JP3727447B2

JP3727447B2 - クラッド層ポンプファイバレーザを有する装置

Info

Publication number: JP3727447B2
Application number: JP24365397A
Authority: JP
Inventors: ジョンディジョバンニデビッド; マドカーベンサーカーアシシュ
Original assignee: ルーセントテクノロジーズインコーポレーテッド
Priority date: 1996-09-24
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: EP0831566A3; EP0831566A2; DE69729832T2; US5708669A; JPH10107345A; EP0831566B1; DE69729832D1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クラッド層ポンプの光ファイバレーザを含む装置とシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
クラッド層ポンプのファイバレーザ（Cladding pumped fiber lasers（ＣＰＦＬ））は公知であり、これに関しては、例えば H. Po et al. 著の Electronics Letters, Vol. 29(17), p. 1500, Aug 19, 1993 と、P. Glas et al. 著の Optics Communications, Vol. 122, p. 163, Jan. 1, 1996 と米国特許第５，１２１，４６０号を参照のこと。このようなレーザは、高い光学パワー（例、１０Ｗ）を生成するのに用いられ、そしてファイバ増幅器あるいはレーザをポンピングするのに用いられる。
【０００３】
ＣＰＦＬにおいては、広面積のレーザダイオードからの光学パワーは、クラッド層ポンプファイバの稀土類（例、Ｎｄ，Ｙｂ）ドープのコア内でシングルモードレーザ発振に変換される。高ポンプパワーをＣＰＦＬに結合するために、通常は比較的大きな直径のクラッド層（例、２５０μｍ以上）を有するファイバを使用することが必要である。しかし、ＣＰＦＬのシングルモード出力の従来の要件により、ＣＰＦＬのコアの直径は８μｍ以下に抑えられている。
【０００４】
このようにクラッド層の断面とコアの断面との面積の不均衡により、デバイスの長さが長くなる、例えば２００ｍにする必要がある。その理由は、ＣＰＦＬ構造体内のポンプ放射の吸収は、コア対クラッド層の断面積比に比例するからである。さらにまた従来のＣＰＦＬ構造体においては、ファイバのコア内の光学パワー密度は高く、特にハイパワーのＣＰＦＬにおいては、その構成材料に損傷を与えるほど大きいものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本発明の目的は、ハイパワーのＣＰＦＬを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、改良されたＣＰＦＬを有するシステム（例えばこのような増幅器を有する光ファイバ増幅器あるいは通信システム）で実現される。例えばこの改良されたＣＰＦＬは、類似の従来のＣＰＦＬよりも短く（例、１００ｍ以下の長さ）および／あるいは類似の従来のＣＰＦＬよりもより高いパワーでもって動作可能である。
【０００７】
本発明のＣＰＦＬは、高屈折率（ほぼ円形）のコアと、このコアを包囲する低屈折率のクラッド層を有するある長さの光ファイバを含む。このコアは、直径ｄ_c を有し、光ファイバは、波長λのレーザ発振の導波基本空間モードＬＰ₀₁をサポートする。このレーザ発振のＬＰ₀₁モードは、モード直径ｄ₀₁を有する。このコアは、稀土類ドーパント（例、ＮｄまたはＹｂ）を含有し、波長λのレーザ発振を行う。さらに本発明の装置は、波長λ_p（λ_p＜λ）のポンプ発振を光ファイバ内に導入する手段を有する。
【０００８】
本発明にとって重要なことは、稀土類ドーパントはコアを有する光ファイバの部分内に分散して、その直径ｄ_REはｄ₀₁よりも大きい。
【０００９】
本発明の一実施例においては、コアの直径ｄ_c はＬＰ₀₁モードはレーザ発振の導波空間モードのみであるよう選択され、そして稀土類ドーパントはコア内に分散して第１クラッド領域がこのコアに隣接している。
【００１０】
本発明の他の実施例においては、コア直径ｄ_c は光ファイバがＬＰ₀₁モードに加えてレーザ発振の少なくとも１つのより高次の導波モード（通常ＬＰ₁₁と称するがＬＰ₀₂を排除するものではない）を有するよう選択され、そして稀土類ドーパントの直径ｄ_REはｄ_c に等しいかあるいはそれ以上である。
【００１１】
ＬＰ₀₁モードの直径（ｄ₀₁）は、波長λにおいて全ＬＰ₀₁パワーの７０％を含む光ファイバの断面積の直径として定義する。ＬＰ₀₁モードの形状およびｄ₀₁の値は、T. Lenahan 著の Bell System Technical Journal, Vol. 62, p. 2663 (1983)に記載された数値計算により決定できる。さらにまた様々なモードについては、前掲の米国特許第５，１２１，４６０号を参照のこと。
【００１２】
稀土類ドーパント分布の直径（ｄ_RE）は、光ファイバ中の稀土類ドーパントの全量の９０％を含む断面積の直径として定義する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１はＣＰＦＬ用の光ファイバ１０の断面図である。同図において、コア１２の周囲に内側（第１）クラッド層１３と外側（第２）クラッド層１１とが形成されている。図２は半径ｒと光ファイバ１０の屈折率ｎの関係を表す図で、１２′はコア１２の屈折率で、１１′と１３′はそれぞれクラッド層１１，１３の屈折率である。稀土類ドーパント（Ｎｄ）の濃度は、コア１２，内側（第１）クラッド層１３に亘ってほぼ一定で、コア１２はさらに屈折率上昇用ドーパント（Ｇｅ）を含む。
【００１４】
コアの直径ｄ_c は約８μｍで、その直径と屈折率は光ファイバがレーザ波長λでシングルモードファイバであるように選択される。言い換えると光ファイバは、波長λで唯一の導波モード即ち基本空間モードＬＰ₀₁を有する。光ファイバにおいてこの有効モード直径はｄ₀₁とする。図１，２の本発明の一実施例においては、内側（第１）クラッド層１３の外部直径ｄ_RE＞１．１ｄ₀₁となるよう選択される。
【００１５】
小さな径のｄ_REに対しては、本発明の一実施例による利点（例えば、ポンプ放射を光ファイバのコアに結合する向上率）は小さい。例えばｄ_RE＝１．１ｄ₀₁の場合にはＣＰＦＬの長さの減少率は、従来の対応するＣＰＦＬの長さの２０％以下でしかない。
【００１６】
本発明の一実施例においては、コアの直径と屈折率は、光ファイバは波長λで、少なくとも２個の導波空間モード（ＬＰ₀₁とＬＰ₁₁）を有するよう選択される。マルチモード（例、デュアルモード）の光ファイバのコアの直径はシングルモードファイバのコアよりも遥かに大きくクラッド層からのポンプ放射を稀土類をドープしたコアにより容易に結合できるようにしている。
【００１７】
図３は、デュアルモードファイバ３０の屈折率プロファイルを表し、参照番号３１は通常Ｇｅをドープしたコアを、参照番号３２はクラッド層を表す。経験的にこのコアの直径は、稀土類元素が分布した領域の直径にほぼ等しいが、後者（即ち、稀土類元素が分布した領域の直径）は前者（コアの直径）以上でもよい。
【００１８】
図４は、本発明によりクラッド層ポンプ光ファイバレーザ４０とファイバ増幅器とを有する光ファイバ通信システムの関連部分を表す図である。
【００１９】
波長λ_p のポンプ放射が従来方法によりデュアルモード光ファイバ４１のクラッド層に導入される。このファイバのコアには適当な稀土類ドーパント（例、ＮｄまたはＹｂ）がドーピングされ、そしてｄ_REはｄ_c にほぼ等しい。ポンプ放射がコアに結合され、そして稀土類ドーパントイオンにより吸収され波長λのレーザ発振となる。そしてコア内を伝播する放射の一部はＬＰ₀₁モードとＬＰ₁₁モードである。
【００２０】
デュアルモードファイバ４１は、屈折率グレーティング４５，４６，４７を有し、これらは米国特許出願０８／７１２，６９４に記載されたモード結合グレーティングを有する。このグレーティングは、光ファイバのコア内のみに存在し、クラッド層内のポンプ放射には何等影響を及ぼさない。
【００２１】
屈折率グレーティング４５は、高反射率（ほぼ１００％の反射率）のモード結合グレーティング（mode coupling grating（ＭＣＧ））である。このようなグレーティングは、波長λの入射光ＬＰ₀₁放射をＬＰ₁₁放射として反射し、そしてその逆も行うよう選択される。グレーティング４６は、中間の反射率（例；約９８％の反射と約２％の透過）のＭＣＧであり、波長λの入射ＬＰ₀₁放射の一部ｘをＬＰ₀₁として透過し、一部（１−ｘ）をＬＰ₁₁として反射し、入射ＬＰ₁₁のｘ′（必ずしもｘに等しくはない）をＬＰ₁₁として透過し、そして一部（１−ｘ′）をＬＰ₀₁として反射する。
【００２２】
グレーティング４７は高反射率（ほぼ１００％）のグレーティングで波長λの入射ＬＰ₁₁放射のほぼ１００％をＬＰ₁₁として反射し、波長λの全ての入射ＬＰ₀₁をＬＰ₀₁として透過する。このレーザは、ＬＰ₁₁の代わりＬＰ₀₂を用いるよう設計することもできる。
【００２３】
上記の特性を有するグレーティングは公知であり、前掲の米国特許出願０８／７１２，６９４にその製造方法は開示されている。
【００２４】
次にクラッド層ポンプ光ファイバレーザ４０の動作を説明するが、屈折率グレーティング４５−４７は双方性要素であり、即ちこのグレーティングは、下流方向放射と上流方向放射に対し、同一の機能を実行する。
【００２５】
次にクラッド層ポンプ光ファイバレーザ４０の動作について説明する。例えば波長λの上流方向に伝搬するＬＰ₁₁の放射について考えてみる。この放射は、屈折率グレーティング４５でＬＰ₀₁として反射され（４８０）、そしてグレーティング４６まで伝播し、そこで一部（１−ｘ）がＬＰ₁₁として反射され（４８１）、一部ｘはＬＰ₀₁として伝播し、グレーティング４７を何等変化せずに通過して（４８２）、その後使用される。
【００２６】
この反射された一部（１−ｘ）は、屈折率グレーティング４５まで伝播し、グレーティング４６に伝播するＬＰ₀₁として反射され、グレーティング４６で一部ｘはＬＰ₀₁として透過し、一部（１−ｘ）はＬＰ₁₁として反射される。伝送された一部ｘは、グレーティング４７を通過し、さらにその後使用される。レーザキャビティ内の放射性の他の要素の類似の理由付けを用いることにより本発明のレーザの動作は容易に明かとなる。
【００２７】
図４において、参照符号４８０−４８４は、グレーティングにより行われる機能を特定するためのものである。例えば、参照番号４８１はグレーティング４６は入射光の一部（例、２％）を何等変化させずに伝送し、そして反射された部分のモードを変化させることを意味する。参照番号４８２と４８４は、それぞれ入射光ＬＰ₀₁の未変化の伝送と入射光ＬＰ₁₁の未変化の反射を表す。
【００２８】
図４において、グレーティング４７を通過する波長λのＬＰ₀₁放射は、ファイバカプラ（ＷＤＭ）４２まで伝播してシングルモードファイバ４３に結合され、そして従来の稀土類ドープ増幅器ファイバ４４まで伝播してポンプ放射として機能する。
【００２９】
図４の実施例は本発明よる唯一のポンプレーザ構成を表すものではない。例えば、レーザキャビティ内に２つの長距離（透過）モードコンバータグレーティングを有するレーザを具備することも可能である。
【００３０】
図５において、ポンプ放射λ_p は、デュアルモードファイバ５１のクラッド層に結合され、さらにファイバの稀土類をドープしたコアに結合される。グレーティング５２は、ＭＣＧで、このＭＣＧは入射レーザ放射（波長λ）のほぼ１００％を変換して反射する。そしてこの変換は、ＬＰ₀₁からＬＰ₁₁あるいはＬＰ₁₁からＬＰ₀₁である。
【００３１】
グレーティング５３は、入射ＬＰ₁₁放射のほぼ１００％を反射し、入射放射ＬＰ₀₁のほぼ１００％を透過するが、この場合両方ともモード変換は行われない。そしてグレーティング５４は、入射放射ＬＰ₀₁の所定部分（例、１０％）を透過し、残り（例、９０％）を反射させるが、この場合も両方ともモード変換は行われない。グレーティング５４を介して伝送されるＬＰ₀₁レーザ放射は、例えば光ファイバ増幅器（図示せず）までシングルモードファイバ５５内を導かれる。
【００３２】
図６の実施例は、図５の実施例に類似した構成であるが、グレーティング６３，６４，ファイバ６５は、図５の対応するそれぞれの要素とは異なったものである。グレーティング６３のは、波長λの入射放射ＬＰ₀₁のほぼ１００％を反射し、その波長の入射放射ＬＰ₁₁のほぼ１００％を透過するが、この場合両方ともモード変換は行われない。グレーティング６４は、波長λの入射放射ＬＰ₁₁のほぼ１０％を透過し、残りを反射させるが、この場合両方ともモード変換は行われない。ファイバ６５は波長λの導波ＬＰ₀₁とＬＰ₁₁の放射用の放射モードに適したデュアルモードファイバである。
【００３３】
図５，６の実施例は、ＬＰ₁₁の代わりにＬＰ₀₂を用いるためのものである。
【００３４】
本発明のさらなる実施例においては、図５，６のレーザは並列に動作して結合出力を出すように構成することもできる。図４の組み合わせは、光ファイバ通信システム４００の一部であり、この光ファイバ通信システム４００は従来の要素、例えば送信器４０１と受信機４０２を接続する光ファイバ伝送パスとを有する。図５，６の実施例は類似のシステムの一部である。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明は、ハイパワーのＣＰＦＬを提供することである。本発明は、改良されたＣＰＦＬを有するシステム、例えばこのような増幅器を有する光ファイバ増幅器あるいは通信システムで実現される。この改良されたＣＰＦＬは、類似の従来のＣＰＦＬよりも短く（例、１００ｍ以下の長さ）および／あるいは類似の従来のＣＰＦＬよりもより高いパワーでもって動作可能である。本発明のＣＰＦＬは、高屈折率（ほぼ円形）のコアと、このコアを包囲する低屈折率のクラッド層を有するある長さの光ファイバを含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＣＰＦＬのファイバの断面図
【図２】図１のファイバの屈折率プロファイルを表す図
【図３】本発明の他のＣＰＦＬのファイバの屈折率プロファイルを表す図
【図４】本発明のＣＰＦＬを有する光ファイバ通信システムの関連部分を表す図
【図５】本発明の他の実施例を表す図
【図６】本発明の他の実施例を表す図
【符号の説明】
１０光ファイバ
１１外側（第２）クラッド層
１２コア
１３内側（第１）クラッド層
４０クラッド層ポンプ光ファイバレーザ
４１デュアルモードファイバ
４２ファイバカプラ（ＷＤＭ）
４３シングルモードファイバ
４４稀土類ドープ増幅器ファイバ
４５，４６，４７屈折率グレーティング
５２，５３，５４，６３，６４グレーティング
４００光ファイバ通信システム
４０１送信器
４０２受信機

Claims

ポンプ放射が導入された低屈折率のクラッド層（１３）と、前記クラッド層により包囲される高屈折率の円形コア（１２）とを有する、レーザ光学キャビティを規定しているある長さの光ファイバを含むクラッド層ポンプファイバレーザ（４０）を有する装置において、
前記コアの直径ｄ_ｃは、前記光ファイバが波長λのレーザ放射の基本導波空間モードＬＰ_０１をサポートできるよう選択され、
前記ＬＰ_０１モードは、有効モード直径ｄ_０１を有し、
前記コア（１２）は、光ファイバ内にレーザ放射を放出する稀土類ドーパントを有し、
前記稀土類ドーパントは、前記コア又は前記コアと前記クラッド層の一部のみとに分布し、
前記稀土類ドーパントの分布領域の直径ｄ_ＲＥは、前記ＬＰ_０１モードの有効モード直径ｄ_０１よりも大きいことを特徴とするクラッド層ポンプファイバレーザを有する装置。
前記ＬＰ_０１モードは、光ファイバによりサポートされる唯一の導波モードであり、かつｄ_ＲＥ＞ｄ_ｃであることを特徴とする請求項１の装置。
光ファイバにより波長λの放射の少なくとも１つの高次導波空間モードをサポートされ、かつ
前記ｄ_ＲＥは、前記コアの直径ｄ_ｃ以上であることを特徴とする請求項１の装置。
前記光ファイバは、レーザ光学キャビティを規定する屈折率グレーティングを有し、
前記複数の屈折率グレーティングは、少なくとも１つのモード結合屈折率グレーティングを含むことを特徴とする請求項３の装置。
前記モード結合屈折率グレーティングは、波長λの入射放射ＬＰ_０１の一部ｘをＬＰ_０１放射として透過し、
前記入射放射ＬＰ_０１の残りの一部（１−ｘ）を波長λの高次モード放射として反射することを特徴とする請求項４の装置。
前記少なくとも１つの高次導波空間モードは、ＬＰ_１１であり、
前記モード結合屈折率グレーティングは、グレーティングに入射する波長λのＬＰ_１１放射の全てをＬＰ_０１放射として反射することを特徴とする請求項４の装置。
前記少なくとも１つの高次導波空間モードは、ＬＰ_０２であり、
前記モード結合屈折率グレーティングは、グレーティングに入射する波長λのＬＰ_０２放射の全てをＬＰ_０１放射として反射することを特徴とする請求項４の装置。
前記光ファイバの長さは１００ｍ以下であることを特徴とする請求項１の装置。
前記装置は光ファイバ通信システムであり、該システムは、
送信器と、受信機と、前記送信器と受信機とを接続する光ファイバ伝送パスとを有し、
前記クラッド層ポンプファイバレーザが、前記光学伝送パスに光学的に結合され、クラッド層ポンプファイバレーザからの前記レーザ放射が光ファイバ伝送パス内で用いられることを特徴とする請求項１の装置。