JP7340334B2 - Ｎｄ３＋ファイバレーザおよびアンプ - Google Patents

Description

本技術はファイバレーザおよびアンプに関し、特にＮｄ³⁺ファイバレーザおよびアンプに関する。

関連出願の相互参照
本出願は「ファイバレーザおよびアンプの直線部の導波路設計」と題された２０１６年２月４日出願の米国仮特許出願第６２／２９１，４８３号から派生したものである。この仮出願は本参照によって本明細書に援用される。本出願は２０１６年１０月７日出願の米国出願、出願番号１５／２８８，８１０の利益および優先権を主張する。この米国出願の全体は本参照によって本明細書に援用される。

連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
米国政府は、米国エネルギ省と、ローレンスリバモア国立研究所の運営を目的とするローレンス・リバモア・ナショナル・フリーダム社との契約第ＤＥ－ＡＣ５２－０７ＮＡ２７３４４号に基づく本発明の権利を有する。

ファイバレーザおよびアンプは重要な研究テーマであり、サウサンプトン大学が１９８５年に低損失希土類ドープ光ファイバの可能性を示し、その後、ネオジムとエルビウムとの両方をドープした石英光ファイバの利得および発振を示して以来、重要な研究テーマとなっている。１９８０年代後期および１９９０年代初期における光ファイバアンプの研究努力の主要な動機は、波長分割多重化およびエルビウムファイバアンプによって可能になる光ファイバ通信システムの帯域幅に対する大きな影響であった。光ファイバアンプは、各個々のチャンネルを検出し、電子的に増幅した後、１５～２０ｋｍおきにレーザを変調してチャンネルを組み直す（ｒｅｃｏｍｂｉｎｅ）コストを上昇させることなく、多数の光チャンネルの長距離伝送を行うことができる。それ以上に、単一のエルビウムファイバアンプでは、コンパクトで効率的で低コストの単一のデバイスにおいてすべての伝送チャンネルにわたって光学信号出力の回復が行われる。ＣおよびＬバンドエルビウムファイバアンプでは、１５２５ｎｍ～１６２０ｎｍにわたる増幅が実現される。５０ＧＨｚと同程度に狭い間隔のＷＤＭチャンネルでは、単一の光ファイバでＴｂ／ｓオーダーの情報搬送能力を実現することができる。エルビウムファイバアンプにおける初期の研究は特にこの論点に関していくつかの書籍によくまとめられており、これらのアンプは現時点で技術的に成熟している。

エルビウムファイバアンプが開発されていたとき、同時期に、Ｏ，ＥおよびＳバンドと呼ばれる１３００～１５００ｎｍ通信窓（ｔｅｌｅｃｏｍ ｗｉｎｄｏｗ）での希土類ドープファイバアンプの開発にもきわめて多くの研究開発が向けられた。しかし、効率上の懸念や、非溶融石英ガラス（非溶融石英ガラスと、ネットワークの残りの溶融石英材料との材料特性の違いのために、光ファイバネットワークに組み込むことが一層困難であると一般的に考えられる）をアンプがベースにしているという理由で、この波長範囲のアンプには同様の商業的なインパクトがなかった。

１３００ｎｍ～１５３０ｎｍの波長のファイバアンプはいくつかのカテゴリに分類される。ラマンアンプは最有力の候補であり、任意に選択することができるポンプ波長から１３．２ＴＨｚずれて増幅が起こるので、多数の波長が実現される。しかし、ラマンアンプには長いファイバ長と高出力ポンプレーザとが必要である。エルビウムおよびツリウムをベースとしたＳバンドファイバアンプが広く研究されている。エルビウムの場合では、抑圧井戸型（ｄｅｐｒｅｓｓｅｄ－ｗｅｌｌ）ファイバジオメトリを用いて＞１５３０ｎｍでの非常に高い利得を抑制するが、抑圧井戸型導波路設計によって課されるさらなる損失および作製の困難さに加えて、放出断面積が当該波長で吸収断面積よりもきわめて小さいので、非常に強い反転で動作することが必要である。ツリウムの場合では、上準位レーザ状態からの緩和が下状態からの緩和よりも速く、これにより、溶融石英でこのレーザ遷移が自己終端型になるので、研究開発活動は非溶融石英ファイバに集中している。近年では、１３２０～１３６０ｎｍ領域で実施可能なファイバアンプとして、ビスマスドープファイバアンプが現れた。しかし、これらのアンプの光学効率は依然として比較的低く、長いファイバ長が必要である。プラセオジミウムおよびネオジムのＥおよびＯバンド（１３００～１４５０ｎｍ）での増幅が広く研究された。プラセオジミウムはフッ化物系ファイバのみで良好に動作した。

１３２０～１４５０ｎｍ波長範囲でのネオジムドープファイバレーザおよびアンプについては、この遷移線⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_13/2が四準位レーザ線であり、したがって、基底状態吸収問題がないので、いくらか強い魅力があるように考えられる。図１は、関連するＮｄ³⁺遷移の簡略エネルギ準位図である。しかし、この遷移にも、その有用性を制限してきた大きな欠点がある。まず、溶融石英および他の材料には、レーザアンプが特に１３００～１３５０ｎｍの領域でポンピングされるときに正味光損失をもたらす⁴Ｆ_3/2状態からのよく知られた励起状態吸収（ｅｘｃｉｔｅｄ ｓｔａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＥＳＡ）がある。１３５０～１３９０ｎｍ領域の状態は、ＯＨに起因する１３８０ｎｍスペクトル吸収とのコンボリューションがとられるように見えるので、あまりはっきりしない。これらの制限があっても、正味利得（１０ｄＢ）および発振（約１０ｍＷ）が示されたが、放出断面積が最大である蛍光ピークをはるかに超える正の利得が生じる。断面積が小さいと、好ましい遷移⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_13/2および⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_11/2と競合する⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への遷移時の動作についての他の鍵となる問題が悪化する。⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_11/2遷移に対するスペクトルフィルタリングを実現して⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への遷移時のネオジムドープファイバのパフォーマンスを向上させることが望ましい。

本技術の実施形態は１３００～１５００ｎｍの波長範囲で動作するＮｄ³⁺光ファイバレーザおよびアンプである。別の実施形態は１３７０～１４６０ｎｍで動作する。これらの実施形態は、この波長範囲で動作する希土類ドープ光増幅器またはレーザを利用し、この波長バンドで光を導く光ファイバをベースにする。ファイバは、選択的に８５０ｎｍ～９５０ｎｍおよび１０５０ｎｍ～１１５０ｎｍの波長範囲の光を減衰する導波路構造を含む。ファイバの減衰係数はこれらの波長でのＮｄ³⁺光学遷移の利得係数を超えるように設定される。これらの波長での減衰の絶対値はファイバのコアでのＮｄ³⁺のドープ濃度に依存し、場合によっては、全ポンプ出力に依存することになる。鍵となる波長で正味損失を可能にするこの構成により、これらの波長での自然放射増幅光がＮｄ³⁺イオンの反転分布を小さくすることが防止される。したがって、これにより、１３００～１５００ｎｍの波長領域での増幅が可能になる。通常、この領域は他のより強いレーザ線と競合するため、大きい利得を持たない。本発明の実施形態により、通信業界に有用な波長で光ファイバアンプが形成される。

本技術の実施形態により、Ｎｄ³⁺ドープ溶融石英光ファイバで⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2へのスペクトル線上の１４２７ｎｍで１．２Ｗのレーザ増幅を実現した。Ｎｄ³⁺ドープ溶融石英光ファイバでの⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への遷移による先に公開された実験結果を超える９．３ｄＢの光学利得改善と１００倍の全光出力改善とを示した。これは、１０５０～１１５０ｎｍの波長範囲で高いスペクトル減衰を生じさせる光ファイバ導波路設計、すなわち、⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_11/2への主要な光学遷移に対する連続スペクトルフィルタにより可能になる。１４．５ｄＢの正味光学利得に対して、４３ｍＷのカップリングシードレーザ出力および８８０ｎｍでの２２．２Ｗのカップリングポンプダイオードレーザ出力について、１４２７ｎｍで１．２Ｗの最大出力を得た。カップリングシードレーザ出力を２．５ｍＷに下げることで、１６．５Ｗのカップリングポンプ出力について１９．３ｄＢの利得をこのシステムで得ることができた。シードレーザ波長が最適でないこと、⁴Ｆ_3/2から⁴Ι_9/2への光学遷移時の自然放射増幅光、クラッドからのポンプ光の吸収が小さいこと、および１３５０～１４５０ｎｍの範囲でスペクトル減衰が大きいことという４つの問題により、結果が制限された。これらの問題を軽減する今後登場するファイバにより、当然、レーザアンプの効率は大幅に改善されるであろうが、その場合でも、１３１０ｎｍ～１３５０ｎｍ超の遷移短波長領域が励起状態吸収によって制限されると考えられる。

開示に組み込まれ、開示の一部を形成する添付の図面は、本発明の実施形態を例示し、本記載とともに、本発明の原理を説明するのに用いられる。

溶融石英中のＮｄ³⁺についての簡略エネルギ準位図である。 Ｎｄ³⁺ドープ溶融石英ファイバの端面を示す。 Ｎｄ³⁺ドープ光ファイバのコアのスペクトル減衰を示す。 ポンプクラッドの測定吸収値を示す。 実験セットアップのブロック図を示す。 カップリングされた８８０ｎｍのポンプ出力の関数としてコア蛍光を示す。 ３４．３倍ポンプ出力増加についての、１３００～１５００ｎｍの波長領域における蛍光の増加を示す。 同じ名目ポンプ出力の場合で、かつクラッドから同じ小さい名目信号吸収がある場合の８０８ｎｍポンピングと８８０ｎｍポンピングとについてのネオジムファイバ蛍光の比較である。 ４３ｍＷの１４２７ｎｍ入射信号光についてカップリングポンプ出力に対する出力および利得を示す。 選択した出力での１４２７ｎｍアンプの測定出力スペクトルを示す。 入射信号出力の関数としてアンプ利得を示す。 ＧＲＩＮを用いたＰＣＦをベースにしたものの代替実施形態を示す。 ＧＲＩＮを用いたＰＣＦをベースにしたものの代替実施形態を示す。 本発明の実施形態の基本概念を１セットのカップリング導波路要素として示す。 モノリシックカップリング導波路を用いたＰＣＦをベースにしたものである代替実施形態を示す。 高屈折率化シンクとともにステップ屈折率信号コアを有する代替実施形態を示し、カップリング導波路は複数の導波要素からなるひもとして形成されている。 高屈折率化シンクとともにステップ屈折率信号コアを有する代替実施形態を示し、カップリング導波路はモノリシック導波要素として形成されている。

本技術の実施形態では、今まで通り１３００～１５００ｎｍに含まれる波長範囲で光を導きつつ、⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_11/2への遷移の連続スペクトルフィルタを用いることによって⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への遷移時に動作するネオジムドープ溶融石英光ファイバアンプの第１の実験例が提供されている。この例で実現された１４２７ｎｍでの１．２Ｗ増幅出力は、この遷移時に動作する先に公開されたファイバレーザよりも２桁大きい。さらに、ここで報告されている１９．３ｄＢの小信号利得は、この遷移時の以前のネオジムファイバアンプの最高結果よりも９．３ｄＢ高い。本開示では、ファイバ設計を教示し、現時点での限界と、このレーザ遷移時の利得および増幅を示すのに用いられる実験セットアップと、同様の設計の将来のファイバの改善に対する大きな可能性とを説明する。図１は、溶融石英中のＮｄ³⁺についての簡略エネルギ準位図である。各エネルギ準位は均一に広がった多重項状態である。名目吸収および発光波長については、単にピークを指摘するのではなく、バンドとして表す。

ここに示されている結果については、９００～９３０ｎｍ波長範囲のアンプおよびレーザ向けに開発されたＮｄ³⁺ドープ光ファイバを用いている。本発明者は改善を行って、大きいコア／クラッド比（ｃｏｒｅ ｔｏ ｃｌａｄ ｒａｔｉｏ）または抑圧井戸型ジオメトリに依存する以前の設計を超えることを試みた。大きいコア／クラッド比による解決法では、ポンプクラッド直径がコア直径の４倍よりも著しく大きくないという要件によって全ポンプクラッドサイズが制限される。抑圧井戸による解決法では、１μｍ光が抑圧井戸のトンネルを掻き分けるように通ってクラッド内まで及ぶことができるという要件によって、コア直径が＜１０μｍに制限される。したがって、ポンプクラッドを大きくするにしたがって、効率的にするためにファイバは段々と長くなっていく。本発明のいくつかの実施形態では、これらの制限を克服するために、微細構造光ファイバを用いる。

実施形態のファイバの端面の図が図２に示されている。ファイバ１０全体は円形であり、外側のガラス１２の直径は２４０μｍである。内側のポンプクラッド１４は六角形であり、面間寸法は１１８μｍであり、角間寸法は１３６μｍである。コア１６も六角形であり、面間寸法は２１μｍであり、角間寸法は２４μｍである。コアとポンプクラッドとを備える微細構造は、２１７本のケイン（ｃａｎｅ）の集合（ｓｔａｃｋ）から作製され、１７本のケインが角間にあり、この１７本のケインは、８８０ｎｍで０．４のＮＡを持つポンプクラッドを形成する線引プロセス中に空気（空気クラッド１８）とともに加圧されるチューブによって囲まれる。作製されると、微細構造要素のピッチは８μｍである。暗い格子の要素２０は小さい屈折率を実現するフッ素ドープロッドである。明るい格子の要素２２はＧＲＩＮ要素である。

コアの内部ロッドおよび第１の内部リング（合計７要素（７ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｔｏｔａｌ））は、屈折率について溶融石英に整合するＮｄ³⁺ドープガラスである。これは、大きいコア／クラッド比を持ち、８０８ｎｍで、Ｎｄ³⁺イオンの顕著な濃度偏り（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ）がある領域で起こる２００ｄＢ／ｍの吸収に対応する初期ドーピングレベルを持つＯｐｔａｃｏｒｅ社のＮｄ³⁺ドーププリフォームを入手することによって実現された。このプリフォームから線引したケインを、追加の石英と、他のプリフォームから線引したフッ素化ロッドとを含んだ集合線引プリフォームに組み込んだ。すべての構成要素の面積加重屈折率が＜１０^-4までの溶融石英の面積加重屈折率に整合するようにこのアセンブリを設計した。その後、アセンブリを線引してロッドにし、再度集合して再度線引して、特徴サイズをさらに小さくした。完成ロッドをプリフォームに組み込み、図２のファイバを製造し、完成ロッドの特徴寸法が２５ｎｍのオーダーになっていると評価された。Ｎｄ³⁺イオンの有効濃度がこのプロセスによって５倍減少する（すなわち、８０８ｎｍで４０ｄＢ／ｍ）と評価された。元のプリフォームに存在したと疑われるほぼ確実な偏りにプロセスがなんらかの影響を及ぼしたかは分かっていない。

微細構造の次の４つのリングはフッ素化抑圧部２０（暗く色づけ）とＧＲＩＮ組込体２２（明るく色づけ）とを組み合せたものである。フッ素化抑圧部の中央／外側比は０．５３３であり、溶融石英と比較して－０．００６８の屈折率低下がある。これは空気孔の代わりに組み込まれており、完成構造をすべて固体にすることが可能であるので、構造を作製するのが容易であり、取り扱いが容易である。フッ素化抑圧部により導波路が定められ、暗い点として図２に見られる。コアの角から放射状に延びる１８個の明るい点は、６２．５／１２５μｍの標準的なマルチモードＧＲＩＮファイバを作製するのに好適な市販のＧＲＩＮプリフォームから作製されるＧＲＩＮ組込体である。これらの組込体は１０２０～１１３０ｎｍ波長範囲でコアと共鳴し、コアから出た当該波長の光を引き出し、これを、事実上、ポンプクラッドの外側の３つのリングで形成される多数のモードの蓄積体（ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ）である箇所に漏洩させる。フッ素化抑圧部およびＧＲＩＮ組込体を形成するロッドは、プラズマ化学蒸着（ｐｌａｓｍａ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）（ＰＣＶＤ）によって作製され、完成プリフォームに組み込むために線引してケインにされるＰｒｙｓｙｍｉａｎのバルクプリフォームとして得た。外側領域はＨｅｒｅａｕｓ Ｆ３００溶融石英ロッドから形成される。

微細構造は、線引プロセス中に加圧することで８８０ｎｍで約０．４の開口数を持つポンプクラッドの形成を可能にすることができる毛細管孔（空気クラッド１８）の完成リングによって囲まれる。毛細管孔ありのファイバサンプルと、毛細管孔なしのファイバサンプルとを線引した。毛細管孔なしのサンプルは、コアスペクトル減衰を評価するのに有用であった。毛細管孔ありのサンプルは、後述のレーザおよびアンプの実験で用いた。

図３は、上記において図２に示されているシングルクラッド型のファイバの測定スペクトル減衰を示す。９５０ｎｍ未満の減衰はＮｄ³⁺基底状態吸収のために過剰に高かったので、測定できなかった。スペクトル減衰は、スーパーコンティニュウム白色光源、モノクロメータ、ロックインアンプおよび光検出器を用いて測定し、ＧＲＩＮ組込体によって導かれる光を遮断する光検出器の前のアイリスに端面を結像すること以外、標準的なカットバック技術を用いて測定した。２つの測定を行い、図３の線３０は、１０２０ｎｍ～１１３０ｎｍの高（約１０ｄＢ／ｍ）減衰領域の評価を可能にするファイバの短い断片に対するカットバックにより得られた。長い断片に対するカットバックにより、この領域の外側の損失の評価を可能にした。評価は線３２によって示されている。参考として、ダイナミックレンジが大きい線３４は、１０２０～１１３０ｎｍの波長領域における導波路の予測減衰の理論的評値である。

１０２０～１１３０ｎｍの波長範囲に望ましい高いスペクトル減衰があることに加えて、ファイバは１ｄＢ／ｍ、すなわち１０００ｄＢ／ｋｍの異常に高い１３８０ｎｍのＯＨピークを示す。元々のＯｐｔａｃｏｒｅのＮｄ³⁺ドープガラスはこの大きさのＯＨピークを含まなかった。開始時のガラスのＯＨピークは非常に小さい（＜５０ｄＢ／ｍ）と考えられる。その屈折率を溶融石英に整合させる様々な処理の間にコアガラスがＯＨで汚染されたと考えられる。この汚染がプロセスに固有のものであるとは考えられない。高いＯＨピークは防止可能であり、また、後述で報告される結果を制限するものであると強く考えられる。スペクトル減衰測定では、１４２７ｎｍ（以下の我々のアンプ実験が行われる波長）で０．２７ｄＢ／ｍのコア損失が示唆されている。しかし、シードレーザを用いた直接カットバックでは、実際の損失がこの波長で０．１８ｄＢ／ｍに近い値であることが示唆されている。この差異は、比較的短い長さのファイバ（約１００ｍ）で行われた我々の損失測定の誤差の範囲内にあると考えられる。この損失（１８０ｄＢ／ｋｍと等価）はそれでも光ファイバにとってはきわめて高く、多くの点でレーザアンプ結果を確実に制限するものである。

ファイバのダブルクラッドサンプルについてカットバック技術によりポンプクラッド吸収を測定し、結果を図４に示す。吸収は、予測コア吸収と、３１であるポンプクラッド／コア面積比（ｐｕｍｐ ｃｌａｄｄｉｎｇ－ｔｏ－ｃｏｒｅ ａｒｅａ ｒａｔｉｏ）とに吸収が基づくべきであると推定した値の約３分の１である。ＧＲＩＮ組込体がポンプ光をトラップするものであることが懸念される場合がある。しかし、ＧＲＩＮ組込体はポンプクラッド領域の全有効エリアの１％にすぎない。フッ素化抑圧部およびＧＲＩＮ組込体の最外リングと空気クラッドとの間の石英領域に光が部分的にトラップされる結果、小さいポンプ吸収が生じる。

８０８ｎｍの吸収ピーク（最も一般的なＮｄ³⁺ポンプ波長）は０．３９ｄＢ／ｍである。３０ｍ長のファイバは８０８ｎｍポンプ光から約１１．７ｄＢを吸収する。光を吸収して直接⁴Ｆ_3/2の上準位レーザ状態にする８８０ｎｍ吸収ピークは０．２ｄＢ／ｍ吸収にすぎない。これは、同じ僅かな信号ポンプ吸収を実現するのに６０ｍ断片のファイバが必要であることを意味する。長いにもかかわらず、８８０ｎｍポンプ吸収ピークは⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への遷移時に発振するこのファイバに好まれるが、これは、この吸収ピークがファイバの平均反転を抑えるからであり、これにより、我々の今回の結果を制限するものである、９００～９４０ｎｍでの⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への遷移時の自然放射増幅光（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）が最小になることを以下に示す。この遷移の抑制も起こるとすると、同じポンプ吸収を実現することができる１／２の長さのファイバとして、８０８ｎｍポンプ線は好ましい場合がある。図４ではさらに９１３ｎｍのポンプ吸収に説明が付されている。９１０ｎｍと９２３ｎｍとの両方で２Ｗのポンプにより、ファイバの別々の断片を用いてこれらの波長で発振して、このファイバのコアポンピングを試みた。しかし、ファイバをこれらの波長でポンピングしたとき、⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への遷移時の利得の徴候が見られなかった。これらの波長で実現可能な反転は、このファイバサンプルで０．１７ｄＢ／ｍのコア損失を克服するのに十分な利得を実現するには不十分であると一応結論づけられる。実現するのに、９１５ｎｍでのファイバのクラッドポンピングを考えたが、試行はしなかった。

図５は、ファイバを試験するための基本的な実験セットアップを示す。２セットの試験を行った。最初に、ファイバのコアからの蛍光スペクトルの測定値をカップリングポンプ出力の関数として報告する。シード光を入射したファイバアンプからの利得および出力測定を以下にさらに報告する。２００μｍ／０．２２ＮＡマルチモード光ファイバ５４にカップリングされた８８０ｎｍのＤｉｌａｓレーザダイオード５２を用いてＮｄ³⁺ファイバ５０をポンピングした。ＢタイプＡＲコートが施されたＴｈｏｒｌａｂｓの４０ｍｍ焦点距離平凸レンズ５６によってこのダイオードの出射をコリメートした。ファイバにカップリングされる光の開口数を制限するアイリス５８にポンプ光を通した。その後、ファイバの出射をポンプ光から分離し、ファイバからポンプレーザダイオードに戻る光の伝達（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を最小にするために、ポンプ光を３５°の入射角で２つのＳｅｍｒｏｃｋロングパスフィルタ（６０，６２）で反射した。３５°の入射角で、Ｓｅｍｒｏｃｋフィルタの５０％反射率点は９００ｎｍである。その後、先と同様にＴｈｏｒｌａｂｓの２０ｍｍ焦点距離非球面レンズ６４（我々の測定で、１４２７ｎｍで８８％の透過があったＢタイプＡＲコートを施した）を用いてネオジムファイバ５０にポンプ光をカップリングした。

光ファイバ融着接続器を用いてポンプクラッドを形成する空気孔をつぶし、その後、広がった孔のある領域の端に可能な限り近くでファイバを斜め切断する（約１０度）ことによってネオジムファイバのポンプ端を用意した。カップリングポンプ出力は、試験の完了時にファイバを２ｍに切断して直接測定することで決定した。ファイバ入射部を用意した方法が原因で、ファイバコアからの出射はポンプカップリングを最適化したときの入射レンズによって良好にはコリメートされなかった。これを補償するために、追加のＴｈｏｒｌａｂｓの５００ｍｍ焦点距離Ｃコーティング付き両凸レンズ６６を２０ｍｍ入射レンズから約３５５ｍｍの位置に配置した。これにより、ファイバ端を５００ｍｍレンズから約５２０ｍｍにある第１のアイリス６８上に再結像した。このアイリスは、ポンプクラッドによって導かれる蛍光を遮断するのに用いた。第１のアイリスを通り抜けたコア光でない光を遮断するのに、ビームパスを２５０ｍｍさらに下流に下った箇所にある第２のアイリス７０を用いた。この実験のために、その後、コア光を８ｍｍ Ｔｈｏｒｌａｂｓ Ｃコーティング付き非球面レンズ７２を用いてＳＭＦ－２８ファイバ７４にカップリングした。ＳＭＦ－２８ファイバ７４はファイバの蛍光スペクトルを評価する光スペクトルアナライザ７６に接続した。ファイバの出射端を入射端と同様に終端処理し、ポンプカップリングを最適化するのにパワーメータ７８を用いた。残りの実験セットアップは後述する。図５ではコアビームがパワーメータにカップリングされているように示されているが、これは出力および利得試験のために行ったのであり、蛍光測定のためではないことに留意すべきである。

図６では、６０ｍネオジムファイバサンプルの出射から、カップリングされた８８０ｎｍのポンプ出力の関数として蛍光スペクトルがプロットされている。このファイバについての予測の通り、ポンプ出力の関数として９３０ｎｍの蛍光が激しく増加していることが観察されている。１２．７Ｗポンプ出力についての９３０ｎｍでの蛍光強度は、０．３７Ｗポンプ出力での蛍光強度よりも１８６０倍大きい。ポンプ出力が３４．３倍しか増加していないので、これは９３０ｎｍの自然放射増幅光のはっきりした証拠である。１０５０～１１５０ｎｍ波長範囲では、蛍光強度について同様に比較することで、５６倍の蛍光強度の増大しかないことが示されており、これは、この領域でほとんど正味利得がないことを示唆している。（カップリングしないポンプ光によるファイバマウントの加熱のために、測定値中に光をコアにカップリングさせる単一モードファイバとネオジムファイバとの間のなんらかの残念ながら避けられないアライメントドリフトが存在する。最高パワーから始まって、連続的にパワーが減少する曲線が得られた。したがって、アライメントは最高パワーで最良であったが、最低パワーで僅かに悪化する可能性がある。これが、蛍光強度がスペクトルにわたってポンプ出力よりも僅かに速く増加するように見える理由であると考えられる。）これは、予測利得を完全に抑制するのに十分な１０５０～１１５０ｎｍの波長範囲のスペクトル減衰が導波路設計にあるという我々の主張と一致する。同様に、１３３７ｎｍでの蛍光ピークは、正味利得がないことと重ねて一致する全強度の５６倍の増加しか示さない。これは励起状態吸収が原因である可能性が最も高い。しかし、１３８０～１４５０ｎｍに含まれる波長領域は、１３３０～１３８０ｎｍの波長領域とはまったく異なって発達するものである。この領域の蛍光スペクトルはポンプ出力とともにはっきりと非線形的に増加するものであり、１４００ｎｍと１４２０ｎｍとの両方で蛍光は基準となる蛍光パワー（ｉｎｉｔｉａｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｐｏｗｅｒ）と比較して１８６倍増加する。これは９３０ｎｍの増加よりも１０倍小さいが、それでも、自然放射増幅光（ＡＳＥ）がこの波長領域に存在すると結論づける程度に十分に高い。

図７は、３４．３倍（０．３７Ｗ～１２．７Ｗのカップリングポンプを８８０ｎｍで６０ｍ長ファイバに入射）ポンプ出力増加についての、１３００～１５００ｎｍの波長領域における蛍光の増加を示す（線８０）。この波長領域で急激に変化するファイバ損失を示すために、６０ｍ長ファイバ（線８２）のコア透過量（ｃｏｒｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を第２のｙ軸についてプロットする。我々は、この図中の蛍光の＞６０の増加が正味利得の確実な証拠であると主張する。このように、図７では、０．３７Ｗのカップリングポンプ出力での測定蛍光強度のローリング平均に対する１２．７Ｗカップリングポンプ出力で測定された蛍光強度の比がプロットされている（線８０、左の垂直軸、線形レンジ）。この特定のファイバサンプルのＯＨに起因する損失の効果を特に明らかにするために、図３のスペクトル減衰データをこのネオジムファイバの６０ｍ長の正味透過量（ｎｅｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を計算するのに用いた（線８２、右の垂直軸、対数レンジ）。正味利得が約５６倍であると我々が予測していない領域での蛍光の増加についての我々の評価に基づいて、我々は、蛍光強度の増加が＞６０倍であるプロットの当該領域が、正の利得の領域を示すと主張する。１３７０ｎｍ～１４１４ｎｍの増大する利得と、同じ領域での指数関数的に増大するファイバ透過量との間に強い相関がある点に留意する。これは、ＯＨを低減した改良ファイバにより、１３６０ｎｍでの不足のように場合によっては大きい利得が可能であることを示唆する。したがって、この設計に基づく改良ネオジムファイバの増幅ウインドウの大きさは８０ｎｍ程度が可能である。

図８では、８８０ｎｍで６０ｍ長ファイバに入射した４．３２Ｗカップリングポンプ出力についてのこのファイバのコアの蛍光スペクトル（この曲線が図７のデータとは異なる日に得られた点に留意する）を、４．５Ｗのカップリングした８０８ｎｍダイオードレーザ光でポンピングした３０ｍ長のファイバの別の断片のコアの蛍光スペクトルと比較する。このケースでは、図５のＤｉｌａｓレーザダイオードをＬＩＭＯレーザダイオード（ＬＩＭＯ２５－Ｆ１００－ＤＬ８０８）に置き換えた。ＬＩＭＯレーザダイオードを１００μｍ／０．２２ＮＡコアファイバにカップリングし、Ｓｅｍｒｏｃｋフィルタを４５°の入射角に調節して５０％透過点を８７５ｎｍに動かした。２つのケースでポンプ吸収を等しくするために異なるネオジムファイバ長を選択した。蛍光スペクトルを異なる実験配置を用いて異なる日に得たので、双方の曲線をこれらの蛍光ピークで１に規格化し、その後、９７５ｎｍ～１３００ｎｍの領域で２つの曲線の蛍光パワーを１つになるように並べるために８８０ｎｍデータを均一に減衰させた。図８は、ダイクロイックフィルタの透過の改善と、ファイバの高い平均反転との両方に起因して、予測通り、８０８ｎｍポンプについての９００～９５０ｎｍの蛍光ピークが８８０ｎｍよりも非常に大きいことを明確に示している。しかし、１３８０ｎｍ～１４５０ｎｍの蛍光スペクトルは、８８０ｎｍポンプについての⁴Ｆ_3/2→⁴Ｉ_13/2線の優れた利得を示す。これは平均反転が小さいからであると考えられ、したがって、僅かなパワーしか⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_9/2への遷移に浪費されず、これにより、研究対象の遷移の利得が改善される。我々は、８５０～１１５０ｎｍのスペクトル減衰をよく検討してファイバを改善することで、上述のＯＨの低減と組み合わせれば、１３６０～１４４０ｎｍの範囲できわめて大きい利得が可能になると主張する。

再び図５を参照して、図６に示されている蛍光スペクトル測定の完了後、ダイオードレーザ源５１から１４２７ｎｍシードビームをネオジムファイバ５０の６０ｍ断片のコアに入射して、ポンプレーザ５２を出射するビームの方向と逆方向に伝播させる。光アイソレータはこのダイオードレーザには利用できなかった。９００～９５０ｎｍの波長範囲の強い戻り光からレーザを保護するために、ダイオードレーザの出射部を、エルビウムドープファイバアンプの構成に用いられる標準的な９８０／１５５０ｎｍ通信波長分割マルチプレクサ（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）（ＷＤＭ）５３に融着接続した。ＷＤＭの測定挿入損失は１４２７ｎｍで３ｄＢであり、９０５ｎｍで１．２ｄＢであった。ＷＤＭの９８０ｎｍのポートを、試験中に９００～９５０ｎｍの領域で戻り光の相対評価を可能にする光パワーメータ５５に対してアライメントした。ＷＤＭの出射部を直接ネオジムファイバに融着接続し、接続部を高屈折率光学品質ポリマーを用いて銅のＶ溝に入れた。このアセンブリ５７により、ネオジムファイバを通じて伝送された過剰なポンプ光を弱めるのに好都合な場所を設けた。ＷＤＭが、このネオジムファイバの２０μｍ低ＮＡコアには良好にモードマッチしないＨＩ １０６０ ＦＬＥＸファイバから製造されている点に留意する。したがって、非常に高い接続損失を見越して測定した。ファイバ長を２ｍに切り詰め（ｃｕｔ ｂａｃｋ）て、図５に示されているファイバ入射手段（ｆｉｂｅｒ ｌａｕｎｃｈ）、レンズおよびアイリスを用いてコリメートした１４２７ｎｍ信号を測定することによって接続損失を測定実施終了後に較正した。

図５に特に示されているように、２つのアイリスを用いてネオジムファイバの出射部からの光からクラッド迷光を剥ぎ取り、その後、光パワーメータを用いて測定した。出射出力対ポンプ出力を、４５°の入射角について９８０ｎｍで５０％透過量（５０％ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）を持つＳｅｍｒｏｃｋ ＬＰ０２－９８０ＲＳ－２５ロングパスフィルタ７１ありなし両方で測定した。このフィルタにより、高ポンプ出力で観察される９００～９５０ｎｍの波長領域の強いＡＳＥを除いて、９８０ｎｍよりも長い出力のみの測定を可能にした。Ｓｅｍｒｏｃｋフィルタがパス上にない（ｎｏｔ ｉｎ ｌｉｎｅ）場合、コーティングなしの溶融石英くさびをその位置に配置し、前面反射から光をＳＭＦ－２８ファイバにカップリングし、その後、光スペクトルアナライザにカップリングした。

図９では、ＬＰ０２－９８０ＲＳ－２５フィルタを配置した場合と、コーティングなしのくさびをフィルタの位置に配置した場合とのカップリングポンプ出力に対する測定出力がプロットされている。これらのフィルタの損失はデータ解析で明らかにした。その後、利得を４３ｍＷの１４２７ｎｍ入射出力（ｌａｕｎｃｈｅｄ １４２７ｎｍ ｐｏｗｅｒ）に基づいて計算した。最大出力は９３０ｎｍで寄生発振が始まることで制限された。１４２７ｎｍの出力をほぼこの段階に固定し、我々はシードレーザを破損する懸念のために、続けてさらにポンプ出力を増加させなかった。９３０ｎｍ寄生発振を含む状態はプロットされていない。ＷＤＭの９８０ｎｍポートから出射した後方に伝播する９００～９５０ｎｍの光を測定し、最大出射出力で４５ｍＷであった。これは未較正値であり、きわめて大きい１１２０ｎｍの出力を含み得る。図１０では、図９に示されている選択点についてのスペクトルと、１２０５ｍＷ（最高出力）データ点についての波長に対する積分出力とがプロットされている。我々は、図１０から、最高測定値での出力の約２０％が９２０ｎｍ ＡＳＥにあったと考えており、これは図９における１４２７ｎｍと全出力曲線との約２５％差に一致する。１．１μｍ（波長バンド）は全出力の＜１％であり、したがって、９８０ｎｍのエッジフィルタがこの光を遮断しなくても、測定した１４２７ｎｍ出力に対する１．１のμｍ光の寄与は無視できる。飛び抜けて高い出力では、１１２０ｎｍに多少大きいＡＳＥがあるように見える点に留意する。ファイバのこの特定の断片の直径が線引プロセス中に僅かに移行していた。スプールから切り取られたファイバの次の断片は１１２０ｎｍで優先的に発振した。この線引領域で微細構造のピッチの変化が起こっていた。このピッチが小さくなりすぎたので、１１２０ｎｍ利得を完全に抑制できなかった。ここで報告されているファイバが入射端の近傍で同様であり、顕著な過剰ＡＳＥがこのファイバ端で形成された可能性が高い。しかし、この１１２０ｎｍの寄生光はポンプ源により近いファイバの部分によって減衰し、この部分は当該波長で光を正確にフィルタリングしていた。１４２７ｎｍ信号を測定するパワーメータに十分な量の１１２０ｎｍ光は到達しなかった。マルチモードファイバを用いてパワーメータからのスペクトル反射の光を収集して、光スペクトルアナライザでスペクトルをモニタすることによってこれを確かめ、１１２０ｎｍのＡＳＥが１４２７ｎｍ信号の＜１％であることが示された。

図１１では、１４２７ｎｍの３つの異なる入射信号出力（ｌａｕｎｃｈｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｐｏｗｅｒ）についてポンプ出力の関数としてアンプ利得がプロットされている。アンプは、４Ｗのカップリングポンプ出力で透明を実現するように見える。１１ｄＢのファイバ損失が最高入射信号出力について観察されるが、低入射出力ではパワーメータの下限約３ｍＷ未満がプロットされていない。２３ｍＷおよび４３ｍＷ入射出力での利得が激しくは異ならない点に留意する。このことは、２０ｍＷがアンプを飽和させるのに十分だったことを示唆するが、９３０ｎｍでの強い寄生ＡＳＥを仮定すると、この結論は多少疑わしい。２．５ｍＷ入射信号出力について、１９．３ｄＢの最大利得が測定されている。測定された１１２０ｎｍのＡＳＥは４３ｍＷの入射出力の場合よりもこの場合で約１０倍大きいが、スペクトルにわたって積分する場合の全出力は＜１％のままである。

完璧を期するために、３０ｍの８０８ｎｍでポンピングしたアンプの特性評価も行った。２４ｍＷの入射信号出力（接続損失はこの場合に不良であった）、すなわち３４６ｍＷの全信号出力について１１．６ｄＢの利得が実現された点に留意する。最大８０８ｎｍカップリングポンプ出力は、９２０ｎｍで寄生発振が始まる前で１２Ｗであった。１２Ｗカップリングポンプ出力および３４６ｍＷ信号出力で、１２３６ｍＷの全出力がアンプから得られた。すなわち、全出力の約３／４が９２０ｎｍであった。これは、８８０ｎｍポンプの場合よりもきわめて悪く、さらに、１３６０～１４４０ｎｍの良好なアンプパフォーマンスを実現するために９００～９５０ｎｍの波長バンドを連続的にスペクトル的にフィルタリングする必要があることを示している。ビーム品質に関しては、９２０ｎｍでＭ²は１．３未満であった。我々の計算では、１４２７ｎｍでのモードフィールド径が２２μｍであり、次の高次モードの損失が０．５ｄＢ／ｍであることが示されている。

したがって、１０５０～１１２０ｎｍの領域で高いスペクトル減衰を生じさせる微細構造導波路設計を有するネオジムファイバアンプにおいて、１４２７ｎｍで１．２Ｗ出射出力を発生し、この波長で１９．３ｄＢの利得を実現する本技術の実施形態が実験的に示された。我々の知識の及ぶ限りでは、これはネオジムファイバアンプまたはレーザにより以前に実現された最高平均出力よりも１００倍高く、実現された利得は以前のいずれの測定よりも９．３ｄＢ高い。さらに、我々のデータはこのアンプのパフォーマンスの一層の改善に対する可能性を明確に示している。今後の改善の鍵となる領域は、ＯＨを低減してアンプでのバックグラウンド損失を低減すること、導波路スペクトル減衰を拡大して８５０～１１５０ｎｍに含まれるすべての波長をカバーすること、ポンプクラッドによる（場合によってはコアポンピングによる）低吸収に対応すること、およびより広い範囲の波長のシード光でアンプを発振させることである。

図１２は、ＧＲＩＮを用いたＰＣＦをベースにしたものの代替実施形態を示す。図２の実施形態の六角形構造では、６つの等価共鳴カップリング導波路が可能である。図１２は図２と同様の構造を示す。この実施形態は１セル９０コアを有し、２種類のＧＲＩＮ漏洩部（２２および２３）を含む。図２のように、ファイバ１０全体は円形であり、外側のガラス１２を含む。「集合および線引」ＰＣＦ作製プロセスは六角形にパッケージ化するのに当然好都合であるので、作製を容易にするためにＰＣＦ導波路決定要素を六角形の格子上に配置する。微細構造は空気クラッドも含んでもよいが、この図には示されていない。しかし、低出力（＜１Ｗ）通信ファイバアンプについては、エルビウムドープファイバアンプに類似しており、したがって、コアを直接にポンピングすることが通信アンプ用途に望まれる場合があり、その場合、ポンプクラッドは望まれないし、必要ともされないことは、当業者であれば理解する。格子要素２０は、小さい屈折率を実現するフッ素ドープロッドである。この設計を利用する特定の実施形態では、ファイバ構造の直径にわたって１１セルあり（生じ得るポンプクラッドは数えない）、完成時の線引ピッチは６．６μｍである。コアは１セルであり、ＳｉＯ₂に整合する屈折率である。ＰＣＦ Ｒｏｙａｌｓ（同じＮＡ、新たなフィルファクタ（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ））は０．１４のＮＡ（Ｎｄｅｌ＝－６．７４３ｅ－３）および０．７５の内径／外径比を持つ。ＧＲＩＮ漏洩部は２種類であり、基準ＧＲＩＮ外径（ｓｔａｎｄａｒｄ ＧＲＩＮ ＯＤ）を小さくするのに適している。ＧＲＩＮ ２２は０．３０のＮＡ（Ｎｄｅｌ＝３．０７１ｅ－２）および０．５００の内径／外径比を持つ。ＧＲＩＮ ２３は０．３０のＮＡ（Ｎｄｅｌ＝３．０７１ｅ－２）および０．５３５の内径／外径比を持つ。１４００ｎｍで、Ａｅｆｆ＝８８．３μｍ²またはＭＦＤ約１０．６μｍである。

図１３は、ＧＲＩＮを用いたＰＣＦをベースにしたものの代替実施形態を示す。図１２のように、共鳴カップリング導波路（ＧＲＩＮ）はすべて同一ということはない。この設計でも２種類のＧＲＩＮ（１０８’および１０８’’）を用い、２種類のＧＲＩＮについては、同じ屈折率差（ｉｎｄｅｘ ｃｏｎｔｒａｓｔ）を持つが、異なるアスペクト比（内径／外径）を持ったり、逆になったり、屈折率差とアスペクト比とが異なったりする。この場合、第２のグループの損失は第１のグループに対してスペクトル的にシフトする。シフトを小さくすることができるので、２つの損失バンドは重なって、組み合わさってより広いバンドを形成する。また、シフトを大きくすることができ、２つの異なる損失バンドを生成し、２つの別々のスペクトル線をブロックすることができる。この代替例は図２の実施形態のすべての特徴を引き継いでおり、複数の異なる共鳴カップリング導波路についての可能性を含むように実施形態を一般化している。この設計を利用する特定の実施形態では、ファイバ構造の直径にわたって１３セルあり（ポンプクラッドは数えない）、その完成時の線引ピッチは７．４４μｍである。コアは７つのセルを有し、ＳｉＯ２に整合する屈折率である。ＰＣＦ Ｒｏｙａｌｓ（我々の基準）は、０．１４のＮＡ（Ｎｄｅｌ＝－６．７４３ｅ－３）および０．５３３の内径／外径比を持つ。２種類のＧＲＩＮ漏洩部は基準ＧＲＩＮ外径を小さくするのに適している。ＧＲＩＮ Ａは０．３０のＮＡ（Ｎｄｅｌ＝３．０７１ｅ－２）および０．５００の内径／外径比を持つ。ＧＲＩＮ Ｂは、０．３０のＮＡ（Ｎｄｅｌ＝３．０７１ｅ－２）および０．５３５の内径／外径比を持つ。１５５０ｎｍで、Ａｅｆｆ＝３５５μｍ²またはＭＦＤ約２１．３μｍである。

図２の実施形態と、同様の実施形態とを、図１４に示されているような１セットのカップリング導波路要素として最も一般的に説明することができる。領域１０００は、信号搬送導波路領域であり、所望の波長の光を導いて閉じ込める。実際には、領域１０００は通常、以下で説明されているようなコア１００２と抑圧屈折率領域１００４とからなる。領域１００６はドレイン領域（シンク領域とも称する）であり、理想的には、これにカップリングするどのような光でも取り除く。領域１００８は領域１０００と領域１００６とを共鳴させてカップリングさせる補助導波路領域である。

したがって、図２の実施形態（および類似形態）は誘電材料、特に光ファイバ（およびアンプ）中の光導波路に関する。この誘電材料は典型的には長手方向に変化しない。重要な導波路特性は、導波路がサポートするモード、これらのモード間のカップリング、および導波路の伝播定数（すなわち有効屈折率ｎ_eff）である。特に、これは、主要素１０００中の所定の波長（λ₁）の光を導く（かつ、いくつかの実施形態では増幅する）が、異なる不要な特定の少なくとも１つの波長（λ₂）の光を導くことを抑制する手段を提供する。これは、λ₂で、補助導波路１００８を通じた「シンク」領域１００６に対する波長選択カップリングが領域１０００に生じ、この結果、光が１０００から１００６に流出するように配置することによって実現される。領域１００８を通じること以外で領域１０００および１００６にカップリングが生じない程度に領域１０００および１００６を十分に隔離するべきである。

１０００と１００８とのカップリングに関する条件には、これらの要素が近接し、かつこれらの間のカップリングが波長選択的であることが必要である。不要な波長λ₂のみで２つの要素の関連するモードの有効屈折率（ｎ_eff）がよく整合する場合に波長選択条件を満たすことができる。これは、１０００において有効屈折率ｎ_eff,Aが波長に対する弱い依存性しか持たない一方で１００６において有効屈折率ｎ_eff,Bが波長とともに激しく変化する（高い分散）、すなわち、２つの屈折率が波長とともに激しく分かれていき、波長とともに正反対に変化する場合である。

１００８と１００６とのカップリングに関する条件には、これらの要素が上記と同様に近接し、かつこれらの間のカップリングがほぼ波長選択性を持たないことが必要である。領域Ｂが多数の（理想的には連続）モードをサポートし、Ｃの関連モードの有効屈折率よりも高い有効屈折率を持つ場合、波長選択性を持たない条件を満たすことができる。

最後に、領域１００６がこれに入射するいかなる光に対しても有効「シンク」または「ドレイン」を構成する要件は、これが実質的に分散性を持つ（すなわち、吸収する（吸収係数ａΒによって特徴づけられる））ことによって満たすことができる。領域１００６が分散性を持たなくても、１０００よりもより多くのモードをサポートする場合には、引き続きシンクであることができ、これにより、１０００と１００６とで光を共有することで、１０００に含まれる光の量が低減される。しかし、この場合、１００６から１０００に戻るカップリングを妨げるさらなる要件が存在することになる。すなわち、１００６のモードには強く、好ましくはランダムに変化するカップリング（たとえば、その構造の長手方向の変化による）が生じなければならず、または、光が領域１０００に戻る距離（「復帰（ｒｅｖｉｖａｌ）」距離）は当該ファイバよりもきわめて長くなければならない。

領域１０００は、下地のガラスに対して任意の正の屈折率差（または開口数ＮＡ）を持つ任意の形状の「ステップ屈折率」コアを含むことができ、典型的なステップ屈折率コアはシングルモードのみをサポートする円形のコアであるが、矩形（平板）や環状（リング）形も可能である。領域１０００をフォトニック結晶ファイバ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ）（ＰＣＦ）またはフォトニックバンドギャップ（Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｂａｎｄｇａｐ）（ＰＢＧ）ファイバの「欠陥」（格子の要素の欠損）とすることもできる。

領域１００６は、任意の形状、たとえば、ファイバ断面に閉じ込められる形状とすることもでき、または、より一般的には、コアの導波要素を囲んで、ファイバクラッドを備え、機械的支持を実現するリングの形状とすることができる。これは分散をもたらす吸収ガラスから形成することができ、または、多数のモードを提供する高屈折率ｎ_Bのガラスの任意の広い領域（図によって示唆されているような領域）とすることができる。

補助カップリング導波路領域１００８は、これがλ₂（不要な波長）で１０００のモードと共鳴する（ｎ_eff,C＝ｎ_eff,A）少なくとも１つのモードをサポートし、かつ高い分散を持つという条件で、任意のサイズ、形状および屈折率ｎ_Cの領域とすることができる。一般的には高屈折率の空間的に微細な構造を用いることによって分散要件を満たすことができる。図によって示唆されているように、これを、領域Ａと同じ屈折率差（ｎ_B＝ｎΑ）を持つ広い矩形平板とすることができ、これにより、１００８で波長が適度に離間する複数のモードが実現されることになる。領域１００８の１つの構造としては、厚板の代わりに複数の微小コア（サブガイド）からなるひもがある。これは、１つのサブガイドの有効屈折率の近傍で群を形成する複数の有効屈折率を持つ「スーパーモード」をサポートする。その波長は厚板のモードよりもきわめて広範囲にわたって離間する。これは望ましい簡略化がなされたものであり、得られたファイバにおいて優れたスペクトル制御が可能になる。サブガイドを、適切なモードをサポートする任意の微小構造、たとえば、ステップ屈折率コアとすることができる。１つサブガイドとしては屈折率分布型（ｇｒａｄｅｄ ｉｎｄｅｘ）（ＧＲＩＮ）コアがある。これは、このようなガイドが等間隔に離間したモードをサポートし、これらのモードがステップ屈折率コアよりも小さい散乱損失を示すからである。１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲で出射光を生成するＮｄ³⁺導波路動作のようないくつかの実施形態では、１を超える波長範囲で損失を提供することが有用である場合がある。このような場合、２種類以上の補助導波路領域を用いてもよい。

図１５は、モノリシックカップリング導波路１００８を用いたＰＣＦをベースにしたものである代替実施形態を示す。最初に説明した実施形態の共鳴カップリング導波路にはＧＲＩＮのひもで形成された導波路を選択した。そこで示されているように、その形状により有効な損失バンドが生じ、さらに、その配置は作製に用いられる六角形の格子に最適である。

しかし、モノリシックカップリング導波路の（波長の）間隔を小さくすることが望まれる場合がある。たとえば、複数の線を抑制するために２つ以上の別々の損失バンドを設けるようにモード間隔を選択することができる。

カップリング導波路１１１４がこの場合にはモノリシックであるという変更以外、この代替例は、好ましい実施形態の包括的な特徴の大部分を引き継ぐ。

図１６および図１７は、高屈折率化シンクとともにステップ屈折率信号コアを有する代替実施形態を示す。上記の第１の説明実施形態および上記の代替形態では、コアはＰＣＦ格子の欠陥として形成される。しかし、当該２つの実施形態によって示されているようなステップ屈折率コアおよび高屈折率化シンクを用いてもすべての一般的な経験則を満たすことができる。ここで、信号コア１００２はその周囲物１００４と比較して高くされた屈折率を持ち、ＰＣＦのコアの代わりに「ステップ屈折率」を備える。シンク領域１００６も１００４よりも高い屈折率を持ち、さらに、その屈折率は、シンクを構成する条件に必要なように、コア１００２の屈折率と同程度に高いか、コア１００２の屈折率よりも高いべきである。図中、シンク１００６はコア１００２およびカップリング導波路１００８を囲んで、ファイバの外側の機械的要素を形成する。ただし、上記の一般原則記載部に示されているように、これを最も外側の機械的要素の内部の構造とすることもできる。また、上記のように、カップリング導波路１００８を図１４の場合のようなサブガイドのひもや、図１５の場合のようなモノリシックとすることができる。図１５～図１７の実施形態を２種類以上のＧＲＩＮを含むように修正することができる。図１３および図１４の実施形態を参照。本出願と同日に出願された「ファイバレーザおよびアンプの直線部の導波路設計」と題された米国特許出願、出願番号１５／２８８，５９０は本参照によって本明細書に援用される。

これらの実施形態はこの場合でも「集合線引（ｓｔａｃｋ－ａｎｄ－ｄｒａｗ）」作製技術に適するが、これらは、場合によっては有効である場合がある代替「チューブ内ロッド（ｒｏｄ－ｉｎ－ｔｕｂｅ）」技術にも適する。しかし、これらの実施形態では、ＰＣＦのコアを用いて利用可能な大きいモードサイズは可能ではない。これらの代替形態は、本発明がＰＣＦおよびＰＢＧファイバのような周期的構造にいずれのようにも限定されないことを示す。

ファイバレーザアンプおよびオシレータの設計、作製および試験の当業者であれば、上述の結果の通りにＮｄ^{3+ 4}Ｆ_3/2～⁴Ｉ_13/2原子遷移（名目上１３７０～１４６０ｎｍの領域）に対応する光の有用な増幅または発振を可能にする、本明細書に記載されている鍵となる洞察または発明が、望ましいＮｄ^{3+ 4}Ｆ_3/2～⁴Ｉ_13/2原子遷移（名目上１３７０～１４６０ｎｍの領域）についての最低の実現可能な導波路損失を同時に提供しつつ、ファイバの単位長さあたりの導波路損失が複数の競合Ｎｄ³⁺遷移（⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_11/2（１０５０～１１５０ｎｍ）または⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_9/2（９００～９５０ｎｍ））のいずれかに由来する任意の利得以上であるという包括的な特性を持つ任意の導波路設計であることを理解する。約８０８ｎｍのコアポンピングを可能にする⁴Ｉ_9/2から⁴Ｆ_5/2への（７８５～８２０ｎｍ）鍵となるポンプ吸収のための低い導波路損失を実現することが望ましい場合もある。さらに、実現可能な利得よりも導波路損失を格段に大きくすることによって競合利得バンドを完全に抑制することが望ましいが、我々の最初の実験の結果の説明で上記で示されているように、一方または両方の競合原子遷移が完全には抑制されない場合であっても、引き続ききわめて有効な利点を持つことが可能である。我々は、これらの基準を満たすいくつかの実施可能な導波路設計（実施形態）を提供してきた。しかし、この開示に基づいて、光ファイバ導波路設計の当業者には、主要な競合原子遷移に対応する８５０ｎｍ～１１５０ｎｍの広い領域のＮｄ³⁺由来の利得に損失が近いか、この利得よりも損失が大きいことともに、１３７０～１４６０ｎｍの望ましい低損失についての必須の基準を満たす、ここでは説明されていないさらなる導波路設計を特定する動機づけがなされる場合がある。本明細書に詳細に記載されているこれらの実施形態とは別の１つの候補としては、すべて固体のフォトニックバンドギャップ設計がある。特定のフォトニックバンドギャップベースの実施形態を発展させるには、１３７０ないし１４６０ｎｍで透過が優れており、競合利得遷移に対応する波長で透過量が小さいか、透過しないフォトニックバンドギャップファイバを設計する必要がある。第２の代替例では、この説明に基づいて、ともにドープされるドーパントをファイバコアまたは隣接するクラッドに添加して、所望の原子遷移で光を吸収するのではなく、競合原子遷移に対応する波長バンドの光を吸収する導波路設計を用いる動機づけがなされる場合がある。混合材料で起こる場合があるイオン・イオン相互作用を予想することが難しく、したがって、システム全体のパフォーマンスを制限する場合がある２次効果を予想することが難しくなるので、吸収材料の使用を実現するのは難しい場合がある点に留意する。手短に言えば、この開示に基づいて、競合利得遷移を十分に抑制しつつ、⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への原子遷移時のきわめて大きい利得について所望の結果を実現するのに必要な所望の導波路損失プロファイルを実現することができる他の導波路設計が存在することを当業者は理解することができる。

別の実施形態では、Ｙｂ³⁺がともにドープされたＥｒ³⁺ドープ光ファイバ（導波路）コアを利用する。この実施形態は実現可能な利得未満の損失を持つ特性持つＹｂ³⁺がともにドープされたＥｒ³⁺ドープ光ファイバコアをベースにして１５００ｎｍ～１６２０の波長範囲で動作する。導波路では、９５０ｎｍ～１１５０ｎｍの波長範囲でＹｂ³⁺発生利得よりも大きい導波路に起因する損失が生成され、１１００ｎｍよりも短い波長で動作するポンプレーザを利用してＹｂ³⁺イオンを励起状態まで励起し、このとき、エネルギは、Ｙｂ³⁺イオンからＥｒ³⁺イオンに移る。この実施形態は、ポンプレーザを光ファイバ（導波路）にカップリングさせる手段を含む。アンプとして構成される場合、導波路は、光ファイバのコアにカップリングされ、その後、増幅されて入射ビームよりも大きい出力を持つ信号ビームを生成する増幅対象の入射ビームを提供するように構成されているソースをさらに備える。場合によっては、コアにリンがともにドープされることが望ましい。

前述の記載は例示および説明の目的でなされており、網羅的であることを意図しないし、本発明を開示されている形態と厳密に同じ形態に限定することを意図しない。上記教示の観点から複数の修正および変形が可能である。開示されている実施形態では、本発明とその実施上の適用とについての原則を説明することで、他の当業者が様々な実施形態で、意図する特定の使用に適する様々な修正を行って、本発明を最良に使用することができるようにするにすぎないことを意図していた。本発明の範囲は以下の請求項によって定められることになる。

好ましくは、本明細書に記載されているすべての要素、部分およびステップが含まれる。当業者には自明になるが、これらの要素、部分およびステップのいずれも他の要素、部分およびステップと置換してもよいし、すべて削除してもよいと解する。

概して、本記載は少なくとも以下を開示する。１３００～１４５０ｎｍの波長範囲で動作するＮｄ³⁺光ファイバレーザおよびアンプが記載されている。ファイバは希土類ドープ光アンプを含み、またはこの波長バンド内で動作するレーザはこの波長バンドで光を導く光ファイバをベースにする。導波路構造は８５０ｎｍ～９５０ｎｍおよび１０５０ｎｍ～１１５０ｎｍの波長範囲の光を減衰する。

概念
この記載は少なくとも下記の概念も示す。

１．第１の原子遷移および第２の原子遷移を持つレーザ要素がドープされたコアを有する導波路であって、前記第１の原子遷移は前記第２の原子遷移よりも小さく、前記導波路は、前記第１の原子遷移の波長で損失よりもより利得を提供し、前記第２の原子遷移の波長で利得よりもより損失を提供するように構成されている、導波路と、
ポンプ光を用いて前記導波路の前記コアを光学的にポンピングするように構成されているソースと
を備える装置。

２．前記レーザ要素は前記第１の原子遷移よりも大きい１つ以上のさらなる原子遷移をさらに備えており、前記導波路は前記１つ以上のさらなる原子遷移の１つ以上の波長で利得よりもより損失を提供するように構成されている、概念１、３、１１－１８、２０－２２および２４－２７に記載の装置。

３．増幅される光を前記導波路中に提供して信号光を生成するように構成されている第２のソースをさらに備える概念１、２、５－７、１１－１３、１５および１８－２７に記載の装置。

４．増幅される光を前記導波路中に提供するように構成されている第２のソースをさらに備える概念１、２、５－７、１１－１３、１５および１８－２７に記載の装置。

５．前記第１の原子遷移の範囲内の前記波長は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にあり、前記第２の原子遷移の前記波長は８７０ｎｍ～９５０ｎｍの波長範囲にあり、前記１つ以上のさらなる原子遷移の前記１つ以上の波長は１０５０ｎｍ～１１２０ｎｍの範囲にある、概念２、４および１９に記載の装置。

６．前記レーザ要素はＮｄ³⁺を備えており、前記第１の原子遷移の前記波長は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にあり、前記第２の原子遷移の前記波長は１０５０ｎｍ～１１５０ｎｍの波長範囲にあり、前記１つ以上のさらなる原子遷移の前記１つ以上の波長は８７０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲にある、概念２、４および１９に記載の装置。

７．前記レーザ要素はＮｄ³⁺を備えており、前記第１の原子遷移は前記⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への原子遷移であり、前記第２の原子遷移は前記⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_11/2への原子遷移であり、前記１つ以上のさらなる原子遷移は前記⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_9/2への原子遷移である、概念２、４および１９に記載の装置。

８．前記レーザ要素は前記第１の原子遷移よりも大きい１つ以上のさらなる原子遷移をさらに備えており、前記導波路は前記１つ以上のさらなる原子遷移の１つ以上の波長で利得よりもより損失を提供するように構成されており、前記第１の原子遷移の前記波長は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にあり、前記第２の原子遷移の前記波長は１０５０ｎｍ～１１５０ｎｍの波長範囲にあり、前記１つ以上のさらなる原子遷移の前記１つ以上の波長は８７０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲にあり、前記増幅される光は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの前記範囲にある波長を備えており、前記ポンプ光は９５０ｎｍよりも短い波長の光である、概念３、１４および１７に記載の装置。

９．前記レーザ要素は前記第１の原子遷移よりも大きい１つ以上のさらなる原子遷移をさらに備えており、前記導波路は前記１つ以上のさらなる原子遷移の１つ以上の波長で利得よりもより損失を提供するように構成されており、前記レーザ要素はＮｄ³⁺を備えており、前記第１の原子遷移の前記波長は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にあり、前記第２の原子遷移の前記波長は１０５０ｎｍ～１１２０ｎｍの波長範囲にあり、前記１つ以上のさらなる原子遷移の前記１つ以上の波長は８７０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲にあり、前記増幅される光は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの前記範囲にある波長を備えており、前記ポンプ光は９５０ｎｍよりも短い波長の光である、概念３、１４および１７に記載の装置。

１０．前記レーザ要素は前記第１の原子遷移よりも大きい１つ以上のさらなる原子遷移をさらに備えており、前記導波路は前記１つ以上のさらなる原子遷移の１つ以上の波長で利得よりもより損失を提供するように構成されており、前記レーザ要素はＮｄ³⁺を備えており、前記第１の原子遷移は前記⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_13/2への原子遷移であり、前記第２の原子遷移は前記⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_11/2への原子遷移であり、前記１つ以上のさらなる原子遷移は前記⁴Ｆ_3/2から⁴Ｉ_9/2への原子遷移であり、前記増幅される光は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの前記範囲にある波長を備えており、前記ポンプ光は９５０ｎｍよりも短い波長の光である、概念３、１４および１７に記載の装置。

１１．前記導波路は溶融石英を備える、概念１－１０および１２－２７に記載の装置。

１２．前記コアは溶融石英を備えており、前記レーザ要素はＮｄ³⁺を備えており、前記コアは、リン、ゲルマニウム、アルミニウム、フッ素およびホウ素からなる前記群から選択されるさらなる、ともにドープされるドーパントをさらに備える、概念１－１１、１３－１９および２１－２５に記載の装置。

１３．前記ポンプ光は前記コアに直接カップリングされ、前記コア導波路損失は、前記レーザイオンによる前記ポンプ光の前記吸収に起因する前記有効損失よりも少ない、概念１－１２および１４－２７に記載の装置。

１４．前記ポンプ光は波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）を介して前記導波路にカップリングされ、前記信号光は前記ＷＤＭを介して前記導波路にカップリングされるか、前記導波路からカップリングされる、概念３、８－１０および１７に記載の装置。

１５．前記導波路は第１のクラッドと第２のクラッドとを備えており、前記ポンプ光は前記第２のクラッドにカップリングされる、概念１－１４および１７－２７に記載の装置。

１６．増幅される光を前記導波路中に提供して信号光を生成するように構成されている第２のソースをさらに備えており、前記ポンプ光はポンプ信号コンバイナを介して前記第２のクラッドにカップリングされ、前記信号光は前記ポンプ信号コンバイナを介して前記コアにカップリングされるか、前記コアからカップリングされる、概念１５に記載の装置。

１７．（ｉ）前記増幅される光が前記導波路にカップリングされる前に光アイソレータを通過し、（ｉｉ）前記信号光が前記光アイソレータを通過するように選択されている構成をさらに備える概念３、８－１０および１４に記載の装置。

１８．前記導波路は前記第２の原子遷移時の前記利得を低下させるが、なくさないように構成されている、概念１－１７および１９－２７に記載の装置。

１９．前記導波路は、前記第２の原子遷移と前記１つ以上のさらなる原子遷移とのうちの少なくとも１つの原子遷移時の前記利得を低下させるが、なくさないように構成されている、概念２および５－１０に記載の装置。

２０．前記レーザ要素はＮｄ³⁺を備えており、前記導波路は、７８５ｎｍ～８２０ｎｍの前記範囲の波長を持つポンプ光を用いて前記コアを光学的にポンピングする程度に⁴Ｉ_9/2から⁴Ｆ_5/2への前記原子遷移（７８５～８２０ｎｍ）で十分に低い導波路損失を実現するように構成されている、概念１－４、１１、１３－１９および２１－２５に記載の装置。

２１．前記導波路は、
前記第１の原子遷移の波長を有する光と前記第２の原子遷移の波長を有する光とを備える１つ以上のモードを伝播するように構成されている、前記コアを含む信号搬送導波路領域と、
シンク領域と、
前記信号搬送導波路領域から前記シンク領域に前記第２の原子遷移の光を共鳴させてカップリングさせるように構成されている補助導波路領域と
を備える、概念１－２０、２６および２７に記載の装置。

２２．前記信号搬送導波路領域は、前記信号搬送導波路領域が前記第１の原子遷移の波長を持つものを閉じ込めるように、前記コアと比較して低い屈折率を持つ格子を備える、概念２１、２３および２４に記載の装置。

２３．前記レーザ要素は前記第１の原子遷移よりも大きい１つ以上のさらなる原子遷移をさらに備えており、前記導波路は前記１つ以上のさらなる原子遷移の１つ以上の波長で利得よりもより損失を提供するように構成されており、前記補助導波路領域は、前記信号搬送導波路領域から前記シンク領域に前記１つ以上のさらなる原子遷移の１つ以上の波長の光を共鳴させてカップリングさせるようにさらに構成されている、概念２１、２２、２４および２５に記載の装置。

２４．前記補助導波路領域はモノリシックカップリング導波路を備える、概念２１－２３および２５に記載の装置。

２５．前記信号搬送導波路領域はステップ屈折率を備えており、前記シンク領域は高屈折率化シンクを備える、概念２１、２３および２４に記載の導波路。

２６．前記レーザ要素はＹｂ³⁺がともにドープされたＥｒ³⁺を備えており、前記第１の原子遷移の前記波長は１５００ｎｍ～１６２０ｎｍの範囲にあり、前記第２の原子遷移の前記波長は９５０ｎｍ～１１５０ｎｍの範囲にあり、前記ポンプ光は１１００ｎｍよりも短い波長の光である、概念１－４、１１、１３－１９および２１－２５に記載の装置。

２７．前記レーザ要素にはリンがともにドープされる、概念２６に記載の装置。

Claims (27)

1. レーザ要素Ｎｄ^３＋がドープされたコアを有する導波路であって、前記Ｎｄ^３＋は第１の原子遷移、第２の原子遷移および第３の原子遷移を持ち、前記第１の原子遷移は前記第２の原子遷移および第３の原子遷移よりも小さく、前記第１の原子遷移は^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_１３／２への原子遷移であり、前記第２の原子遷移は前記^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_１１／２への原子遷移であり、前記第３の原子遷移は前記^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_９／２への原子遷移であり、
   前記第１の原子遷移の波長、前記第２の原子遷移の波長および前記第３の原子遷移の波長を伝播するように構成されている、前記コアを含む信号搬送導波路領域と、
   シンク領域と、
   前記第１の原子遷移の波長で損失よりもより利得を提供し、前記第２の原子遷移の波長で利得よりもより損失を提供し、前記第３の原子遷移の波長で利得よりもより損失を提供するように、前記信号搬送導波路領域から前記シンク領域に前記第２の原子遷移の波長を共鳴させてカップリングさせるように構成されている補助導波路領域と、
   を含む、導波路と、
   ポンプ光を用いて前記導波路の前記コアを光学的にポンピングするように構成されているソースと
   を備える装置。
2. 増幅される光を前記導波路中に提供して信号光を生成するように構成されている第２のソースをさらに備える請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の原子遷移の範囲内の前記波長は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にあり、前記第２の原子遷移の前記波長は１０５０ｎｍ～１１５０ｎｍの範囲にある、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の原子遷移の前記波長は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にあり、前記第２の原子遷移の前記波長は１０５０ｎｍ～１１５０ｎｍの波長範囲にあり、前記第３の原子遷移の前記波長は８７０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲にある、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の原子遷移の前記波長は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にあり、前記第２の原子遷移の前記波長は１０５０ｎｍ～１１５０ｎｍの波長範囲にあり、前記第３の原子遷移の前記波長は８７０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲にあり、前記増幅される光は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの前記範囲にある波長を備えており、前記ポンプ光は９５０ｎｍよりも短い波長の光である、請求項２に記載の装置。
6. 前記第１の原子遷移の前記波長は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にあり、前記第２の原子遷移の前記波長は１０５０ｎｍ～１１２０ｎｍの波長範囲にあり、前記第３の原子遷移の前記波長は８７０ｎｍ～９５０ｎｍの範囲にあり、前記増幅される光は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの前記範囲にある波長を備えており、前記ポンプ光は９５０ｎｍよりも短い波長の光である、請求項２に記載の装置。
7. 前記増幅される光は１３００ｎｍ～１５００ｎｍの範囲にある波長を備えており、前記ポンプ光は９５０ｎｍよりも短い波長の光である、請求項２に記載の装置。
8. 前記導波路は溶融石英を備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記コアは溶融石英を備えており、前記コアは、リン、ゲルマニウム、アルミニウム、フッ素およびホウ素からなる群から選択されるさらなる、ともにドープされるドーパントをさらに備える、請求項１に記載の装置。
10. 前記ポンプ光は前記コアに直接カップリングされ、コア導波路損失は、レーザイオンによる前記ポンプ光の吸収に起因する有効損失よりも少ない、請求項１に記載の装置。
11. 前記ポンプ光は波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）を介して前記導波路にカップリングされ、信号光は前記ＷＤＭを介して前記導波路にカップリングされるか、前記導波路からカップリングされる、請求項１に記載の装置。
12. 前記導波路は第１のクラッドと第２のクラッドとを備えており、前記ポンプ光は前記第２のクラッドにカップリングされる、請求項１に記載の装置。
13. 増幅される光を前記導波路中に提供して信号光を生成するように構成されている第２のソースをさらに備えており、前記ポンプ光はポンプ信号コンバイナを介して前記第２のクラッドにカップリングされ、前記信号光は前記ポンプ信号コンバイナを介して前記コアにカップリングされるか、前記コアからカップリングされる、請求項１２に記載の装置。
14. （ｉ）前記増幅される光が前記導波路にカップリングされる前に光アイソレータを通過し、（ｉｉ）前記信号光が前記光アイソレータを通過するように選択されている構成をさらに備える請求項２に記載の装置。
15. 前記導波路は前記第２の原子遷移時または前記第３の原子遷移時の少なくとも１つにおける前記利得を低下させるが、なくさないように構成されている、請求項１に記載の装置。
16. 前記導波路は、１つ以上のさらなる原子遷移時の前記利得を低下させるが、なくさないように構成されている、請求項１５に記載の装置。
17. 前記導波路は、７８５ｎｍ～８２０ｎｍの範囲の波長を持つポンプ光を用いて前記コアを光学的にポンピングする程度に^４Ｉ_９／２から^４Ｆ_５／２への前記原子遷移（７８５～８２０ｎｍ）で十分に低い導波路損失を実現するように構成されている、請求項１に記載の装置。
18. 前記補助導波路領域は、前記信号搬送導波路領域から前記シンク領域に前記第３の原子遷移の波長を共鳴させてカップリングさせるようにさらに構成されている、請求項１に記載の装置。
19. 前記信号搬送導波路領域は、前記信号搬送導波路領域が前記第１の原子遷移の前記波長を閉じ込めるように、前記コアと比較して低い屈折率を持つ格子を備える、請求項１に記載の装置。
20. 前記レーザ要素は前記第１の原子遷移よりも大きい１つ以上のさらなる原子遷移をさらに備えており、前記導波路は前記１つ以上のさらなる原子遷移の１つ以上の波長で利得よりもより損失を提供するように構成されており、前記補助導波路領域は、前記信号搬送導波路領域から前記シンク領域に前記１つ以上のさらなる原子遷移の１つ以上の波長の光を共鳴させてカップリングさせるようにさらに構成されている、請求項１８に記載の装置。
21. 前記補助導波路領域はモノリシックカップリング導波路を備える、請求項１に記載の装置。
22. 前記信号搬送導波路領域はステップ屈折率を備えており、前記シンク領域は高屈折率化シンクを備える、請求項１に記載の装置。
23. 前記ポンプ光は９５０ｎｍよりも短い波長の光である、請求項１８に記載の装置。
24. 前記導波路は、７８５ｎｍ～８２０ｎｍの範囲の波長を持つポンプ光を用いて前記コアを光学的にポンピングする程度に ^４ Ｉ _９／２ から ^４ Ｆ _５／２ への前記原子遷移（７８５～８２０ｎｍ）で十分に低い導波路損失を実現するように構成されている、請求項１８に記載の装置。
25. Ｎｄ^３＋がドープされたコアを有する導波路であって、
    第１の原子遷移の波長、第２の原子遷移の波長および第３の原子遷移の波長を伝播するように構成されている、前記コアを含む信号搬送導波路領域と、
    シンク領域と、
    ^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_１３／２への遷移である前記第１の原子遷移の前記波長で損失よりもより利得を提供し、 ^４ Ｆ _３／２ から^４Ｉ_１１／２への遷移である前記第２の原子遷移の前記波長で利得よりもより損失を提供し、 ^４ Ｆ _３／２ から^４Ｉ_９／２への遷移である前記第３の原子遷移の前記波長で利得よりもより損失を提供するように、前記信号搬送導波路領域から前記シンク領域に前記第２の原子遷移の波長を共鳴させてカップリングさせるように構成されている補助導波路領域と、
    を含む、導波路と、
    ポンプ光を用いて前記導波路の前記コアを光学的にポンピングするように構成されているソースと、
    を備える装置。
26. 前記構成は前記導波路の内部にある、請求項２５に記載の装置。
27. 前記構成は前記導波路の完全な内部にあり、
    前記導波路の外部には、前記 ^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_１３／２への遷移である前記第１の原子遷移の前記波長で損失よりもより利得を提供し、前記^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_１１／２への遷移である前記第２の原子遷移の前記波長で利得よりもより損失を提供し、前記^４Ｆ_３／２から^４Ｉ_９／２への遷移である前記第３の原子遷移の前記波長で利得よりもより損失を提供する、要素を有さない、請求項２６に記載の装置。