JPH0377968B2 - - Google Patents

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JPH0377968B2
JPH0377968B2 JP58145595A JP14559583A JPH0377968B2 JP H0377968 B2 JPH0377968 B2 JP H0377968B2 JP 58145595 A JP58145595 A JP 58145595A JP 14559583 A JP14559583 A JP 14559583A JP H0377968 B2 JPH0377968 B2 JP H0377968B2
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optical
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signal
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Jon Shoo Haabaato
Chodoro Maabin
Jei Efu Deigone Misheru
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BOODO OBU TORASUTEIIZU OBU ZA RERANDO SUTANFUOODO JUNIA UNIV ZA
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 ある材料のレイジング（コヒーレントな電磁波
を発生すること）能力に基づき、特に巨視的レベ
ルについての光増幅器の概念が周知である。この
ように、たとえば、ポンピング光源と、直径が数
ミリメートルで長さが数センチメートルの単結晶
ネオジミウム−イツトリウム アルミニウム ガ
ーネツト（ND：YAG）ロツド等を管状反射性
空洞に配置することが知られている。たとえば、
光源およびND：YAGロツドは、それぞれ、楕
円断面を有する空洞の２つの焦点に沿つて延びる
ように配置されてもよい。そのような構成におい
て、光源によつて出される光および空洞壁から反
射される光はND：YAGロツドに突き当たる。
光源は、好ましくは、ND：YAG結晶の吸収ス
ペクトルに対応する波長を出すように選ばれてお
り、そのため、その結晶のネオジミウムイオンの
エネルギ状態は上部レイジングレベルよりも上の
エネルギレベルに反転される。反転の後、フオノ
ンの放射によつてネオジミウムイオンがまず緩和
して、上部レイジングレベルでイオン母集団が与
えられる。上記レイジングレベルから、イオンが
レイジングし、下部エネルギレベルへ至り、
ND：YAG材料の特性である波長の光を出す。
有利には、この下部エネルギレベルはイオンのた
めの基底レベルよりも上であり、そのために、急
速な、フオノン放出緩和がこの下部エネルギレベ
ルと基底レベルとの間で生じ、高い反転比がポン
ピングされたイオン内で上部レイジングレベルと
下部エネルギレベルとの間に存在し続けることが
できる。
そのように反転された母集団ではレーザ技術か
ら周知な通り、ND：YAGはまた非常に遅いけ
い光を与え、すなわち、非コヒーレント光をラン
ダムに出す。しかしながら、この自然放射は、増
幅しているロツドに最小の影響しか与えない、な
ぜならば反転された状態のイオンの平均寿命は
230マイクロ秒だからである。
ND：YAGロツドのネオジミウムイオンが反
転された後、レイジング周波数の光信号がロツド
を介して送られれば、光信号はネオジミウムイオ
ンのレイジング遷移をトリガし、誘導放射のコヒ
ーレント放出を生じ、これは、効果的に送られた
信号に加えられ、したがつてこの信号を増幅す
る。
ND：YAG結晶内のポンピング照射の吸収長
さ（すなわち、照射の60％が吸収される前に照射
が横切らなければならない材料の長さ）は典型的
には２および３mmの範囲にあり、したがつて構造
を増幅する際に用いられるND：YAG結晶は、
その結晶が空洞壁からの初期反射およびその結晶
の通過の間にポンピング放射を実質的に吸収する
ことができるように直径を少なくともこの大きさ
にした。もし、結晶のこの最初の横切りの間に、
ポンピング照射が吸収されなければ、空洞壁によ
つて光源へ反射されるようであり、この場合、そ
れは再び吸収され、光源に熱を生じかつ増幅器の
全体効率を減少させる。
このような増幅器が光フアイバシステムに用い
られるとき、レンズなどのような光学コンポーネ
ントを用いて光フアイバからの光をND：YAG
ロツドへ焦点合わせし、かつND：YAGロツド
からの増幅された光信号を他のフアイバへ焦点合
わせする必要があると考えられていた。このよう
な光学システムは注意深く配列する必要があり、
振動および温度効果のような環境的な変化を受け
やすい。さらに、光学コンポーネントおよび
ND：YAGロツドの寸法は増幅システムをかな
り大きくし、したがつてある応用に対しては非実
用的にさせる。さらに、ND：YAGロツドの比
較的大きな寸法はロツド内でのビームのふらつき
を生じる。したがつて、入力光フアイバエレメン
トからの信号はロツドを介して異なる経路を横切
り、その特性は温度に関係しており、時間ととも
に変化し、そのため出力光は、出力フアイバが小
さな受入れ角度内の光のみを受けるということに
より失われる。このように、ND：YAGロツド
内でビームがさまようので、出力信号は制御する
ことができない態様で変化する。さらに、ND：
YAGロツドの大きな寸法は、ロツド内で高エネ
ルギ密度を維持するために、多量の入力エネルギ
を必要とする。このような大きなポンピング力は
高出力ポンプ光源が必要であり、典型的には空洞
を液冷することによつて消散されなければならな
い実質的な熱を発生する。
この形式の増幅器はある通信応用のような数多
くの応用に有益である一方で、再循環光フアイバ
ジヤイロスコープにおける使用では、増幅システ
ムに厳しい制限が課せられる。そのようなジヤイ
ロスコープでは、典型的には長さが１Kmまたはそ
れ以上の光フアイバがループに巻かれ、光信号が
ループ内で、典型的には両方向に再循環される。
ループの運動は、ジヤイロスコープの回転を測定
するために用いられるかもしれない互いに逆方向
に伝播する光信号の間の位相差を生じる。一方方
向に誘起される位相シフトは比較的小さいので、
かつ回転に関する周期的出力が必要とされるの
で、可能な限り何回もループ内で入力光を再循環
させるのが有利である。
１Kmの光フアイバを横ぎるのに、光学信号は典
型的にはその強度の30ないし50％を失う。もし双
方向性の互いに逆方向に伝播する光信号を増幅す
ることができれば、増幅器は、もしその増幅器が
ループに直列に配置されかつ２ないし3dbのゲイ
ンを与えられれば、そのループ内で光信号が何度
も伝播するようにすることができるであろう。
不幸にも、上述したような、先行技術のND：
YAGロツド増幅器の、比較的非能率的なパフオ
ーマンスによつて生じる比較的大きな寸法、高出
力要求、ビームさまよい効果、冷却要求のため、
そのような増幅器は高精度ジヤイロスコープに対
しては非実用的である。もちろん、これらのフア
クタはまた通信回路網のような、他の応用におい
てそのような増幅器を利用することをも制限す
る。
発明の概要 結晶ロツド増幅器に関連するこれらの欠点はこ
の発明において緩和される。この発明によれば、
ポンピングソースフアイバおよびドープされた増
幅媒体がともに小さな直径の光フアイバであるこ
とが可能となる。これらのフアイバは光学結合器
を形成するように密に接近して位置決めされる。
ポンプフアイバおよび増幅器フアイバの屈折率は
可能な限りほぼ同一である。このような構成で、
かつポンプフアイバと増幅器フアイバとの間の間
隔が正しく調節された状態で、かつこれらフアイ
バ間が注意深く選択された相互作用長さを有し
て、光学結合器はポンピング源の波長で高い結合
効率を与え、しかし増幅されるべき信号の波長で
は低い結合率を与える。このことは、ポンピング
照射をドープされた増幅器フアイバへ結合する結
果となり、しかし実質的に増幅されるべき光学信
号に対する損失を除去する、なぜならばこの信号
はポンピングフアイバへ結合されないからであ
る。
この発明のは信号フアイバ内で案内するため信
号フアイバへポンピング波長が結合されるように
することができるので、ND：YAG信号フアイ
バの直径は吸収長さを越える必要がない、なぜな
らばポンピング照射は、一旦ポンピング照射がこ
のフアイバへ結合されると、その軸に垂直なより
もむしろND：YAGフアイバの軸に沿う方向に
効果的に吸収されるからである。このように、ポ
ンピング照射は、その信号伝播特性を妨げること
なく、増幅しているND：YAGフアイバへ連続
的に供給されることができる。さらに、４−ポー
ト結合器がポンピング照射を増幅フアイバへ結合
するために用いられるので、増幅フアイバの端部
は光フアイバシステム内の光フアイバへ直接信号
結合するために利用できる。
この発明のこれらおよび他の利点は添付図面と
ともに行なう以下の詳細な説明からより一層明ら
かとなろう。
好ましい実施例の詳細な説明 この発明の光フアイバ増幅器の動作の詳細な理
解を得るために、光フアイバ結合器が第１の光周
波数を選択的に結合する一方で第２の光学周波数
を結合しないように構成されることができる態様
を理解する必要がある。このような選択的な結合
のために必要とされる装置のみならず、その装置
を構成する方法は、1981年11月９日に出願された
特許出願連続番号第319301号の同時係属中の出願
“Passive Fiber Optic Multiplexer”、発明者は
Herbert J.ShawおよびMichael J.F.Digonnet、
に開示されている。この出願は本願発明の譲受人
に譲渡された。この出願は参照することによつて
ここに援用する。しかしながら、この装置の主た
る特徴およびその製造方法は以下に説明する。
この発明は光フアイバ結合器を利用する受動マ
ルチプレクサを用いている。この結合器１０は第
１図ないし第４図に示されており、それぞれ矩形
のベースまたはブロツク１６ａおよび１６ｂの、
それぞれ光学的に平らな向かい合つている面１４
Ａおよび１４Ｂに形成される、それぞれ長手方向
の円弧状溝１３Ａおよび１３Ｂに装着された単モ
ード光フアイバ材料からなる２つのストランド１
２Ａおよび１２Ｂを含む。溝１３Ａに装着された
ストランド１２Ａを備えたブロツク１６Ａは結合
器の半分１０Ａとして示されており、溝１３Ｂに
装着されたストランド１２Ｂを備えたブロツク１
６Ｂは結合器の半分１０Ｂとして示される。
ストランド１２Ａおよび１２Ｂの各々は、中心
コアおよび外部クラツドを有するようにドープさ
れた光学フアイバを含む。ストランドのうちの１
つ、たとえば１２Ａは、中心コアおよび外部クラ
ツドを有するようにドープされた水晶ガラスから
なる商業的に入手可能なフアイバを含んでもよ
い。他のストランド、たとえば１２Ｂは、中央コ
アおよび外部クラツドを有するように同じように
ドープされたND：YAG結晶を含む。フアイバ
１２Ａおよび１２Ｂの屈折率は、可能な限りほぼ
同一でなければらず、かつストランド１２Ａおよ
び１２Ｂの両方は、用いられるべき光周波数で単
モードフアイバを与えるのに十分なぐらい小さい
中心コアを含む。したがつて、これらストランド
１２Ａおよび１２Ｂは典型的には10ミクロンまた
はそれ以下のオーダのコア直径と、125ミクロン
のオーダのクラツデイング直径を有する。開示し
た実施例では、ストランド１２およびそれらのそ
れぞれのコアの直径は大げさに描かれている。以
下の説明からより詳細に理解されるであろうよう
に、ND：YAGフアイバ１２Ｂは増幅されるべ
き信号を伝送するために用いられ、他方、水晶フ
アイバ１２Ａはポンピング照射をND：YAGフ
アイバ１２Ｂへ結合するために用いられる。この
ため、フアイバ１２Ｂは信号フアイバとして示
し、フアイバ１２Ａはポンピングフアイバとして
示す。
円弧状溝１３Ａおよび１３Ｂはフアイバ１２の
直径と比べて非常に大きな曲率半径を有し、かつ
フアイバ直径よりもわずかに大きな幅を有し、フ
アイバ１２が、そこに装着されるとき、溝１３の
底部壁によつて規定される経路に合うようにする
ことができる。溝１３Ａおよび１３Ｂの深さはそ
れぞれ、ブロツク１６Ａおよび１６Ｂの中心での
最小から、それぞれブロツク１６Ａおよび１６Ｂ
の端縁での最大まで変化する。これによつて、有
利に、光フアイバストランド１２Ａおよび１２Ｂ
は、それぞれ溝１３Ａおよび１３Ｂに装着される
とき、中心方向へ次第に収束し、かつブロツク１
６Ａ，１６Ｂの端縁方向へ広がり、それによつて
モード縮退により出力損失を生じるかもしれない
フアイバ１２の方向における鋭い曲げまたは急激
な変化を除去する。図示の実施例では、溝１３は
断面が矩形であるように図解されているが、フア
イバ１２に適合するような他の適当な断面輪郭、
たとえばＵ字形状断面またはＶ字形状断面が代替
的に用いられてもよいことが理解されよう。
図示の実施例において、ブロツク１６の中心で
は、ストランド１２を装着する溝１３の深さはス
トランド１２の直径よりも小さく、他方、ブロツ
ク１６の端縁では、溝１３の深さは好ましくは、
ストランド１２の直径と少なくとも同じ大きさで
ある。光フアイバ材料は、それぞれ面している面
１４Ａ，１４Ｂと共面であるそれぞれ楕円形状の
平面１８Ａ，１８Ｂを形成するように、ストラン
ド１２Ａおよび１２Ｂの各々から取り除かれる。
これらの面１８Ａ，１８Ｂはこここではフアイバ
“対向面”として示す。したがつて、除去された
光フアイバ材料の量はブロツク１６の端縁方向で
の零から次第にブロツク１６の中心方向での最大
まで増大する。光フアイバ材料のこのテーパの付
いた除去により、フアイバは次第に収束および発
散することができ、これは、逆方向反射を避けか
つ光エネルギの角の損失を回避するのに有利であ
る。
図示した実施例において、結合器の半分１０Ａ
および１０Ｂは、ストランド１２Ａ，１２Ｂを形
成する材料に関することを除き同一であり、ブロ
ツク１６Ａおよび１６Ｂの対向している面１４Ａ
および１４Ｂを一緒に配置することによつて組立
てられ、そのためストランド１２Ａおよび１２Ｂ
の対向面１８Ａおよび１８Ｂは面した関係にあ
る。
屈折率整合オイルのような屈折率整合物質（図
示せず）が面している面１４の間に設けられる。
この物質はクラツデイングの屈折率にほぼ等しい
屈折率を有し、かつまた光学的に平らな面１４が
永久にロツクされることになるのを防止する働き
をする。このオイルは毛管現象によつてブロツク
１６間に導入される。
相互作用領域３２がストランド１２の接合部に
形成され、そこにおいて、光がエバネセントフイ
ールド結合によつてストランド間で転送される。
適当なエバネセントフイールド結合を保証するた
めに、ストランド１２のコア部分間の間隔が予め
定められる“臨界領域”内にあるように、フアイ
バ１２から除去された材料の量が注意深く制御さ
れねばならないということがわかつた。エバネセ
ントフイールドはクラツデイング内へ延び、それ
らのそれぞれのコアの外側の距離とともに急速に
減少する。このように、各コアが他方のエバネセ
ントフイールド内に実質的に位置決めされること
ができるように十分な材料が除去されなければな
らない。あまりにも少ない材料しか除去されない
場合は、コアはエバネセントフイールドが案内さ
れたモードの所望の相互作用を生じるようにさせ
るには十分に近接してなく、したがつて、十分で
ない結合が生じる。逆に、あまりにも多すぎる材
料が除去されると、フアイバの伝播特性が変えら
れ、モード縮退による光エネルギの損失を生じ
る。しかしながら、ストランドのコアの間隔が臨
界領域内にあるときは、各ストランドは他のスト
ランドからエバネセントフイールドエネルギの実
質部分を受け、かつ優れた結合が実質的なエネル
ギの損失を伴うことなく行なわれる。臨界領域
が、参照数字３３で示されるその領域を含むよう
に第５図に概略的に示されており、それぞれフア
イバ１２Ａおよび１２Ｂの、参照数字３４Ａおよ
び３４Ｂで示されるエバネセントフイールドが結
合を与えるのに十分な強さでオーバラツプしてい
る、すなわち、各コアは他方のエバネセントフイ
ールド内にある。
ブロツクまたはベース１２は任意の適当な剛性
材料から構成されてもよい。現在好ましい１つの
実施例では、ベース１２は長さが約１インチ（１
インチは約2.54cm）で幅が１インチで厚さが0.4
インチの溶融水晶ガラスからなる一般に矩形のブ
ロツクを含む。この実施例では、光フアイバスト
ランド１２は、たとえばエポキシ接着剤のような
適当なセメント３８によつてスロツト１３に固定
される。溶融水晶ブロツク１６の１つの利点は、
それらが、ガラスフアイバの熱膨張係数と類似す
る熱膨張係数を有するということであり、この利
点は、もしもブロツク１６およびフアイバ１２が
製造工程の間に何らかの熱処理を受ける場合に特
に重要である。ブロツク１６のための他の適当な
材料はシリコンであり、これもまたこの応用に対
し優れた熱特性を有する。
結合器１０の動作 結合器１０は第１図においてＡ，Ｂ，Ｃおよび
Ｄで示される４個のポートを含む。第１図の斜視
図から見ると、それぞれストランド１２Ａおよび
１２Ｂに対応するポートＡおよびＣは結合器１０
の左側にあり、他方、それぞれストランド１２Ａ
および１２Ｂに対応するポートＢおよびＤは結合
器１０の右側にある。議論の目的で、入力光がポ
ートＡに与えられるものと想定する。この光は結
合器を通過し、ストランド１２間で結合されてい
るパワー量に依存して、ポートＢおよび／または
ポートＤで出力される。これに関し、用語“規格
化された結合パワー”は結合されたたパワーと全
出力パワーとの比として定義される。上述の例で
は、規格化された結合パワーはポートＤのパワー
と、ポートＢおよびＤのパワー出力の総和の比に
等しい。この比はまた“結合効率”として示さ
れ、かつそのように用いられるときは、典型的に
はパーセントとして表わされる。したがつて、用
語“規格化された結合パワー”がここで用いらる
れるときは、対応する結合効率は規格化された結
合パワーの100倍に等しいことが理解されるべき
である。これに関し、テストによれば、結合器１
０は最大100％の結合効率を有することがわかつ
ている。しかしながら、結合器１０は零と最大値
との間の任意の所望の値に、結合効率を調整する
ように“チユーニング”されてもよい。
さらに、結合器１０は非常に方向性であり、実
質的に結合器の一方側に与えられるパワーのすべ
ては結合器の他方側に分配される。結合器の指向
性は、入力がポートＡへ与えられた状態で、ポー
トＤのパワーとポートＣのパワーとの比として定
義される。テストによれば、方向性結合したパワ
ー（ポートＤ）は逆方向性結合したパワー（ポー
トＣ）よりも60dbも大きい。さらに、結合器指
向性は対称である。すなわち、結合器は、結合器
のどちら側が入力側でどちら側が出力側であるか
どうかにかかわらず、同じ特性で作動する。さら
に、結合器１０は非常に低いスループツト損失で
これらの結果を達成する。スループツト損失は全
出力パワー（ポートＢおよびＤ）と、１から減算
された入力パワー（ポートＡ）との比、すなわち
１−（PB＋PD）／PAとして定義される。実験結果
によれば、0.5db損失がより普通であるが、0.2db
のスループツト損失が得られた。さらに、これら
の検査は、結合器１０が与えられた入力光の偏光
に実質的に無関係に作動するということを示す。
結合器１０は、ストランド１２の案内モード
が、それらのエバネセントフイールドを介して、
ストランド１２間を光が転送されるようにするエ
バネセントフイールド結合原理に基づいて作動す
る。前述したように、この光の転送は相互作用領
域３２で生じる。転送された光の量は相互作用領
域３２の有効長さのみならず、コアの近接度およ
び配向に依存する。以下に詳細に説明するよう
に、転送された光の量はまた光の波長に依存す
る。相互作用領域３２の長さは、順次、フアイバ
１２の曲率半径に依存し、かつ限られた範囲まで
は、コアの間隔に依存するが、相互作用領域３２
の有効長さは実質的にコアの間隔とは無関係であ
ることがわかつている。しかしながら、“結合長
さ”、すなわち、光信号を一方のフアイバ１２か
ら他方へ１回完全に転送するために必要とされる
相互作用領域３２内の長さは、波長のみならず、
コア間隔の関数である。１つの典型的な実施例で
は、約1.4ミクロンのエツジ−エツジコア間隔、
および25cmのオーダの曲率半径を用いて、有効な
相互作用領域は633nmの光信号波長で約１mmの長
さである。633nmの結合長さはまたそのような結
合器では１mmであるので、光が相互作用領域３２
を介して進むとき、ストランド１２間で１回だけ
転送する。しかしながら、相互作用領域３２の長
さが増大されれば、またはコア間隔が減少されれ
ば、“結合器”としてここに示される現象が生じ
る、なぜならば結合長さは有効相互作用長さより
も短いからである。これらの状況の下に、光は、
出てきたストランドへ転送して戻る。相互作用長
さがさらに増大され、および／またはコア間隔が
さらに減少されるとき、有効相互作用長さは結合
長さのより大きい倍数となり、光は他のストラン
ドへ転送して戻る。このように、光は、それが領
域３２を通過して進むとき、２つのストランド１
２間を前後に数回転送し、この転送の数は相互作
用領域３２の長さ、光波長（後述）およびコア間
隔に依存する。
第１図ないし第４図を参照して説明したよう
に、単モードフアイバ結合器の結合長さは上述し
た同時係属中の出願に詳細に説明されているよう
に、信号波長に対し強い依存性を示しているの
で、結合器１０に対する正しく選ばれた幾何学的
なパラメータでは、第２の信号波長が実質的に結
合されないままで、１つの信号波長を全体的に結
合させることが可能である。この現象は、結合器
１０の一方側のポートへ送られる２つの信号の組
合わせを許容する。したがつて、第１図に示すよ
うに、もし波長λ1を有するポンピング信号が結合
器１０のポートＡへ与えられ、かつ波長λ2を有す
る増幅されるべき信号がポートＣへ結合され、か
つ幾何学的配置が正しく選ばれれば、両方の信号
はポートＤで結合されることができ、ポートＢで
は事実上何の光も出力しない。
この波長依存性を図解するため、第６図は特定
の結合器の幾何学的形態に対し、可視および近赤
外線スペクトルの信号波長と結合されたパワーと
のプロツトを与える。この結合器の形態に対して
は、結合器の有効相互作用長さは波長720nmに対
する結合長さの奇数倍であるが、波長550nmに対
しては結合長さの偶数倍であるので、波長720nm
は100％結合されているのに対し、波長550nmは
有効に結合されていない。異なる効率では、異な
る波長が結合または分離される。たとえば、
590nmおよび650nmは80％の効率で分離されまた
は結合される。
実際、任意の対の波長（λ1，λ2）は、有効な
相互作用長さが一方の波長に対して結合長さの偶
数倍であり、他方の波長に対しては結合長さの奇
数倍である限り、有効に結合または分離される。
有効な相互作用長さ内の結合長さの数が増えるに
従つて、マルチプレクサの分解能が高められる。
援用した引例に詳細に説明されているように、マ
ルチプレクサの分解能はフアイバ１２Ａ，１２Ｂ
の曲率半径を増大させることによつて高められ
る。結合器の相互作用長さが十分に大きければ、
それらの波長がいかに密接に間隔を隔てられてい
るかどうかにかかわらず、正確に混合または分離
される。
相互作用長さは波長の関数であり、分解能はほ
ぼ（Ｒ）-1/2に比例する。Ｒが増えると、有効相互
作用長さが増え、結合長さのより高い倍数となり
分解能を改善する。この結果が第７図に図解され
ており、それは曲率半径が200cmまで増大された
ということを除き、第６図のグラフと同等であ
る。予期されるように、半径のこの増大は、ほぼ
λ＝600nmの結合分解能を、第６図の25cmの半径
の例におけるほぼ170nmから、200cmの場合のほ
ぼ60nmまで改善する。
マルチプレクス結合器の分解能は２つの独立の
パラメータ、すなわち、Ｈ（フアイバ間隔）およ
びＲ（フアイバの曲率半径）に依存する。与えら
れた対の信号波長に対し、効率的な混合はまず第
１に、興味ある波長に対し大きな波長依存性を与
える結合器のためのフアイバ間隔Ｈを選択するこ
とによつて（Ｈの選択）、かつ次いで、波長間の
差に等しい分解能を与える曲率半径を選択（Ｒの
選択）することによつて、達成される。
結合器の分解能が分離されるべき波長に従つて
設定された後、結合器は、有効相互作用長さが一
方の波長の結合長さの偶数倍であり、他方の波長
の結合長さの奇数倍であるように、興味ある波長
に対し結合長さを正確に調整するようにチユーニ
ングされる。これは、フアイバ１１２Ａ，１２Ｂ
の軸に垂直な方向に互いに関してブロツク１６
Ａ，１６Ｂ（第１図）を摺動させることによつて
フアイバをずらせることによつて達成される。こ
のようにずらせることによつて、最小フアイバ間
隔Ｈを増大させかつフアイバの有効な曲率半径を
増大させるという効果が得られる。必要とされる
ずれが十分小さければ、それはマルチプレクサ分
解能を打ち負かすことはできない。これは、大き
な半径の結合器の分離Ｈが、フアイバずれを有す
る有効曲率半径の変化と比べてフアイバずれとと
もに急速に変化するということに由来する。
マルチプレクシング結合器のこのチユーニング
可能性を図解するために、第８図はフアイバずれ
の３つの値（ゼロミクロン、0.5ミクロンおよび
1.0ミクロン）に対する相対結合パワーと波長と
のプロツトを与える。この曲線ずれが増えるに従
つて波長が大きくなる方向にシフトすることが見
られ、他方、振動（または分解能）の期間は事実
上変更されないままである。この特定の例（Ｒ＝
200cm、Ｈ＝４ミクロン）では、１ミクロンのず
れはほぼ45nmだけ曲線をシフトさせる。
ND：YAG増幅 さて第９図を参照して、第９図は300〓の
ND：YAG結晶の吸収スペクトル図であり、
ND：YAG材料は比較的高い光学密度、かつし
たがつて選ばれた波長で、短い吸収長さを有する
ことがわかる。このため、(a)ポンピングフアイバ
１２Ａに対してND：YAGフアイバ１２Ｂにお
けるポンピング照射の吸収を最大にし、かつ(b)吸
収長さが可能な限り短くなるようにすることがで
きるように、ポンピング照射の波長を選択するの
が賢明である。このことは、信号フアイバ１２Ｂ
の非常に短い波長内でポンピング照射を実質的に
完全に吸収させることができる。第９図からわか
るように、波長、0.58ミクロンは、ポンピング照
射に対しては最も適しているが、波長0.75および
0.81ミクロンは相対的によく適している。
さて第１０Ａ図を参照して、第１０Ａ図はフア
イバ１２Ｂが形成されるND：YAG結晶のため
のエネルギ準位図であり、上述した吸収波長での
ポンピング光がND：YAG結晶によつて吸収さ
れるとき、ネオジミウムイオンは基底状態からポ
ンピングバンドまで励起されることが理解されよ
う。ポンピングバンドから、イオンが素早く、フ
オノン相互作用を通じて、上部レイジングレベル
へ移動する。この上部レイジングレベルから、ネ
オジミウムイオンは比較的遅いけい光を受けて下
部エネルギレベルへ移動する。この後者のレベル
から、最終的な、急速フオノン緩和が基底状態に
対して生じる。第１０Ａ図に示される形式の４−
レベルレーザシステムにおけるこの後者の急速な
緩和は有利である、なぜならば低エネルギレベル
および基底状態間の急速なフオノンの緩和は、実
際上、空の低エネルギレベルを与える。この特徴
が第１０Ｂ図に示されており、第１０Ｂ図におい
て、ポンプバンド、上部レイジングレベル、下部
レイジングレベルおよび基底状態での母集団密度
が連続するポンピング間のND：YAGフアイバ
のために示されている。上記レイジングレベルと
下部エネルギレベルとの間のけい光の速さは下部
エネルギレベルと基底状態との間のみならず、ポ
ンプバンドと上部レイジングレベルとの間のフオ
ノン緩和と比べて比較的遅いので、上部レイジン
グレベルでの母集団密度は下部エネルギレベルで
のそれよりも実質的に高く、高い反転比を与え
る。自然けい光以前の、上部レイジングレベルで
のネオジミウムイオンの平均寿命は230マイクロ
秒である。
レーザ遷移波長（1.064ミクロン）、すなわち、
上部レイジングレベルと下部エネルギレベルとの
間の緩和の間のND：YAGイオンにより放出さ
れた光の波長での入力光信号は励起されたレーザ
フアイバ１２Ｂ（第１図）を介して進み、同じ周
波数で、信号にコヒーレントな誘導フオトンの放
出をトリガし、かつ信号はそれによつて増幅され
る。このように、この周波数での光の通過は増幅
されるべき光信号と同相で、第１０図Ａの上部レ
イジングレベルと下部エネルギレベルとの間での
光放出緩和を生じ、入力光信号に対し有効な利得
を与える。
この発明の増幅器において達成されることがで
きる利得は、ND：YAG結晶内の反転されれた
ネオジミウムイオン母集団の密度に依存する。最
初は、究極的な反転母集団は、ND：YAG材料
が結晶格子のネオジミウムイオン原子でイツトリ
ウム原子を置換するので、YAG材料それ自体の
格子構造によつて制限される。各々100個のイツ
トリウム原子における１個だけのイツトリウム原
子がND：YAG材料の格子構造を歪ませること
なく、ネオジミウムイオンによつて置換されても
よい。
この発明の増幅器の小さな利得信号g0の理論的
な計算は、関係g0＝σΔNを用いて行なわれるこ
とができ、ここにおいてσはND：YAGに対し、
誘導放出断面、すなわち8.8×1019cm2であり、か
つΔNは次の式によつて与えられる母集団反転密
度である。
ΔN＝Pp／Ｖ n1n2tsp／hv ……(1) ここにおいて、Ppは吸収されたポンプパワー
であり、Ｖは結晶体積であり、したがつて、
Pp／Ｖはフアイバ体積の単位あたりの吸収され
たポンプパワーであり、tspは自然放射寿命であ
り、すなわち、ネオジミウムイオンの230マイク
ロ秒のけい光緩和時間であり、η1は第９図に示す
ように、ND：YAG吸収ラインを有するポンプ
出力の有効なスペクトルオーバラツプであり、η2
は1.06ミクロンのけい光の量子収量、すなわち
0.63に等しく、かつhνは１個のポンプフオトンの
エネルギに等しい。
ポンプパワーに対する利得の依存性に対し上記
関係を組合わせて次の式が得られる。
g0＝σPp／Ｖ n1n2tsp／hν ……(2) 値Ppは吸収されたポンプパワーでありフアイ
バの長さの増加は必ずしも利得を増大しないとい
うことが認識されるべきである。したがつて、も
しポンピング放射がND：YAGフアイバ１２Ｂ
へ完全に結合され、かつフアイバ１２Ｂが完全に
ポンピング放射を吸収するようにさせることがで
きるのに十分な距離だけフアイバ１２Ｂを進め
ば、この式における値Ppは入力パワーレベルで
置き換えられる。しかしながら、正味の利得を得
るためには、1.0ミクロンでのフアイバ伝播損失
をg0から引かなければならない。キロメートルあ
たり100dbのフアイバ損失がセンチメートルあた
り0.001dbのみだけ利得を減少させる。したがつ
て、フアイバ１２Ｂの全体の長さが比較的短く維
持されることができ、他方、入力ポンプパワーの
すべてを実質的になお吸収することができれば、
増幅器内の伝播損失は低レベルに維持されること
ができる。
増幅器の動作 さて第１１図を参照して、この発明の増幅器が
ND：YAGフアイバ１２Ｂを付勢するためポン
ピング照射を与えるように結合器１０の波長マル
チプレクシング特性を利用する態様を説明する。
１対のポンプ源１０１，１０３はポンピングフ
アイバ１２Ａの両端へ結合される。これらのポン
プ源１０１，１０３は、たとえば、平方センチメ
ートルあたり約1000アンペアの電流密度で作動し
かつほぼ5watts／sr.cm2の放射輝度を有する現在
入手可能なLEDのような長い寿命のLEDであつ
てもよい。事実、いくつかのLEDはほぼ
50watts／sr.cm2の放射輝度を有すると報告されて
いる。単モードフアイバ１２ＡとこれらのLED
との間に寸法の差があるため、レンズ１０５，１
０７はLED源の出力をフアイバ１２Ａへ焦点合
わせする際に有益である。
代替的に、ポンプ源１０１，１０３はフアイバ
１２Ａのポンプパワーのより高い濃度を可能にす
るレーザダイオードであつてもよい。
用いられるポンピング源１０１，１０３の形式
にかかわらず、システムの効率は、もしも、これ
らのポンピング源１０１，１０３からの放射の波
長が、第９図に示すように、ND：YAGフアイ
バ１２Ｂの吸収スペクトルのピークに一致すれば
高められる。室温のND：YAG材料の吸収スペ
クトルに十分にマツチする0.8ミクロン範囲のス
ペクトルを出すように適当なドーピングを有する
エレクトロルミネツセンスダイオードが商業的に
入手可能である。たとえば、商業的に入手可能な
なGa Al As LEDは0.8ミクロン領域で強い放射
スペクトルを与える。同様に、0.8から0.85ミク
ロンの範囲にわたりエネルギを放出するレーザダ
イオード構造が商業的に入手可能である。
フアイバ１２ＢのND：YAG材料のレイジン
グ周波数は1.06ミクロンであるということが思い
出されよう。マルチプレクシング結合器１０は上
述の例ではポンピング源１０１，１０３の波長、
すなわち0.8ミクロンでは実際上完全な結合を与
える一方で、この同じ例において信号フアイバ１
２Ｂのレイジング周波数、すなわち1.06ミクロン
では実質的に何の結合も与えないように、この発
明において用いるためにこのように構成される。
0.8ミクロンおよび1.06ミクロンの間の波長に
対する大きな波長依存性を与えるように正しくフ
アイバ間隔Ｈを選択するため、かつ1.06および
0.8ミクロンまたは0.26ミクロン間の差に等しい
分解能を与えるフアイバ１２Ａ，１２Ｂのための
曲率半径を選択することによつて、この選択性結
合が、上述した技術に従つて達成される。結合器
の分解能がこの態様で設定された後、有効相互作
用長さがこれら対の波長の一方に対して結合長さ
の偶数倍であり、残りの波長の結合長さの奇数倍
であるように、波長0.8ミクロンと1.06ミクロン
との間に対する結合波長を調整するように、結合
器は、前述したようにチユーニングされてもよ
い。第１１図に示される例において、ポンプ源１
０１，１０３の出力をフアイバ１２Ｂへ結合する
のが望ましいので、結合器のための有効相互作用
長さはポンプ源１０１，１０３の波長、すなわ
ち、0.8ミクロンで結合長さの奇数倍であり、か
つ信号周波数1.06ミクロンの偶数倍であるように
調整されなければならない。この結果、増幅され
るべき信号をフアイバ１２Ｂから１２Ａへ実質的
に結合することなく、ポンプ源１０１，１０３か
らの照射をフアイバ１２Ａからフアイバ１２Ｂへ
完全に結合する。もちろん、たとえば、領域３２
での有効相互作用長さが1.06ミクロンで結合長さ
の２倍であれば、増幅されるべき信号は完全に２
回、すなわち、フアイバ１２Ｂからフアイバ１２
Ａへ、次いでフアイバ１２Ａからフアイバ１２Ｂ
へ結合されるように、この場合の結合は偶数倍の
完全な結合を何ら意味しないということが理解さ
れよう。第１１図の左に示されるように、もしこ
の信号フアイバがポートＣで結合器に入れば、そ
れはポートＤで結合されないで出てくる。しかし
ながら、ポートＤでは、増幅されるべきこの信号
はポンピング源１０１からの光と共存し、それは
フアイバ１２Ａからフアイバ１２Ｂへ完全に結合
される。
ポンピング源１０１，１０３からの光は、結合
の後、それぞれ出力ポートＤおよびＣの方向へフ
アイバ１２Ｂに沿つて伝送されので、このポンピ
ング照射はフアイバ１２Ｂを形成するND：
YAG材料のネオジミウムイオンを反転させる。
このように、ポートＣまたはポートＤのいずれか
で注入される信号は、それがフアイバ１２Ｂを通
過するときに前述したような態様で増幅される、
なぜならばこの信号はフアイバ１２ＢのND：
YAG材料の自然レイジング緩和を励起するから
であり、このレイジング緩和は増幅されるべき信
号とコヒーレントな光を与える。
それゆえに、この発明の増幅器は、増幅される
べき信号のフアイバ１２Ｂからフアイバ１２Ａへ
の結合を禁止する一方で、ND：YAGフアイバ
１２Ｂへの波長依存結合によつてポンプ源１０
１，１０３からポンピング照射を転送するための
便利な手段を提供する。
増幅器を対称的に双方向性にするために、ポン
ピング源１０１，１０３がともに用いられなけれ
ばならないが、もしも双方向性対称が必要でなけ
れば、ポンピング源１０１，１０３のいずれかは
結合器１０の一方側のND：YAG材料内のイオ
ンを反転させかつしたがつてフアイバ１２Ｂのい
ずれかの方向に伝送される信号のための利得を与
えるということが理解されよう。
ポンプ源１０１，１０３の一方のみが用いられ
れば、ND：YAGフアイバ１２Ｂは均一に照射
されないということが理解されるべきである。し
たがつて、ネオジミウムイオンの反転された母集
団はフアイバ１２Ｂの長さに沿つて均一に分布さ
れない。増幅器内のこの不均一または非対称状態
はポートＣで入力される信号に対し、そしてポー
トＤで入力される信号（特に、これらの信号が同
時に生じるとき）に対して異なる利得を与えるの
で、ポンプ源１０１，１０３の対を利用するのが
有利である。
ネオジミウムイオンの非対称反転母集団で、異
なる方向にフアイバ１２Ｂを横切る信号に対する
非類似の利得の現象が次のように生じる。増幅さ
れるべき信号がフアイバ１２ＢのポートＣからポ
ートＤ方向へ伝播するので、ND：YAGフアイ
バ内の誘導されたプロトンの放出をトリガする。
もちろん、そのようなトリガ放出はフアイバ１２
Ｂ内の反転母集団を低下させる。たとえば、もし
ジヤイロスコープにおいて、１対の波がポートＣ
およびＤと逆方向にフアイバ１２Ｂを介して同時
に伝播すれば、ポートＣで入力される信号は第１
１図に見られるように、ポートＤで入力される信
号がフアイバ１２Ｂの左側に到達する前にポート
Ｃに隣接する反転母集団を空にする。もしも反転
母集団がフアイバ１４の左側でより高ければ、右
側で、ポンプ源１０３のみが用いられる場合のよ
うに、ポートＣで入力される信号はより大きな増
幅を受ける。なぜならばそれはポートＤで入力さ
れる信号が高い密度の左側に達する前に反転母集
団を空にするからである。
ポンプ源１０１，１０３によつて供給されるポ
ンピング照射は、信号が増幅されるときに生じる
フアイバ１２Ｂ内の空になつた母集団を置き換え
るのに、連続的に、十分でなければならないとい
うことが認識されなければならない。このよう
に、たとえば、パルス信号が１Kmのフアイバを循
環するジヤイロスコープにおいては、逆転播する
信号は第１１図に示すように、各５マイクロ秒ご
とにほぼ１回、増幅器を横切る。連続するポンプ
源１０３，１０３が用いられれば、それらは十分
な出力を与えなければならず、その目的で、各５
マイクロ秒期間の間に、それらは増幅器の増幅率
または利得が相対的に一定に保たれるように、緩
和された母集団に等しい母集団を再反転させるよ
うに信号が連続して横切つている間に緩和される
ネオジミウムイオン母集団を再反転させることが
できる。
上述の説明からわかるように、フアイバ間隔お
よび曲率半径を正しく選ぶことによつて、ポンピ
ング源１０１，１０３がフアイバ１２Ａを照射す
るようにさせることができ、かつこの照射が
ND：YAGフアイバ１２Ｂへ結合されてその中
のネオジミウム母集団を反転させることができる
ような結合器が得られる。結合器のパラメータを
正しく選択して、増幅されるべき信号がフアイバ
１２Ｂからフアイバ１２Ａへ結合されず、かつし
たがつて増幅されるべき信号とコヒーレントな光
を生じるフアイバ１２Ｂのネオジミウムイオンを
同時にレイジング緩和することによつて増幅され
るべきフアイバ１２Ｂを横切る。
第１１図の装置は増幅器のみならず、光フアイ
バレーザ源または発振器として作動することが認
識されよう。レーザ源として使用するために、フ
アイバ１２Ｂは十分に反射性の鏡でポートＣにお
いて、かつフアイバ１２Ｂにおいて進む光のすべ
てではないがほとんどを反射させる鏡でポートＤ
において終る。ポンピング源１０１，１０３によ
つて、装置がポンピングされるとき、フアイバ１
２Ｂ内の自然レイジング放出は、コヒーレントな
波面を起こし、この波面はフアイバ１２Ｂの長さ
を介して前後に反射され、コヒーレントな波面の
一部はレーザ技術において周知の方法で部分的反
射端部面を介してポートＤを出る。
たとえば、２つの方向における均一な増幅が問
題ではないようなシステムにおいて対称的なポン
ピングが必要とされなければ、ポンピング源１０
１は直接ポートＣでND：YAGフアイバ１２Ｂ
を照射させるように、ポートＣでポンピング源１
０１を配置することができる。この場合、増幅さ
れるべき入力信号はポートＡへ供給され、かつ結
合器１０は、相互作用長さがポンピング源１０１
の波長で結合長さの偶数倍で、しかし増幅される
べき信号の周波数で結合長さの奇数倍（これもま
たND：YAG材料のレイジング周波数である）
であるように構成される。この構成において、結
合器１０は、ポートＤ方向へ伝播するため、第１
図のフアイバ１２Ｂの右側を介して伝送するため
ポンピング信号と増幅されるべき信号との両方を
組合わせ、かつ信号の増幅は、増幅されるべき信
号とポンピング照射との両方が組合わせられるフ
アイバ１２Ｂの右偶部分において行なわれる。
第１１図の増幅器が光フアイバシステムに組み
入れられるべきときは、ポートＣおよびＤのフア
イバ１２Ｂの端部は研磨されかつ削られ、さもな
くば、増幅されるべき信号がポートＣ，Ｄの一方
で供給されることができ、かつ、増幅の後、代わ
りのポートＣまたはＤから取り除かれることがで
きるように光フアイバシステム内の光フアイバ部
材へ接続されるということも認識されよう。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明のマルチプレクサとして用い
られる光フアイバ結合器の断面図であり、それぞ
れのベースのそれぞれの円弧状溝に装着される１
対の光フアイバストランドを示す。第２図および
第３図はそれぞれライン２−２および３−３に沿
つて切り取られた、第１図の結合器の断面図であ
る。第４図は他方のベースから分離された第１の
結合器の底部ベースの斜視図であり、その関連の
フアイバ装着およびフアイバの楕円形状の対向面
を示す。第５図は相互作用領域でオーバラツプす
るフアイバの対のエバネセントフイールドを示す
概略図である。第６図は４ミクロンの最小フアイ
バ間隔、ゼロミクロンのずれ、および25cmのフア
イバ半径を有するタイプ１のフアイバ結合器のた
めの相対結合パワーと信号波長とを示す図であ
る。第７図は第６図に類似するが、200cmのフア
イバ半径を有する、相対結合パワーと信号波長と
の図である。第８図は４ミクロンの最小フアイバ
間隔、200cmのフアイバ半径および選択可能なフ
アイバずれを有するタイプ１のフアイバ結合器の
ための、相対結合パワー対信号波長との図であ
る。第９図は300〓でのND：YAGの吸収スペク
トルを示す図である。第１０図はND：YAGの
ような、ドープされた材料を用いて４−レベルの
レーザの簡略化したエネルギ順位図である。第１
１図はこの発明の増幅器の断面図である。 図において、１０は結合器、Ａ，Ｂ，Ｃおよび
Ｄはポート、１２Ａおよび１２Ｂはストランド、
１３Ａおよび１３Ｂは円弧状溝を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ フアイバ光学増幅器として動作する光フアイ
    バ装置であつて、 有効相互作用長さを有する相互作用領域で並置
    される１対の光フアイバを備え、 前記対の光フアイバのうちの１つは第１の光波
    長の光を生じるようにレーザ放出する活性レイジ
    ング材料でドープされており、 前記対の光フアイバのうちの前記１つは増幅さ
    れるべき光信号を伝送し、 第２の光波長で前記対の光フアイバの他方へポ
    ンピング照射を供給するための手段をさらに備
    え、 前記対の光フアイバは前記相互作用領域に関し
    て互いに逆方向に曲げられ、前記光フアイバの曲
    率は、結合器が前記相互作用領域で波長に依存す
    る結合長さを有するようになつており、前記有効
    相互作用長さは前記第１および第２の波長の一方
    で結合長さの偶数倍であり、前記第１および第２
    の波長の他方で結合長さの奇数倍である、光フア
    イバ装置。 ２ 前記有効相互作用長さは増幅されるべき前記
    信号の波長で結合長さの偶数倍であり、前記ポン
    ピング照射の波長で結合長さの奇数倍である、特
    許請求の範囲第１項記載の光フアイバ装置。 ３ 前記相互作用領域は前記対の光フアイバ間で
    エバネセントフイールド結合を与える、特許請求
    の範囲第１項記載の光フアイバ装置。 ４ 前記光フアイバの前記１つはND：YAG材
    料からなる、特許請求の範囲第１項記載の光フア
    イバ装置。 ５ 前記ポンピング照射は、前記ND：YAG材
    料が高エネルギ吸収を示す波長にある、特許請求
    の範囲第４項記載の光フアイバ装置。 ６ 前記対の光フアイバは円弧状に曲げられてお
    り、前記有効相互作用長さは前記円弧状フアイバ
    の曲率半径の関数である、特許請求の範囲第１項
    記載の光フアイバ装置。 ７ 前記対の並置された光フアイバは前記第１お
    よび第２の光波長を選ぶように横方向に互いにず
    らされている、特許請求の範囲第１項記載の光フ
    アイバ装置。 ８ 前記対の光フアイバは円弧状であり、前記円
    弧状の光フアイバの半径は前記第１および第２の
    光学波長間の周波数差を規定するように選ばれて
    いる、特許請求の範囲第１項記載の光フアイバ装
    置。 ９ 前記光フアイバは円弧状であり、前記有効相
    互作用長さは前記円弧状フアイバの半径の平方根
    の関数である、特許請求の範囲第１項記載の光フ
    アイバ装置。 １０ 前記対の光源は発光ダイオードからなる、
    特許請求の範囲第１項記載の光フアイバ装置。 １１ 前記対の光源はレーザダイオードからな
    る、特許請求の範囲第１項記載の光フアイバ装
    置。
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