JP5204975B2

JP5204975B2 - ファイバ増幅器

Info

Publication number: JP5204975B2
Application number: JP2007014721A
Authority: JP
Inventors: 通雄中山; 明孝山田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-01-25
Also published as: JP2008182072A

Description

本発明は、ファイバ増幅器に関する。

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Ｔｍ^３＋（ツリウムイオン）を添加したファイバが用いられる。Ｔｍ^３＋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^３Ｈ_４から^３Ｈ_６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。

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。
特開２００２−２４６６７３号公報

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。

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、前記他方の端部における前記希土類元素内に励起されたエネルギーは、前記一方の端部における前記希土類元素内に励起されたエネルギーよりも大きく、かつ前記ファイバ内において最大であり、１９００ｎｍ以上かつ２１００ｎｍ以下の波長を有し、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。

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。

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Ｔｍ^３＋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。

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。

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Ｔｍ^３＋のエネルギー準位について説明する。図２はＴｍ^３＋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Ｔｍ^３＋は、^３Ｈ_４から^３Ｈ_６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。

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、^３Ｆ_４から^３Ｈ_６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。

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Ｔｍ^３＋が励起されて生じる。

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Ｔｍ^３＋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。

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。

図４は、８００ｎｍ近傍の波長におけるＴｍ^３＋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^−２５ｍ^２）、横軸は波長（ｎｍ）である。この吸収は^３Ｈ_６から^３Ｈ_４、^３Ｆ_４、^３Ｆ_２，３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^−２５ｍ^２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。

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。Ｔｍ^３＋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、Ｔｍ^３＋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^−２５ｍ^２）、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^−２５ｍ^２であるのに対して、吸収も約０．７×１０^−２５ｍ^２であるように２μｍ近傍において吸収も生じる。

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、Ｔｍ^３＋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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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^−２５ｍ^２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。

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Ｔｍ^３＋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。

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。

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、Ｔｍ^３＋添加のファイバ２０をより強く励起することができる。

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。

本発明の実施形態にかかるファイバ増幅器の構成図である。Ｔｍ^３＋のエネルギー準位図の一例である。Ｔｍ^３＋添加ファイバにおける利得及び吸収損失の分布を表すグラフ図である。８００ｎｍ近傍におけるＴｍ^３＋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る。Ｔｍ^３＋添加シリカファイバにおける発光及び吸収断面積を表すグラフ図である。ファイバ出力の励起入力依存性を表すグラフ図である。比較例である７９３ｎｍ励起光による利得及び吸収損失分布を表すグラフ図である。

符号の説明

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

Claims

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、
前記他方の端部における前記希土類元素内に励起されたエネルギーは、前記一方の端部における前記希土類元素内に励起されたエネルギーよりも大きく、かつ前記ファイバ内において最大であり、
１９００ｎｍ以上かつ２１００ｎｍ以下の波長を有し、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。
前記ファイバの単位長さ当たりの増幅の利得は、前記一方の端部から前記ファイバの中間部に向かって低下し、前記中間部から前記他方の端部に向かって増大し、前記他方の端部において最大となることを特徴とする請求項１記載のファイバ増幅器。
前記利得から前記希土類元素の吸収損失を減じた正味の利得は、前記ファイバの長さ方向の全域にわたってプラスであることを特徴とする請求項２記載のファイバ増幅器。
前記第２の励起光の波長は、前記信号光を増幅可能な励起波長範囲において、前記吸収係数を極大とする波長の近傍であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のファイバ増幅器。
前記希土類元素は、ツリウムであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のファイバ増幅器。