率は以下詳細に説明されるように減じられる。

ファイバ増幅器セクションは単一ファイバの隣接した
部分であるか、或はそれらは光学的に互いに結合された
分離した長さのファイバであってもよい。

ここで２つのファイバ増幅器セクションは単一のファ
イバにおいて隣接する部分を有し、第１の部分のポンプ
パワーがあるセクションにおいてポンプされる方向は、
第２の部分が別のセクションでポンプされるのもと逆で
ある。１つのファイバ増幅器セクションからの残りのポ
ンプパワーが第２のファイバ増幅器セクションにおいて
ポンプパワーと組合せられるため、これは結果的に付加
的な利得が得られることになる。

ポンプソースは、１つ以上の２色ファイバカップラに
よってファイバに縦方向に結合されることが好ましい。
このようなカップラはポンプ信号を結合することがで
き、一方同じファイバに信号放射を結合することができ
る。

３レベルレーザシステムを含むレーザ増幅器におい
て、所定のポンプパワーに対して最大ポンプ効率が実現
されることができる最適なファイバの長さが存在する。
この最適な長さは発射されたポンプパワーおよびポンプ
吸収に依存する。低いポンプパワーに対して、最適なフ
ァイバ長さはポンプパワーに対するものより短い。

各ファイバ増幅器セクションの長さは、実質的にポン
プされているポンプパワー部分に対して最適な長さであ
ることが好ましい。

以下、図面を参照にして、単なる例示として本発明を
説明する。

図１はSiO₂ホスト材料中におけるエルビウムイオン
（Er³⁺）のエネルギレベル構造の概略図である。

図２はファイバ中に発射されたポンプパワーを持つ最
適な利得の変形を示すグラフである。

図３は本発明の１実施例の概略図である。

図４は本発明の第２の実施例の概略図である。

図１を参照すると、エルビウムイオン（Er³⁺）の1.5
μｍの低い転移に対するエネルギレベル構造が示されて
いる。３レベルレーザシステムにおけるEr³⁺イオンは接
地状態１、中間準安定性マニフォールド２および高い状
態３を含むエネルギレベル構造を有する。システムは約
800nmの波長のポンプバンド４を、また約1540nmの波長
の放射／吸収バンド５を含む。したがって、800nmでエ
ルビウムをドープされたシリカベースファイバを光学的
にポンプすることによって、エルビウムイオンは高い状
態３に活性化され、そこからそれらは準安定性マニフォ
ールド２に減少する。低いポンプパワーに対して、準安
定性マニフォールド２よりも接地状態１において多数の
イオンがある。マニフォールド２と接地状態一との間の
ポピュレーション反転であるように十分なイオンが準安
定性マニフォールド２にあると、1540nmの領域において
光利得が生じ、したがってシステムは入力信号を増幅す
ることができる。マニフォールド２と接地状態１との間
でポピュレーション反転を生成するためにファイバに沿
った任意の位置において、ある最小の光ポンプパワーが
必要とされる。このパワーは透過パワーとして知られて
いる。ファイバの下方の任意の位置においてポンプパワ
ーが透過パワーより低い場合、その点における利得係数
は負である。任意の点におけるポンプパワーが透過パワ
ーに等しい場合、その点における利得係数はゼロであ
る。透過パワーより大きいポンプパワーは正の利得係数
を生成する。約800nmの波長を有するポンプに対して、1
540nm吸収バンド５を破壊することを要求される透過パ
ワーは数ミルワットである。

残念ながら、エネルギレベル構造は励起状態吸収（ES
A）バンド６である別の吸収バンドを含む。励起状態吸
収バンド６は準安定性マニフォールド２と高いレベル７
との間に存在する。ESAバンドは実質的にポンプ吸収バ
ンド４と同じ約800nmの波長で生じる。したがって、800
nmでファイバをポンプすることによってイオンは準安定
性マニフォールド２に励起される。これらのイオンは高
いレベル７に励起され、そこから準安定性マニフォール
ド２に非放射的に低下する。これは、ポピュレーション
反転を生成することに通常関連しているポンプ光子の比
率を減少させる効果を有する。消費されるポンプ光子の
一部分はマニフォールド２および接地状態１の相対的な
ポピュレーションに比例する。高いポンプパワーでポン
プすることによりESAの効果が高められることが発明者
によって決定されている。

図２を参照すると、ファイバに放射されたポンプパワ
ーによる最適な利得の変形が示されている。すなわち、
各特定のポンプパワーに対して最適な利得は最適なファ
イバの長さが使用されたときの利得である。

高い発射ポンプパワーにおいて、最適な利得はこのよ
うなポンプパワーでポンププロセスがESAのために効率
が悪くなるため増大するポンプパワーと共に非常にゆっ
くり増加する。

曲線31に対する接線であるグラフの原点を通る直線32
を引くことによって、発射されたポンプパワーに対する
最適な利得の比が最大であるポンプパワーが存在してい
ることが認められる。このポンプパワーは示された例に
おいて6mwである。

この比が最大値に達するポンプパワーは、一般に接地
状態および上部レーザマニフォールドからのファイバ構
造およびポンプ吸収断面の寸法に依存する。図２から、
発射されるパワーに最適な長さのファイバの単一長に24
mwのポンプパワーを発射することによって、13dBの利得
が達成されることが認められる。しかしながら、ある長
さのファイバにポンプパワー全てを発射する代わりに、
ポンプパワーはそれぞれ6mwの４つの部分に分割され、
これら４つの部分がそれぞれ6mwのパワーファイバに最
適な長さのファイバに供給されれば、利用可能な利得全
体は22dBである。例示の増幅器のポンプ効率の大きい改
良はこのようにして所定の利用可能なポンプパワーに対
して実現されている。一般に、所定の利用可能な入力ポ
ンプパワーに対して、利得は複数の部分にそのポンプパ
ワーを分割することによって最大にされることができ、
各部分におけるポンプパワーは特定のファイバに対して
発射されたポンプパワーに対する最大利得の比率が最大
であるようなものであり、最適な長さのファイバ増幅器
の分離した長さに各部分を発射する。

図３を参照すると、本発明によるファイバレーザが概
略的に示されている。光ファイバ41は４つのファイバ増
幅器セクション42,43,44,45に概念的に分割される。セ
クション42は点ａから点ｂに延在し、セクション43は点
ｂから点ｃに延在し、セクション44は点ｄから点ｅに延
在し、セクション45は点ｅから点ｆに延在する。ファイ
バ増幅器セクション42,43,44,45はエルビウムをドープ
されたある長さの光ファイバから構成され、一方ファイ
バ41の残りのセクションは光ファイバのドープされない
部分を含む。ファイバ41は、単一のファイバ長を形成す
るために適切な方法でドープされないある長さのファイ
バにドープされたファイバをスプライスすることによっ
て形成される。光ポンプ46は３つのカップラを47,48,49
を介してファイバ41に縦方向に結合される。３つの各カ
ップラは２色ファイバカップラである。各カップラはフ
ァイバ41と第２のファイバを融着し、カップラがファイ
バ41にポンプ放射を結合することが可能であり、一方入
力信号放射50が影響を受けないように適切な量だけそれ
ぞれを引伸ばすことによって形成されてもよい。このよ
うなカップラは良く知られており、さらに説明しない。

カップラ47においてポンプ部分は、入力信号放射50と
同じ方向にアーム51を介してファイバセクション42に縦
方向に結合される。カップラ48において、第２のポンプ
部分は入力信号50と反対方向に進むようにアーム52を介
してファイバ増幅器セクション43に縦方向に結合され
る。第３のポンプ部分は入力信号と同じ方向にアーム53
を介してファイバ増幅器セクション44に縦方向に結合さ
れる。第４のポンプ部分はカップラ49のアーム54を介し
てファイバ増幅器セクション45に縦方向に結合される。
このため、各ファイバ増幅器セクションは他のいずれの
セクションも通過したことのないポンプパワー部分によ
ってポンプされる。このようにして増幅された信号55が
生成される。ファイバ増幅器セクション42,43,44,45
は、システムの特定のパラメータに対して図３のものに
類似したグラフを示すことによってそれらがポンプされ
る特定のパワーに対して最適な長さに近いように構成さ
れる。ファイバセクションは、常に正の利得であるよう
に透過点が越されないことを保証するように短くなけれ
ばならない。

ポンプ信号はファイバ増幅器セクションの長さに沿っ
て伝播されたとき、ある程度のポンプ信号は残ってい
る。ポンプ部分の対がこの実施例に示されているように
隣接したファイバ増幅器セクションにおいて反対方向に
ポンプされるように構成することによって、１つのファ
イバ増幅器セクションからの残りのポンプは利得をさら
に最大にするように隣接したセクションにおいてポンプ
部分と結合する。

図４を参照すると、本発明によるレーザ増幅器の第２
の実施例が概略的に示されている。符号60により全体的
に示されたファイバ増幅器は互いに分離している３つの
ファイバセクション61,62,63を含む。807nmのStyrl 9M
ダイレーザのような光ポンプソース64は誘電体反射器65
によってファイバ増幅器セクション62に縦方向に結合さ
れた光ポンプ信号を生成する。入力信号はまたファイバ
セクション61および反射器65を介してファイバセクショ
ン62中に結合される。第２の光ポンプ信号はポンプソー
ス64によって生成され、ファイバセクション63に縦方向
に結合される。ファイバセクション62を通じて伝播され
た後、入力信号はまたファイバセクション63に結合され
る。このようにして増幅された信号67が生成される。

この明細書において、用語“光学的”とは、光ファイ
バのような誘電体光導波体によって伝達されることがで
きる可視領域の各端部における赤外線および紫外線領域
の部分を持つ可視領域として一般に知られている電磁ス
ペクトルの部分を含むものとする。

ポンプ手段から光パワーを分配する別の方法は上記に
示された特定の実施例に示されたもの以外に使用される
ことができ、ポンプパワーが分割される部分は付加的な
利得を得るために等価な部分である必要はないことが理
解されるであろう。

光ポンプ分配は、一般にあるポンプ波長でESAを呈す
る３または４つのレベルシステムに適用可能であり、上
記のタイプのエルビウムをドープシリカベース光ファイ
バレーザ増幅器に限定されるものではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ミラー、コリン・アンダーソンイギリス国、アイピー11・９エイチピー、サフォーク、フェリクスストウ、デルウッド・アビニュー 20 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/06,3/07,3/0941

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】単一モード光ファイバと、ポンプ波長で光放射を行なわせる単一の光学ポンプソー
スと、ポンプ波長で励起状態吸収を呈し、且つ光学ポンプソー
スによってポンプ可能であるレーザ放射媒体をそれぞれ
含む複数のファイバ増幅器セクションとを含んでいるレ
ーザ増幅器において、各セクションが上記光学ポンプソースのポンプパワーを
分割してなる各ポンプパワー部分によって端部ポンプ可
能であるように上記光学ポンプソースが各セクションに
結合され、それによって使用時に各ポンプパワー部分が
各セクションに沿って縦方向に伝播し、各セクションは他のいずれのセクションも通過したこと
のないポンプパワー部分によって使用時にポンプされる
ことを特徴とするレーザ増幅器。
【請求項２】各ファイバセクションの長さは各ポンプ可
能なポンプパワー部分に対して透過点を越さない長さで
ある請求項１記載のレーザ増幅器。
【請求項３】ファイバセクションは単一ファイバの隣接
した部分である請求項１または２記載のレーザ増幅器。
【請求項４】ポンプソースはレーザダイオードアレイで
ある請求項１乃至３のいずれか１項記載のレーザ増幅
器。
【請求項５】ポンプソースは１つ以上の２色ファイバカ
ップラによってファイバに縦方向に結合される請求項１
乃至４のいずれか１項記載のレーザ増幅器。
【請求項６】ファイバはエルビウムでドープされたシリ
カベースファイバを含む請求項１乃至５のいずれか１項
記載のレーザ増幅器。
【請求項７】ポンプ波長は約800nmである請求項６記載
のレーザ増幅器。