JPH03289186A

JPH03289186A - 光ファイバレーザ

Info

Publication number: JPH03289186A
Application number: JP9036290A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Miyajima; 宮島　義昭; Tetsuo Komukai; 哲郎小向; Tomonori Sugawa; 智規須川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-04-06
Filing date: 1990-04-06
Publication date: 1991-12-19
Anticipated expiration: 2014-06-14
Also published as: JP2905251B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、光フアイバ型の発光素子として用いられる光
ファイバレーザに関するものである。

（従来の技術）現在、光通信システムに使用されている光ファイバは、
石英ガラスを材料とし、伝送される光の波長は、低損失
伝送が可能等の理由から、０．８５μｍ、ｌＪＩｌ−ｍ
、及び１．５５μｍ帯が用いられる。

また、これら波長光の光源としては、半導体レーザが用
いられている。

ところで、光ファイバの伝送損失は、ガラス物質及び不
純物の光散乱や光吸収により決定される。

一般に１．使用する波長が長くなると散乱波長は波長の
４乗に逆比例して小さくなるが、石英系ガラスを用いる
限り赤外域の吸収損失が存在するため、１．６μｍ以上
の波長域では損失値が急激に増加し、低損失化には材料
的に限界がある。

吸収損失は、光が物質に当たったときの分子の格子振動
に起因しているため、これをさらに低減するには、振動
が生じにくい重い分子で構成され、かつ、弱い力で結合
されているような材料を使用する必要がある。

このような吸収損失の低い材料としては、フッ化物光フ
ァイバやハライドガラスファイバが知られている。これ
らファイバの理論的伝送損失は、石英系光ファイバの１
０分の１から１００分の１と非常に小さい値であり、長
距離伝送に好適な伝送媒体として期待されている。

ところが、フッ化物光ファイバ等の損失が最小となる波
長は、２．５μｍから３．５μｍである。このような波
長域で発振可能なレーザは、現在、開発途上にあるが、
これまでに発振の確認されたレーザとして、鉛塩系の材
料による半導体レーザやカラーセンタレーザがある。

また、最近では、フッ化物光ファイバのコアに希土類元
素のＥｒ（エルビウム）やＨｏ（ホロミウム）等を添加
し、かつ、ファイバ両端に特定の波長に対してのみ反射
特性を持つミラーを配置し、これに励起用レーザ光を入
射させて２μｍ帯の光を発振させる、いわゆる光ファイ
バレーザも用いられるようになっている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記した鉛塩系の材料による半導体レー
ザやカラーセンタレーザは連続発振のためには冷却の必
要があり、実用性及び信頼性の上で問題がある。

一方、光ファイバレーザは、冷却の必要がなく、上記レ
ーザに比べて実用性に即しているものの、励起用レーザ
の波長は特定の波長に限られてしまうという欠点がある
。

例えば、光ファイバへの添加物がＥｒの場合には、アル
ゴンイオンレーザの発振線の一つである０、４７６５μ
ｍが適切であり、その他の発振線０．４８８μｍや０．
５１４μｍでは、励起エネルギは十分であるにもかかわ
らず、レーザ発振ができない。

このように励起用レーザの波長に制限があると、種々の
点で不都合が多く、将来、通信用途として実用化するに
際しては困難な点が予想される。

例えば、励起用レーザとして半導体レーザを用いること
ができれば、光源の小型化が可能であるとともに、アル
ゴンイオンレーザ等に比較して省電力化を期待できる。

にもかかわらず、半導体レーザの発振波長は、０．８か
ら０．８５μｍ帯、０．９８μｍ帯、１．３μｍ帯、１
，５５μｍ帯が一般的であり、上述の０．４７６５μｍ
での発振は困難である。このため、ファイバレーザ光源
の小型化の障害となっている。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、励起用レーザの波長が特定の一波長のみなら
ず、ある範囲の複数の波長で発振可能な光ファイバレー
ザを提供することにある。

（課題を解決するための手段）上記目的を達成するため、本発明では、レーザ活性媒質
を含む光ファイバと、該光ファイバの両端に相対するよ
うに配置され所定の波長に対してのみ反射特性を有する
二つのミラーと、前記レーザ活性媒質を励起するための
所定波長の光を出射する励起用レーザ光源とを有する光
ファイバレーザにおいて、前記励起用レーザ光源による
光とは異なる波長で、かつ、レーザ発振状態における所
定のエネルギ準位にある原子を、下部エネルギ準位へま
たは上部エネルギ準位へ遷移させる波長の光を出射する
第２のレーザ光源と、前記各レーザ光源による光を前記
光ファイバに入射させる手段とを備えた。

（作　用）第２図は、光ファイバレーザのレーザ活性媒質の励起エ
ネルギ準位とレーザ発振のメカニズムの一任１１を示す
概略図で、この第２図に基づいて本発明による作用を説
明する。

光ファイバに励起用レーザ光源による所定波長の光が入
射されると、この光によりレーザ活性媒質が励起されて
、そのエネルギ準位が基底準位「０」から「３」のエネ
ルギ準位への遷移が起こる。その後、エネルギ準位「３
」からエネルギ準位「２」への遷移を経て、エネルギ準
位「２」からエネルギ準位「１」への遷移に伴い、レー
ザ発振が生じる。

このようなメカニズムに基づくレーザ発振が安定に接続
するための条件は、反転分布が戊り立つことである。具
体的には、エネルギ準位「１コの状態を占める原子の数
が、エネルギ準位「２」の原数の数に比較して十分に小
さいことが必要である。

本発明では、励起用の光の入射とほぼ同時に第２のレー
ザ光源による光が光ファイバに入射されるため、所定の
エネルギ準位、即ち、エネルギ準位「１」にある原子が
、誘導放出により基底準位「０」へと降下され、あるい
は、上部準位「３」等へ励起されて、エネルギ準位「１
」の状態にある原子の数が減少される。

これにより、良好に反転分布が形成され、レーザ発振が
安定に持続される。

（実施例）第１図は、本発明に係る光ファイノくレーザの一実施例
を示す構成図である。第１図において、１は希土類元素
添加光ファイバ、２ａ、２ｂはミラ、３はレンズ、４は
フィルタ、５は励起用レーザ光源、６は第２のレーザ光
源、７は光合波手段としてのダイクロイックミラーであ
る。

希土類元素添加光ファイバ（以下、単に光ファイバとい
う）は、レーザ活性媒質として希土類元素のＥｒを所定
濃度で添加して構成されている。

ミラー２ａ、２ｂは、波長２．７μｍ帯に対して全反射
し、他の波長、例えば０．４５５〜０．５１４μｍ及び
１．５３５μｍに対して透過する特性を有し、それぞれ
光ファイバ１の両端に互いに対向するように配置されて
いる。

レンズ３は、ダイクロイックミラー７による合波光を集
光し、ミラー２ａを介して光ファイバ１の一端に結像さ
せる。

フィルタ４は、波長２．７μｍのみを透過する特性を有
し、ミラー２ｂと対向するように配置されている。

励起用レーザ光源（第１のレーザ光源）５は、アルゴン
イオンレーザからなり、波長０．４５５〜０．５１４μ
ｍの光（以下、第１の励起光という）Ｐｌを出射する。

第２のレーザ光源６は、半導体レーザからなり、波長１
．５３５μｍの光（以下、第２の励起光という）Ｐ２を
出射する。

ダイクロイックミラー７は、波長０．４５５〜０．５１
４μｍに対しては透過し、波長１．５３５μｍに対して
は反射する特性を有し、励起用レーザ光源５による第１
の励起光Ｐ１と第２のレーザ光源６による第２の励起光
Ｐ２とを合波し、この合波光をレンズ３に入射させる。

次に、上記構成による動作を、第３図及び第４図に基づ
いて説明する。

励起用レーザ光源５から出射された第１の励起光Ｐ、と
、第２のレーザ光源６から出射された第２°の励起光Ｐ
２は、ダイクロイックミラー７に対して互いに直交する
方向から入射され、ここで合波される。

この合波光（Ｐ１＋Ｐ２）は、レンズ３にて集光され、
ミラー２ａを透過して光ファイバ１の一端に入射される
。

光ファイバ１では、第１の励起光Ｐ１の入射に伴い、フ
ァイバ中のＥｒイオンが、第３図に示す約２００００ｃ
ｍ−１当たりのエネルギ準位（第４図中のエネルギ準位
「３」に相当）の状態まで励起される。

この状態から無放射過程を経て、’Ｉｌｌ／□のエネル
ギ準位（第４図中のエネルギ準位「２」に相当）まで変
化し、さらに’　Ｉ　１３／２のエネルギ準位（第４図
中のエネルギ準位「１」に相当）へ遷移する時に、波長
２．７μｍの発光が見られる。この発光が、レーザ発振
に寄与することになる。

即ち、波長２．７μｍの光は、光ファイバ１の両端に配
置されたミラー２ａ、２ｂにより、いわゆるキャビティ
内に閉じこめられ、誘導放出によりレーザ発振すること
となる。

このとき、光ファイバ１には、第１の励起光Ｐ１と共に
、第２の励起光Ｐ２が入射されており、この第２の励起
光Ｐ２の波長１．５３５μｍは、エネルギ準位’１１３
／□（ｒｌＪ）の励起エネルギと一致しているため、誘
導放出により、エネルギ準位’１１３／２の状態にある
原子が、基底準位’１１５／□（第４図中のエネルギ準
位「０」に相当）へと遷移させられ、エネルギ準位’　
Ｉ　１３／２にある原子の数が減少する。

これにより、エネルギ準位４１１□、２（ｒ２Ｊ　）と
エネルギ準位’　Ｉ　１３／２　（ｒｌＪ　）との良好
な反転分布が確保され、レーザ発振は安定して継続され
て、安定したレーザ光がフィルタ４を介して出射される
。

以上説明したように、本実施例では、光ファイバ１へ、
波長０．４５５〜０．５１４　μｍの第１の励起光Ｐ１
と同時に、波長１．５３５μｍの第２の励起光Ｐ２を入
射させてレーザ発振を誘起させるため、従来の光ファイ
バレーザでは、波長０．４７８５μｍの励起光のみでし
かレーザ発振を得ることができないのに対し、０．４８
８μｍ、　０．５１４μｍをはじめ、０．８μｍ、０．
９μｍの各波長の励起光によっても、安定なレーザ発振
を実現できる。

このため、励起用レーザ光源５としては、本実施例で用
いた波長０．４５５〜０．５１４μｍのアルゴンイオン
レーザのみならず、発振波長０．８μｍあるいは０．９
８μｍの半導体レーザも適用可能である。

従って、励起用レーザ光源５として半導体レーザを用い
ることにより、光ファイバレーザの小型化を図れる利点
がある。

なお、本実施例では、第１の励起光Ｐ１と第２の励起光
Ｐ２とを合波し、この合波光を光ファイバ１の一端へ入
射させるように構成したが、これに限定されるものでは
なく、光ファイバ１の他端側に光合分波手段等を配置し
、第１及び第２の励起光をそれぞれ異なるファイバ端面
から入射するように構成してもよい。

また、本実施例では、エネルギ準位「１」の原子を、基
底準位「○」まで遷移せしめて、エネルギ準位「１」の
原子の数を減少させ、良好な反転分布を形成するように
構成したが、これに限定されるものではない。

即ち、第５図に示すように、例えば上部準位であるエネ
ルギ準位「３゛」へエネルギ準位「１」の原子を遷移せ
しめてもよい。この場合、第２のレーザ光源６としては
、第３図から推察されるように、例えば発振波長０．８
〜０．８５μｍのレーザを適用すればよい。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、レーザ発振状態
における所定のエネルギ準位にある原子の数を、第２の
レーザ光源による光を入射させることにより誘導放出あ
るいは励起させて減少させ、反転分布を確保するため、
レーザ遷移を安定に持続させることができる。

これにより、励起用レーザ光源として、特定の一波長の
みならず、ある範囲の複数の波長のものを用いることが
できる。

従って、例えば、２．７μｍの発振が、波長０．８μｍ
あるいは０．９８μｍの光で可能となり、大きさの小さ
な半導体レーザを励起用レーザ光源に採用できるため、
光ファイバレーザの大幅な小型化を実現できる利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光ファイバレーザの一実施例を示
す構成図、第２図は光ファイバレーザのレーザ活性媒質
の励起準位とレーザ発振のメカニズムの一例を示す概略
図、第３図及び第４図は本発明に係る動作を説明するた
めの図で、第３図はＥｒ元素のエネルギ準位図、第４図
は第１図の構成におけるレーザ活性媒質の励起準位とレ
ーザ発振のメカニズムを示す概略図、第５図は本発明に
係る光ファイバレーザの他の実施例を説明するための図
である。図中、１・・・希土類元素添加光ファイバ、２ａ。２ｂ・・・ミラー、３・・・レンズ、４・・・フィルタ
、５・・・励起用レーザ光源、６・・・第２のレーザ光
源、７・・・ダイクロイックミラー

Claims

【特許請求の範囲】レーザ活性媒質を含む光ファイバと、該光ファイバの両
端に相対するように配置され所定の波長に対してのみ反
射特性を有する二つのミラーと、前記レーザ活性媒質を
励起するための所定波長の光を出射する励起用レーザ光
源とを有する光ファイバレーザにおいて、前記励起用レーザ光源による光とは異なる波長で、かつ
、レーザ発振状態における所定のエネルギ準位にある原
子を、下部エネルギ準位へまたは上部エネルギ準位へ遷
移させる波長の光を出射する第２のレーザ光源と、前記各レーザ光源による光を前記光ファイバに入射させ
る手段とを備えたことを特徴とする光ファイバレーザ。