JP5337819B2 - 狭帯域ファイバ・ラマン光増幅器 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、狭帯域ファイバ・ラマン光増幅器に関する。

光ファイバ中のポンプ周波数を有する光が、ラマン過程のストークス線に対応する光を増幅する光学ラマン・ファイバ増幅器が一般的に知られている。ポンプ光と増幅されるべき光との周波数差は、通例、４０ｎｍから８０ｎｍの範囲内の６０ｎｍなどであり得る。

ラマン過程は、例えば、不純物としてのゲルマニウムによって強化されるので、ラマン増幅器のために例えばゲルマニウム添加シリカ・ファイバがしばしば使用される。現存するラマン増幅器は、大パワーに到達し得るけれども、同時に狭い増幅された線幅には到達し得ない。

ラマン・ファイバ増幅における幾つかの問題が特定され得る。例えば、誘導ブリルアン（ＳＢＳ）光散乱或いは四光波混合（ＦＷＭ）は、線幅拡大につながる。これは、いろいろな理由から望ましくないであろう。分光学的分解能のためには、広い線幅は不利である。更に、この線幅の広がりは、共振モード外、或いは所望の波長範囲外にある光が失われるため、通常は損失をもたらす。

ラマン増幅は、ファイバの非線形性に依拠する。この非線形性は、しばしばＸ^（３）テンソルと称される３次テンソルにより記述され得る(例えば、ジー・ピー・アグラワル（G. P. Agrawal）著、"非線形ファイバ光学（Nonlinear Fiber Optics）"、第４版、アカデミック・プレス(Academic Press）、米国、を参照されたい）。あいにく、この非線形性は、四光波混合（ＦＷＭ）及び誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）などの他の望ましくない効果も含む。非線形性の強さは、一般的に、スカラー量：

により特徴づけられ、ここでｎはファイバの屈折率の線形部であり、Ｒｅ（）は実数部を表し、ｘｘｘｘは１つの特定テンソル成分を表す。

ＦＷＭは、いろいろなスペクトル成分の混合に至ると共に、線広がりを含む。また、所望の周波数における光パワーは光学雑音と混じりあうことがあり得るので、信号エネルギーが失われる。

特に、ＳＢＳはファイバ・レーザにおける深刻な損失の原因であり、大きなレーザ光強度は、屈折率格子を引き起こす音響型フォノンをファイバ中に生じさせる。この格子によって光は後方散乱させられ、これは、ファイバで伝送される最大パワーを制限すると共に前の増幅ステージ或いはシード・レーザを破壊することのある効果である。ＳＢＳの発生は、一定のパワー・レベルを超えた時に突然生じる。このパワー・レベルは、ファイバ長、光の帯域幅、及びファイバ非線形性などの、幾つかのシステム・パラメータによる。特に、ファイバ・ガラス組成、可能なガラス・ドーパント、及びファイバの屈折率分布は強い影響を及ぼす。一般的に、長い一様な光ファイバにおいて狭帯域信号を使用するときにＳＢＳは最も深刻になる（最低パワー閾値で発生する）。これらの事情は、従来、ラマン増幅器の使用を広帯域で且つ／又は低パワーのアプリケーションに限定してきた。

誘導ラマン増幅（ＳＲＳ）は数学的に

と記述されることができ、ここでｚはファイバに沿っての距離であり、Ｉ_ｓは信号強度を表し、Ｉ_ｐはポンプ強度を表し、ｇ_Ｒはラマン利得係数を表し、α_ｓは線形光減衰を表す。

ＳＢＳについて類似の方程式が成り立つ：

ここでｇ_Ｂはブリルアン利得係数であり、最初のマイナス記号はパワー損失を示す。

従って、本発明の目的は、光学ラマン増幅器、光学光源及び光ファイバの使用法、並びに、大パワー／大増幅及び非常に狭い線幅に配慮したラマン増幅器によって光を増幅する方法を提供することである。

この目的は、請求項１又は２２に記載のラマン増幅器、請求項２６に記載の光学光源、請求項３３に記載の光ファイバの使用法、及び請求項３４のラマン・ファイバ増幅器によって光を増幅する方法で解決される。好ましい実施態様が従属請求項において開示されている。

本発明に従って、ラマン利得係数とブリルアン利得係数との大きな比を有するファイバが使用される。そのようなファイバについては誘導ブリルアン散乱の発生を伴わずにラマン増幅によって大パワーに到達することが可能であることが分かった。

ＳＲＳ及びＳＢＳは、両方とも、ポンプ強度

より上で発生する閾値特性を有し、ここで実効ファイバ長Ｌ_ｅｆｆは

として定義され、ここでα_ｐはポンプ光減衰を表し、Ｌはファイバ長である。０．３の中の強度Ｉ_ｐ ^ｔｈは、それぞれＳＲＳのストークス線又はＳＢＳにおいて同じ強度を誘導するポンプ強度であると定義される。本発明の目的のためには強度比

をなるべく大きく保つことが有利であると分かった。比ｇ_Ｒ／ｇ_Ｂは、波長、光ファイバの化学組成及び形状寸法に複雑な仕方で依存するが、これらのパラメータを適切に選択することによって制御され得る。

ｇ_Ｒ及びｇ_Ｂは、両方とも、波長とファイバ温度とに依存する。ＳＲＳ係数ｇ_Ｒは真空波長λ_０にほぼ反比例し、ｇ_Ｂはｎ^７／λ_０に比例する（ｎは波長にも依存するということに留意されたい）。指定された比を適切に定義するために、その値は１０６４ｎｍの任意真空波長において定義される。しかし、これは、該比が測定され得る基準波長であるに過ぎない。これは、該増幅器がそのような波長で（だけ）使用され得ること或いはそのような波長で使用されなければならないということを示唆しない。

ｇ_Ｒ及びｇ_Ｂの温度依存性はもっと複雑である。比ｇ_Ｒ／ｇ_Ｂは、通常、３００Ｋなどの室温である動作温度について指定される。増幅器は、ファイバのための温度制御を有し得る。ここで、そのような温度調節器によって、例えば３５０、３８０、４００、５００、６００、７００又は８００Ｋ若しくはそれより高い、或いは２７５、２５０、２２５、２００、１７５、１５０、１２５又は１００Ｋより低い温度などの、３００Ｋより高い或いは低い動作温度がセットされ得る。この場合、ｇ_Ｒ／ｇ_Ｂの比が指定される動作温度は室温とは異なり得る。この目的のために、ファイバは、例えばシリンダ状エレメントなどの温度制御される加熱又は冷却エレメント上に置かれ得、或いは温度制御されるハウジングの中に設けられ得る。

例えば、ラマン増幅に特に適するようにされてはいない長距離通信システムのために使用される普通のファイバなどの、相対的に低いラマン増幅の潜在能力（例えば、ｎ_２の低い値により与えられる）を有するファイバが使用され得る。これらのファイバが選択されるとしても、大パワーが望ましい。低いラマン増幅の潜在能力は、比較的大きなポンプ・パワー及び比較的長いファイバにより補われる。この特定の手段の組み合わせで、大パワーを得ることができ、同時に線幅を狭く保つことができるということが分かった。

或る好ましい実施態様では、ｇ_Ｂ＜１０^−１０ｍ／Ｗなどの低いブリルアン利得係数ｇ_Ｂを有する増幅ファイバを採用する。前記ファイバの少なくとも１つのセクションにおけるブリルアン利得係数ｇ _Ｂ は、ファイバ動作温度及び１０６４ｎｍの真空波長において１０ ^−１０ ｍ／Ｗ、０．５×１０ ^−１０ ｍ／Ｗ、０．２×１０ ^−１０ ｍ／Ｗ、又は０．１×１０ ^−１０ ｍ／Ｗより小さくともよい。ｇ_Ｂの小さな値は通常（全てのファイバにおいてではないが）ラマン利得係数ｇ_Ｒの低い値も示唆するので、ラマン増幅器のために小さなｇ_Ｂを有するファイバを選択することは当業者にとっては直感と相容れない。

大パワー狭帯域ラマン増幅器のための可能な性能指数は、平均信号出力パワーＰ_ｏｕｔに対する半値全幅（ＦＷＨＭ）強度信号帯域幅Ｂ_ＦＷＨＭの比Ｂ_ＦＷＨＭ／Ｐ_ｏｕｔである。提示された技術で、Ｂ_ＦＷＨＭ／Ｐ_ｏｕｔ＜３３ＭＨｚ／Ｗ、またＢ_ＦＷＨＭ／Ｐ_ｏｕｔ＜１０ＭＨｚ／Ｗの比を達成することが可能である。

好ましい実施態様では、ラマン増幅器におけるＳＢＳ閾値を高めるために複数の手段の組み合わせが使用される。それらの手段は下記のものを含むが、それらに限定はされない：
１． ＳＢＳ利得係数に対するラマン利得係数の高い（例えば０．００１、０．００２、０．００５或いは０．０１より高い）比ｇ_Ｒ／ｇ_Ｂを有するファイバを提供すること；
２． コアにおける縦方向音速がクラッドにおけるそれより大きいファイバを提供すること；
３． ファイバの加熱を差動的に提供すること、すなわち、少なくともファイバの１セクションでファイバに沿って温度勾配を導入すること、ここで前記ファイバは１０ケルビンより大きな最大ファイバ温度差でファイバ長に沿っていろいろな温度で加熱されてもよい；
４． 例えば引張りマンドレルでファイバの差動的引張りを提供すること、すなわち、少なくともファイバの１セクションでファイバに沿って応力勾配を導入すること；
５． なるべく短いファイバで信号を増幅するために大パワーのポンプ（例えば少なくとも１０、１５、２０、３０、４０又は５０Ｗ光学ポンプ・パワー）を提供すること；
６． 逆方向ポンピング方式を提供すること（ポンプ光及び信号がファイバ内を反対方向に進む）；
７． 狭帯域シード・レーザ（例えば３０ＭＨｚスペクトル帯域幅未満）を提供すること；
８． 間に光アイソレータを有する複数のステージを増幅器に設けること（アイソレータは"光バルブ"のように作用して光を順方向にだけ通過させる）；
９． 異なるステージに異なるファイバ・タイプを設けること；
１０． 例えばスプライシングによって結合されるいろいろなファイバ・タイプのセクションを同じステージ内に一緒に設けること；
１１． 最高の可能なＳＢＳ閾値を維持しながら利得を最適化するためにシステム内の全ファイバの長さを選択すること。特に、増幅器の出力に向かって、異なる増幅ステージの中でファイバ・セクション長又はファイバ長を短くしてゆく。

増幅ファイバには少なくとも２つの異なるタイプのファイバが使用されてもよく、少なくとも１つのタイプのもののファイバ長は前のタイプのものより少なくとも１０％、２０％、３０％又は５０％短くてもよい。
この文書において、"ステージ"又は"増幅器ステージ"という用語は、それ自身のポンプ入力を有する増幅器ファイバ部分を意味する。特に、マルチ・ステージ増幅器は、同じポンプ光伝播方向の２つ以上のポンプ入力を持つことができ、且つ／又はポンプ付きファイバの２セクション間に少なくとも１つのアイソレータを使用する。ポンプ光は異なるステージ間でリサイクルされ得る、すなわち、１つのステージの未変換ポンプ光が他のステージに再注入され得る。少なくとも１つのステージの増幅ファイバ全長は前のステージより少なくとも１０％、２０％又は５０％短くてもよい。

ファイバ選択に関して、先行技術は、大きなラマン利得係数を達成するために大きな非線形性を有するラマン増幅器のためのファイバの使用に関して報告している（例えば、ゼッド・ユソフ（Z. Yusoff）、ジェー・エッチ・リー（J. H. Lee)、ダブリュー・ベラーディ（W. Belardi）、ティー・エム・モンロー（T. M. Monro）、ピー・シー・ティー（P. C. Teh)、及びディー・ジェー・リチャードソン（D. J. Richardson)、"高度に非線形の穴開きファイバにおけるラマン効果：増幅及び変調(Raman effects in a highly nonlinear holey fiber: amplification and modulation)"、オプティクス・レターズ（Optics Letters)、第２７巻第６号、ｐ．４２４−４２６（２００２年）、或いはワイ・リー（Y. Li)、エス・ディー・ジャクソン（S. D. Jackson)、ワイ・ザオ（Y. Zhao)、エス・フレミング（S. Fleming)、"二重波長Ｎｄ／ｓｕｐ３＋／−ドープされたファイバ・レーザによりポンピングされるラマン・ファイバ増幅器及びレーザの同時動作（Simultaneous operation of a Raman fiber amplifier and laser pumped by a dual-wavelength Nd/sup 3+/-doped fiber laser)"、ジャーナル・オブ・ライトウェーブ・テクノロジー（J. of Lightwave Technology)、第２３巻、第５号、ｐ．１９０７−１９１２（２００５年））。このような特製ファイバは、高いドーパント濃度及び／又は非常に小さなファイバ・コアを含むことがあり、従って小さなモードフィールド径を有し、高出力密度、従って高い非線形性を引き起こすことがある。この教示とは反対に、本発明の或る側面は、"非ラマン"ファイバ、すなわちラマン変換に特別に有利ではなく、低いドーパント濃度及び／又は標準的コア径を有するファイバ、にも基づいている。この文書の範囲内において"非ラマン・ファイバ"は、本発明によらない場合には例えば遠隔通信アプリケーションのために使用されるけれどもラマン増幅器に用いられるべく特別に製造され且つ／又は意図されてはいないコーニング（Corning)ＳＭＦ−２８ｅファイバなどのシングル・モードのファイバを含む。

本発明の或る側面では、５×１０^−２０ｍ^２／Ｗ、２×１０^−２０ｍ^２／Ｗ、１×１０^−２０ｍ^２／Ｗ或いは０．５×１０^−２０ｍ^２／Ｗより小さい非線形性係数ｎ_２を有するシリカ・ファイバが増幅目的のために使用される。そのようなシリカ・ファイバにおけるラマン利得は幾分低いけれども、ＳＢＳ及びＦＷＭなどの不利な効果も比較的低い。その結果として、光は低効率だが線幅の顕著な増大を伴わずに増幅され得る。

回折制限されたビームを放射する増幅器を得るために、増幅のためのファイバは好ましくはシングル・モードのファイバである。回折制限される光ビームは、対応する光学系でのそのようなビームの良好な投射及び良好な収束に配慮するものである。

ファイバは、好ましくはシリカ・ファイバである。この文書においては、"ドーパント"という用語はファイバ・ガラスに加えられた、その光学特性又は音響特性を変化させる化学物質を意味する。ドーピングは、意図的であり或いは意図的でないこともある（例えば、汚染から生じる）。代表的なドーパントは、ゲルマニウム、アルミニウム、燐、ビスマス、マグネシウム、カリウム、フッ素、イッテルビウム、ツリウム及びホウ素を含むが、これらに限定はされない。

ドーピング材料の、特にゲルマニウムの、含有量は、好ましくは、５重量％、２重量％、１重量％或いは０．５重量％未満である。

明確な出力偏波を提供すると共に増幅器の安定した動作を提供するために、偏波保持ファイバが使用され得る。

クラッドよりもコアにおける縦方向音速の方が大きいファイバを提供することによって、コアにおけるフォノン濃度は、ＳＢＳについてのより高い閾値が得られるように、抑制される。

更に、例えば温度勾配、応力勾配或いはいろいろなファイバ・タイプによってファイバに沿って不均質性を導入することによって、フォノン起因の回折格子の形成が妨げられるので、ＳＢＳ閾値が更に押し上げられ得る。それにも拘らず、これらの手段によって或る程度の線幅拡大が引き起こされるが、それは、所望のアプリケーションによっては容認され得るであろう。これらの手段は、低いラマン増幅を補うのに役立つ比較的長いファイバを使用するために有利である。温度勾配の場合には、ファイバの動作温度はファイバの長さに沿って変化する。これらの場合には、請求項で使用される"動作温度"などの用語は、存在する最高のファイバ温度により与えられると見なされる。

ファイバ・レーザは、時間的に連続した光（連続波、ｃｗ）、時間的に変調された光、或いはパルス状の光を放射することができる。引き出されたパワーは、常に、統計上の典型的な期間にわたって時間平均される。

いろいろなファイバ・タイプが使用される場合には、一定のファイバ・タイプ（或いは２つ又は３つ又はもっと多く又は全てのファイバ・タイプ）の一定のセクションは、好ましくは、信号光の伝播方向において前のセクションより短い。その下流側セクションでは光強度は増幅に起因してより大きいので、より短いファイバ長でＳＢＳ閾値に達する。従って、伝播方向に沿ってファイバ・セクションは好ましくはより短くなるようにする。

ファイバの長さ（例えば１つの増幅器ステージの中の）は５００ｍを上回るべきではない。そうでなければ、誘導ブリルアン光散乱のような非線形効果が数ワットのパワー・レベルで発生し得るからである。ファイバの長さは、１、１０、５０、７５、１００、１２５、１５０、１７５メートルのいずれかより長くてもよく、且つ／又は、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２５０、３００、４００又は５００メートルのいずれかより短くてもよい。

動作波長におけるファイバの固有伝送損失（ポンピング無しの場合）は、好ましくは、３ｄｂ／ｋｍ未満である。そのような低伝送損失では、低いラマン増幅を有する構成が実現され得る。前記固有伝送損失は、３．０、２．５、２．０ｄＢ／ｋｍ未満のいずれかであってもよい。

該ファイバ増幅器は、１ｄＢ、３ｄＢ、６ｄＢ、１０ｄＢ、２０ｄＢより大きい或いは３０ｄＢにも及ぶ信号パワーのパワー増幅を生み出すことができる。

該増幅器は数ワット（２ワット、３ワット、４ワット或いはそれ以上）のパワーを有する光を出力することができるが、線幅増大は低くなることもある。前記増幅器は２、３、４、５、８又は１０ワットより大きな光を放射するように構成されてもよい。

これらの比較的大きな増幅及び／又はパワーでも、出力光の線幅は入力光と比べて好ましくは１０倍より大きくはならない。実施形態によっては、出力光の線幅は、入力光と比べて、半値全幅が１倍、２倍、３倍、４倍、６倍、８倍、１０倍、１００倍、１０００倍のいずれかであることができる。

該光増幅器は、好ましくは、逆方向及び／又は順方向のポンピング方式で構成される光ポンプ・ソースを含む。逆方向ポンピング方式では、ポンプ光と増幅されるべき光とは反対方向に進み、順方向ポンピング方式ではそれらは同じ方向に進む。該ポンピング方式のうちの一方又は他方或いは両方が使用され得る。ポンプ・レーザは、１０、２０、３０、４０又は５０ワットより大きなパワーを持つこともできる。

該増幅器は、５００〜１８００ｎｍの範囲内の動作真空波長を有する。この範囲で、ドープされていないファイバの比較的小さい利得を用いても或いは低ラマン利得係数又は非線形性係数を有するファイバを用いても正味の利得（増幅から伝送損失を差し引いた利得）を得ることが可能であるように低い伝送損失を有する光ファイバが利用可能である。 前記動作真空波長は、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００ｎｍのいずれかより長くともよく、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００又は１８００ｎｍのいずれかより短くともよい。前記増幅器は５８８〜５９０ｎｍ又は１１７７〜１１７９ｎｍの範囲の中の真空波長で動作可能であってもよい。

増幅を増大させるためには、２つ、３つ、４つ或いはより多くの光増幅ステージを使用するのが有利である。該ステージの各々は、上又は下で言及される実施態様に従う光学ラマン増幅器である。ここで第２又は第３のステージは、なお２倍と２０倍の間の増幅を提供し得る。別々の増幅ステージは好ましくは光アイソレータによって分離される。

更にいろいろなステージで好ましくはいろいろなファイバ・タイプが使用され、信号光伝播の方向においていろいろなステージの中のファイバ長は、好ましくは少なくとも１つ、２つ、３つ又はもっと多く或いは全てのステージについて、ステージごとに短くなる。

該増幅器は好ましくは"片方向"増幅器であるということに留意するべきである。これは、増幅の経路上で光が例えばファイバ格子、鏡などによって反射されないことを意味する。これは、誘導ブリルアン光散乱に起因する光などの望ましくない波長の増幅を避けるためである。

光学光源は、シード光源と、該シード光源の光を増幅するための前に或いは下で言及される光増幅器とを有する。該シード光源は、好ましくは、所望の最終線幅に依存して１ｋＨｚ及び３００ＭＨｚの間の半値全幅線幅を有する単線スペクトルを有する。前記半値全幅線幅は、１ｋＨｚ、５ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、５０ｋＨｚ、１００ｋＨｚ、５００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、５ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、２００ＭＨｚ又は３００ＭＨｚ未満のいずれかであってもよい。そのような光源は、例えばファイバ・レーザ又は半導体レーザ及び／又はＤＦＢ（分布帰還型）レーザなどであり得る。シード・レーザのスペクトルが２つ以上のスペクトル・ピークを含む場合には、線幅は全てのピークの半値全幅帯域幅の合計により与えられると見なされる。

該光学光源の出力は、前記半値全幅線幅は、１、２、４、６、８、１０、２０、３０、５０、１００、２００、４００、６００、８００又は１０００ＭＨｚ未満のいずれかであってもよい。好ましくは、０．１〜３０ＭＨｚ未満のスペクトル半値全幅線幅を有する。他の実施態様では、線幅は１０００ＭＨｚに及び得る。

ファイバ増幅器が独力でアクセスできない周波数範囲を得るために、光増幅器の出力光の周波数を変換するために光パラメトリック発振器又は周波数逓倍器又は他の周波数変換エレメントが設けられ得る。

出力パワーは、或いは、０．１〜３０ワットより大きい。このようなパワーでは、光が非常に狭いスポットに収束され得るように特にファイバがシングル・モード・ファイバである場合を考慮して、大パワー増幅が可能である。前記出力パワーは０．１、１、２、３、４、６、８、１０、１５、２０又は３０ワットのいずれかより大きくともよい。

該増幅器或いは周波数変換により出力される光は好ましくは可視光範囲内にある。前記出力光の真空波長は、４５０、４７５、５００、５２５、５５０、５７５、５８５、６００、６２５又は６５０ｎｍのいずれかより長く、５００、５２５、５５０、５７５、５９０、６００、６２５、６５０又は６７５ｎｍのいずれかより短くともよい。特に、それに限定はされないが、５５０〜６００ｎｍの真空波長範囲内の黄色波長が好ましい。なお、前記光源は５８８〜５９０ｎｍ又は１１７７〜１１７９ｎｍの出力真空波長に対して動作可能であってもよい。

この文書において請求項１ないし８又は他の請求項などにおいて特定の特性を有する増幅ファイバの"セクション"又は"一セクション"に言及される時には、その特性を有する２つ、３つ又はそれより多くのセクションも設けられ得ること或いは（増幅ステージの）ファイバ全体がその特性を有するということが述べられるべきである。更に、別々の請求項で言及されたセクションは同じセクション或いは異なるセクションであり得る。

本発明の好ましい実施態様が、添付の図面に記載されている。図面については以下に示す通りである。

図１：ファイバ増幅器。
図２：他のファイバ増幅器。
図３：光学光源。
図４：異なるファイバ・セクションの実施態様。
図５：マルチ・ステージ光増幅器を有する光学光源。

図１において、光学狭線幅ラマン増幅器が示されている。シリカ・ファイバ１（ここでは増幅ファイバ）は、入力光７が入力され得る入力端２を備えている。更に、出力端３が設けられており、これを通して光８が出力され得る。入力端２と出力端３との間で、該ファイバは、該ファイバを便利に保管するために、通例巻かれてループ４とされる。

端２、３の間のファイバ１の長さは１ないし５００ｍであり得る。

出力端３の近くで、ポンピング光９をシリカ・ファイバ１の中に加えるためにカップラ５が設けられている。図１で分かるように、ここでは逆方向ポンピング方式が使用される。カップラ５は波長選択カップラであって、これでポンピング光９はファイバ端６からシリカ・ファイバ１の中に加えられ得る。しかし、増幅されるべき、ファイバ１内を伝播する光は、ファイバ端６の中には加えられなくて、その波長がポンピング光のものと異なるために出力され得るようにファイバ端３の中だけに（或いはほとんど中だけに）加えられる。

ファイバ１は、５×１０^−２０ｍ^２／Ｗより小さな非線形性係数ｎ_２及び／又は１０^−１０ｍ／Ｗより小さいブリルアン利得係数ｇ_Ｂを有し得るファイバである。該ファイバは、光の偏波状態を維持して安定性を高めるために偏波保持（ＰＭ）ファイバでもあり得る。

図２において、別のカップラ１０が設けられており、これも波長選択カップラである。このカップラは、ポンプ光９をファイバ１の中からファイバ端１１の中に加えることができる。このカップラ１０は、光が入力端２を通して出力されるのを避けるために設けられる。そのような光は、入力光７を提供する光源を阻害するかも知れない。任意に、前のステージ又はシード・レーザへ逆方向伝播するポンプ光又は信号光の量を減らすために光アイソレータが使用され得る。

他の側面においては、図２の増幅器は図１のそれと同等である。

図３において、図２の光増幅器を組み込んだ光源が示されている。シード光源１３が設けられており、これは、ここでは一例としてＤＦＢ半導体レーザである。そのようなレーザは、非常に狭いスペクトル線幅を有する十分な光を提供することができる。該線幅は０．１〜３０ＭＨｚ未満であり得る。

このアプリケーション例では、光出力は自由空間光学系によって任意の周波数逓倍クリスタル１５へ案内される。例えば、周期分極非線形クリスタルを使用することが可能である。このクリスタル１５から出力された光１７は、対応する光学系１６によって更に操作され得る。

例えば、アプリケーションの目的に応じて、ビームを広げ或いはビームを収束させることが可能である。それは、伝送目的のために再びファイバの中に加えられることができる。鏡及び／又はレンズが、そのような光学系１６として使用され得る。

シード光源１３と光学ラマン・ファイバ増幅器２０との間に、光アイソレータが設けられ得る。これは、シード光源内へ反射されて戻る光からシード光源１３を守るためである。

更に、図３に見られるように、ポンプ光源１４が使用される。これも、大パワー半導体又はファイバ・レーザであり得る。そのようなポンプ・レーザは、１０、２０、３０、４０又は５０ワットより大きなパワーを持ち得る。

本発明の好ましい実施態様では、シード光源１３は、１１７８ｎｍの波長で１０ｍＷを提供する光源である。ポンプ・レーザ１４は、４０ワットのパワーを有し、１１２０ｎｍの中心波長で光を提供する。増幅器２０から出力される光１８は、２ないし２５ワットのパワーと、半値全幅（ＦＷＨＭ）で１０ＭＨｚ未満、或る場合には５００ＭＨｚ未満、の線幅とを有し得る。

光ファイバ１は、約１〜３５０ｍの長さを有する。

この好ましい実施態様においてアイテム１５は、該クリスタルから出力される光１７が５８９ｎｍの波長を有するような周波数逓倍クリスタルである。この光は、ナトリウムの黄色放射Ｄ線に対応する。従って、そのような光でナトリウムを励起すること或いはこの波長でスペクトル分析を実行することが可能である。ナトリウムの励起は、地上から約９０ｋｍ上のナトリウムの多い大気層において人工光源を作り出すために使用され得る。そのような人工光源は、天文学において補償光学装置を調整するために使用され得る。それは、原子分光学のために或いは（皮膚）癌の処置などの医学的処置のためにも作り出され得る。

分光学的目的のためには、光源１３は（調整可能波長を有する）可変同調光源であり得る。光増幅器２０の利得は一定の波長範囲で提供されるので、出力光１８又は出力光１７は、ポンプ波長に依存して例えば５、１０又は２０ｎｍより大きな一定の波長範囲にわたって調整され得る。

図４ａにおいて、増幅ファイバ１のセクション１ａは、ファイバ中に応力を生じさせるためにマンドレル１９の周りに引張られた状態で巻かれている。セクション１ｂは引張られていない。従って、２つのファイバ・セクション１ａ及び１ｂの光学特性及び／又は音響特性は僅かに異なり、それはＳＢＳ閾値を高めることを可能にする。

ファイバ・セクション１ａが応力無しでマンドレル１９に巻かれる場合、例えばこのマンドレルが電圧の印加によって変形させられ得る圧電体である場合には、そのような応力は好ましくは（差動的に）該マンドレルを変形させることによって生じさせられ得る。該マンドレルが差動的に変形させられるならば、ファイバ内に張力勾配が含まれる。

温度の異なる別々のファイバ・セクション１ａ及び１ｂを得ることによってファイバ内に温度勾配を生じさせるためにマンドレルは加熱されることもできる。これも、ＳＢＳ閾値を高めることを可能にする。ファイバのセクション１ａがその中に設けられるハウジングなどの、他の種類の加熱も使用され得る。

図４ｂに、増幅ファイバ１が２つの異なるタイプのファイバを含む場合が示されている。１つのタイプは１ｃで示され、他方は１ｄで示されている。ファイバ・セクション1ｃ及び１ｄは、組成、形状寸法、ドーピングなどにおいて異なり得る。これらは、好ましくはスプライスにより、位置１ｅで接合されている。図４ｂのような２つのセクションの代わりに、３つ以上のセクションが使用され得る。更に、増幅されるべき光が左から右へ伝播するものと仮定して、セクション１ｄの長さはセクション１cのそれより短くてよい。図４ａのセクション１ａは、セクション１ｃ及び１ｄのような２つのセクション或いは異なるタイプのファイバの３つ以上のセクションから構成され得る。同じことが図４ａのセクション１ｂにも当てはまる。同様に、セクション１ｃ及び／又は１ｄの一部分は、セクション１ａ及び１ｂについて図４ａについて説明されたように他の部分と比べて応力或いは高められ又は下げられた温度にさらされ得る。

図５において、マルチ・ステージ光学光源の好ましい実施態様が示されている。光源１３は光を提供し、それは３つのステージ２０ａ、２０ｂ及び２０ｃで増幅される。ステージの可能な数に上限は無いということに留意されたい。最後のステージから出力される光は、結局は周波数逓倍器１５に提供され、最後に出力光学系１６に提供され得る。

各増幅ステージの前及び／又は後に光アイソレータがなるべく設けられる。ここで例えば光アイソレータは各増幅ステージの前に設けられると共に、最後の増幅ステージの後に１つ設けられ得る。

この構成では、３０或いは４０ワットに及ぶパワーが可能であり、同時に、１０ＭＨｚ未満の線幅を、しかし或る場合には１０００ＭＨｚに及ぶ線幅を、有することが可能である。

光を増幅する方法に従って、０．００１より大きな比ｇ_Ｒ／ｇ_Ｂを有するファイバが選択される。このファイバはラマン光増幅器のために使用され、このラマン光増幅器はこのファイバにおいて光を増幅する。この場合、動作真空波長は５８８〜５９０ｎｍ又は１１７７〜１１７９ｎｍの範囲内にあってもよい。

ファイバ増幅器。 他のファイバ増幅器。 光学光源。 異なるファイバ・セクションの実施態様。 異なるファイバ・セクションの実施態様。 マルチ・ステージ光増幅器を有する光学光源。

Claims (39)

1. 増幅ファイバであって、その少なくとも１つのセクションが、ファイバ動作温度及び１０６４ｎｍの真空波長において、ラマン利得係数ｇ_Ｒのブリルアン利得係数ｇ_Ｂに対する比ｇ_Ｒ／ｇ_Ｂが０．００１より大きな値を有する増幅ファイバと；
   ポンプ・レーザと；
   を有する光学ラマン・ファイバ増幅器（２０）であって、前記増幅ファイバは全長３００ｍ未満であり、前記ポンプ・レーザは１０ワットより大きな出力を有することを特徴とする、光学ラマン・ファイバ増幅器（２０）。
2. 請求項１に記載の光学ラマン・ファイバ増幅器（２０）であって、前記比ｇ_Ｒ／ｇ_Ｂが０．００２より大きいことを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器（２０）。
3. 請求項１又は２に記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅ファイバの少なくとも１つのセクションの非線形性係数ｎ_２は、前記ファイバ動作温度及び１０６４ｎｍの真空波長において５×１０^−２０ｍ^２／ワットより小さいことを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記ファイバの少なくとも１つのセクションにおける前記ブリルアン利得係数ｇ_Ｂは、前記ファイバ動作温度及び１０６４ｎｍの真空波長において１０^−１０ｍ／Ｗより小さいことを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅ファイバの少なくとも１つのセクションはシングル・モード・ファイバであることを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
6. 請求項１ないし５のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅ファイバの少なくとも１つのセクションは５重量％より小さいドーパント濃度を有することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
7. 請求項１ないし６のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記ファイバの少なくとも１つのセクションは偏波保持ファイバであることを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
8. 請求項１ないし７のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記ファイバの少なくとも１つのセクションはコアにおいて、クラッドにおけるよりも大きい縦方向音速を有することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
9. 請求項１ないし８のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記ファイバは１０ケルビンより大きな最大ファイバ温度差で前記ファイバ長に沿っていろいろな温度で加熱されることを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
10. 請求項１ないし９のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、局所縦方向応力が前記ファイバ長に沿って変化するように前記ファイバが引っ張られることを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
11. 請求項１ないし１０のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅ファイバは２つ以上の異なるファイバ・タイプを含むことを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
12. 請求項１ないし１１のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅器は時間的に連続的な信号又はパルス信号を放射するようになされていることを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
13. 請求項１ないし１２のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅ファイバにおいて少なくとも２つの異なるファイバ・タイプが設けられ、少なくとも１つのファイバ・タイプの前記ファイバ長は前の前記ファイバ・タイプより少なくとも１０％短いことを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
14. 請求項１ないし１３のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅ファイバ（１）は、１メートルより長い全長を有することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
15. 請求項１ないし１４のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅ファイバ（１）は、５００メートルより短い全長を有することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
16. 請求項１ないし１５のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅ファイバ（１）は３．０ｄＢ／ｋｍ未満の固有伝送損失を有することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
17. 請求項１ないし１６のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅ファイバ（１）は１ｄＢより大きな総利得を提供することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
18. 請求項１ないし１７のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅器は２ワットより大きな光を放射することができることを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
19. 請求項１ないし１８のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、出力光の半値全幅での線幅が、入力光の半値全幅での線幅と比べて１０００倍未満で増大することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
20. 請求項１ないし１９のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、光ポンプ・ソース（１４）が設けられ、前記ポンプ・ソースは：
    逆方向のポンピング方式；
    順方向のポンピング方式；
    順逆両方向のポンピング方式；
    のいずれかで構成されることを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
21. 請求項１ないし２０のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅器は５００ｎｍより長い動作真空波長を有することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
22. 請求項１ないし２１のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記増幅器は１８００ｎｍより短い動作真空波長を有することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
23. 請求項１ないし２２のうちのいずれかに記載の増幅器であって、前記増幅器は５８８〜５９０ｎｍ又は１１７７〜１１７９ｎｍの真空波長で動作可能であることを特徴とする増幅器。
24. 請求項１ないし２３のうちのいずれかに記載の光増幅器が２つ、３つ、４つ或いはそれより多く直列に結合されて複数の増幅ステージ（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ）を有する増幅器を形成することを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
25. 請求項２４に記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、前記ステージは光アイソレータによって分離されていることを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
26. 請求項２４又は２５に記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、異なる前記ステージは異なるファイバ・タイプを含むことを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
27. 請求項２４ないし２６のうちのいずれかに記載の光学ラマン・ファイバ増幅器であって、少なくとも１つのステージの増幅ファイバ全長は前のステージより少なくとも１０％短いことを特徴とする光学ラマン・ファイバ増幅器。
28. シード光源（１３）と、
    前記シード光源（１３）の前記光を増幅するための請求項１ないし２７のうちのいずれかに記載の光増幅器（２０）と、
    を特徴とする光学光源。
29. 請求項２８に記載の光学光源であって、前記シード光源（１３）は３００ＭＨｚ未満のＦＷＨＭでの線幅を有することを特徴とする光学光源。
30. 請求項２８又は２９のうちのいずれかに記載の光学光源であって、前記光源は１０００ＭＨｚ未満のＦＷＨＭでの出力線幅を有することを特徴とする光学光源。
31. 請求項２８ないし３０のうちのいずれかに記載の光学光源であって、前記光増幅器の出力光の周波数を変換するための周波数変換器が設けられていることを特徴とする光学光源。
32. 請求項３１に記載の光学光源であって、前記光増幅器の出力光の周波数を２倍にするための周波数逓倍器が設けられていることを特徴とする光学光源。
33. 請求項２８ないし３２のうちのいずれかに記載の光学光源であって、前記出力パワーは０．１Ｗより大きいことを特徴とする光学光源。
34. 請求項２８ないし３３のうちのいずれかに記載の光学光源であって、出力光は４５０ｎｍより長い真空波長を有することを特徴とする光学光源。
35. 請求項２８ないし３４のうちのいずれかに記載の光学光源であって、出力光は、６７５ｎｍより短い真空波長を有することを特徴とする光学光源。
36. 請求項２８ないし３５のうちのいずれかに記載の光学光源であって、前記光源は５８８〜５９０ｎｍ又は１１７７〜１１７９ｎｍの出力真空波長に対して動作可能であることを特徴とする光学光源。
37. ラマン光増幅器（２０）のためにシリカ・ファイバなどの光ファイバ（１）を使用する方法であって、
    前記光ファイバは全長３００ｍ未満であり、前記光ファイバの少なくとも１つのセクションは、使用されるファイバ動作温度及び１０６４ｎｍの真空波長においてラマン利得係数ｇ_Ｒのブリルアン利得係数ｇ_Ｂに対する比ｇ_Ｒ／ｇ_Ｂが０．００１より大きい値を有し、
    前記ラマン光増幅器は１０ワット以上の出力を有する光ポンプを備える、
    方法。
38. ラマン・ファイバ増幅器（２０）によって光を増幅する方法であって、前記光は全長３００ｍ未満の光ファイバ（１）内で増幅され、その少なくとも１つのセクションは、ファイバ動作温度及び１０６４ｎｍの真空波長においてラマン利得係数ｇ_Ｒのブリルアン利得係数ｇ_Ｂに対する比ｇ_Ｒ／ｇ_Ｂが０．００１より大きい値を有し、前記ラマン・ファイバ増幅器は１０ワット以上の出力を有する光ポンプを備える、方法。
39. 請求項３８に記載の方法であって、動作真空波長は５８８〜５９０ｎｍ又は１１７７〜１１７９ｎｍである方法。

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