JPH0552675B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明は、フアイバ光学増幅器に関する。ア
メリカ合衆国政府は、この発明に関し、契約番号
F33615−79−Ｃ−1789に従つて、空軍省科学調
査局によつて付与された権利を有する。この発明
は、“フアイバ光学増幅器”と題され、1982年12
月10日に出願された同時係属中の特許出願連続番
号448707（欧州公開番号0112090）において開示さ
れている発明の改良を含んでいる。

いくつか材料のレーザ放射能力に基づく光学増
幅器の概念は、特に巨視的なレベルにおいてよく
知られている。したがつて、たとえば、管状の反
射性空洞内に数ミリメートルの直径および数セン
チメートルと長さで、ポンピング光源および単結
晶ネオジム−イツトリウム・アルミニウム・ガー
ネツト（Nd：YAG）ロツドを配置することが知
られている。たとえば、光源およびNd：YAGロ
ツドは各々、楕円形の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る。そのよう
な構成において、光源によつて放射されるかつ空
洞壁から反射された光は、Nd：YAGロツドと衝
突する。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放射するように選
択され、このため、結晶のネジウムイオンのエネ
ルギ状態は上位レーザレベルより高いエネルギレ
ベルへ反転される。反転の後に、フオノン放射を
介するネオジムイオンの最初の緩和が、上位レー
ザレベルにイオン分布を生じさせる。上位レーザ
レベルから下位レーザレベルヘイオンは緩和し
て、Nd：YAG材料に固有の波長と光を放射す
る。有利なことに、この下位エネルギレベルは、
イオンに対する基底レベルよりも上にあり、この
ため、この下位エネルギレベルと基底レベルとの
間で急速なフオノンに助けられた緩和が生じ、ポ
ンピングされたイオン内で、高い反転率を上位レ
ーザレベルとこの下位エネルギレベルとの間に存
在させ続けることを可能にする。

分布がそのように反転されるとともに、レーザ
技術から周知のように、Nd：YAGはまた、けい
光、すなわちコヒーレントでない光のランダムな
放射をもたらす。この自然放射は、反転された状
態の平均寿命すなわちNd：YAGに対する約230
マイクロ秒に等しい時定数を伴つて発生する。

もしも、Nd：YAGロツドのネオジムイオンが
反転された後に、レーザ遷移周波数における光信
号が、ロツドを介して伝送されるならば、信号フ
オトンは、下位エネルギレベルへのネオジムイオ
ンの影響をトリガし、誘導放射のコヒーレントな
放出を引き起こし、これは伝送された信号に効果
的に加わり、したがつてこの信号を増幅する。

ポンピング波長におけるNd：YAG結晶の吸収
長（すなわち、照射の60％が吸収される前に照射
がそこを介して通過しなければならない材料の長
さ）は、典型的には約２mmまたはそれ以上であ
り、さらに、増幅構造に用いられたNd：YAG結
晶は、少なくともこの大きさの直径を有してお
り、このため、結晶は、空洞壁からの最初の反射
および結晶を介する通過期間中にポンピング放射
の実質的な部分を吸収することができる。もし
も、結晶を介するこの最初の通過期間中に、ポン
ピング照射が吸収されなければ、それは、空洞壁
によつて反射されて光源に戻され、そこで、再吸
収されて光源に熱を生じさせ、かつ増幅器全体の
効率を低下させるであろう。

フアイバ光学システムにおける増幅器としてそ
のように大きな直径のNd：YAGロツドが使用さ
れたときに、光学フアイバからの光の焦点を
Nd：YAGロツド内に合わせ、かつNd：YAGロ
ツドからの増幅された光信号の焦点を他方のフア
イバ内に合わせて戻すために、レンズのような光
学的構成要素を用いることが必要であると考えら
れている。そのような光学システムは、注意深い
調整を必要とし、かつ振動や熱の影響など環境の
変化を受けやすい。さらに、光学構成要素と、
Nd：YAGロツドの大きさとは、増幅システムを
比較的大きなものにし、したがつていくつかの応
用例については非現実的なものとしている。さら
に、ロツド内における高いエネルギ密度を維持
し、有意義な光学利得を得るために、Nd：YAG
ロツドの大きなサイズは、多量の入力ポンビング
エネルギを必要とする。そのように大きなポンピ
ングパワーは、高出力ポンピング光源を必要と
し、典型的には空洞を液体で冷却することによつ
て消失されなければならない熱を実質的に発生す
る。

いくつかの通信での応用をように、多くの応用
例においてこのタイプの増幅器が有用である一方
で、再循環フアイバ光学ジヤイロスコープにおけ
る使用は、増幅器システムに厳しい制限を与えて
いる。そのようなジヤイロスコープでは、光学フ
アイバは、典型的には１Kmまたはそれ以上の長さ
で、ループ状に巻かれており、かつ光信号は、典
型的には双方の方向にループ内を再循環させられ
る。ループの動きは、ジヤイロスコープの回転を
測定するために用いられる対向して伝播する光信
号の間に位相差を引き起こす。そのようなジヤイ
ロスコープにおいては、フアイバに沿つた１回の
信号の通過において誘起される位相差は比較的小
さく、かつこの位相差を大きくするために、でき
るだけ多い回転ループ内で入力光を再循環させる
ことが有利である。

１Kmの光学フアイバを通過するときに、光学信
号は典型的にはその強度の30ないし50％を失う。
もしも増幅器が、ループに直列に配置されていれ
ば、そして双方向的に対向して伝播する光信号を
２ないし3dBだけ増幅することができれば、ルー
プ内で光信号を何回も伝播させることができる。

あいにく、上述のような先行技術のNd：YAG
ロツド増幅器の比較的大きな寸法、高出力および
冷却の必要性は、そのような増幅器を高精度のジ
ヤイロスコープについては非実用的なものにして
いる。もちろん、これらの要素はまた、通信回路
網のような他の応用例におけるそのような増幅器
の利用をも制限している。

発明の概要 この発明は、第１の屈折率を有するポンピング
フアイバと、第１の屈折率よりも高い第２の屈折
率を有する増幅器フアイバとを含むフアイバ光学
増幅器に関するものである。ポンピングフアイバ
は、石英のような受動的材料から形成され、一方
で増幅器フアイバは、Nd：YAGのような能動的
レーザ材料から形成されている。２つのフアイバ
は極めて接近して配置されて干渉領域を形成し、
第１のフアイバから第２のフアイバ光を転送す
る。

円錐形状のロツドは、ポンピング光をポンピン
グフアイバへ導入するために利用される。好まし
くは、ロツドおよびポンピングフアイバは、石英
のような同一の材料によつて一体として形成され
る。このロツドは、フアイバと同じ大きさに形成
されてポンピングフアイバの一方の端部に光を導
入する第１の端部と、フアイバと同じ大きさの第
１の端部よりも実質的に大きな直径を有する第２
の端部とを含んでいる。複数の光源は、より大き
な第２の端部に光を導入するように装着され、か
つ円錐形状のロツドは、より小さなフアイバと同
じ大きさの第１の端部にこの光の焦点を合わせて
ポンピングフアイバ内に導入する。ポンピング光
は、干渉領域においてポンピングフアイバから増
幅器フアイバへ転送され、かつ増幅器フアイバに
よつて吸収されてレーザ材料内に電子反転分布を
引き起こす。増幅器フアイバの単位長さあたりの
光の吸収を増大するために、光源は、ロツドの軸
からずれた位置に装着されて上位モードの励起を
引き起こす。

好ましくは、光源は各々実質的に平行な光を生
ずる。好ましい実施例において、光源は、レーザ
ダイオードと、光を平行にするマイクロレンズ
（以下、平行マイクロレンズ）とを含み、この平
行マイクロレンズは、レーザダイオードと、円錐
形状のロツドの第２の端部との間に配置される。
もしも望むならば、レーザダイオードおよび平行
レンズの付加的な組が、入力パワーを増大するた
めに円錐形状のロツドの第２と端部に加えられて
もよい。レーザダイオードは好ましくは、放射領
域の縦方向の長さがロツドの軸を介して通過する
半径方向の線に対し垂直となるように装着され
る。

ポンピングフアイバに入力されたパワーは、ポ
ンピングフアイバの反対側の端部に第２のポンピ
ング光源を配置することによつてさらに増大さ
れ、このため、ポンピングフアイバは双方の方向
からポンピングされる。サグナツクジヤイロスコ
ープのような、波が増幅器フアイバを介して対向
する方向に伝播するシステムにおいてこの発明の
増幅器が用いられるときに、これは特に有利であ
る。そのような第２のポンピング光源は、上述の
ような、円錐形状のロツドは、レーザダイオード
と、平行マイクロレンズとを含んでいる。さら
に、典型的には、空間的コヒーレンス性に乏しく
またはマルチモードである、現在利用可能な高出
カレーザダイオードのためには、そのようなレー
ザダイオードの放射領域の長さは、円錐形状のロ
ツドのより小さなフアイバと同じ大きさの端部の
直径よりも大きいことが好ましい。

この発明はまた、光学増幅器をポンピングする
方法を含み、この方法は、円錐形状のロツドの中
央の軸から離れた個々に位置に、複数の光源を装
着することによつて、円錐形状のロツドの一方の
端部にポンピング光を与えて円錐形状のロツドの
他方の端部において上位モードを励起するステツ
プを含む。この方法はまた、ロツドの他方の端部
を光学的に結合して増幅器フアイバをポンピング
するステツプを含んでいる。ポンピング光を与え
るステツプは好ましくは、レーザ光源とロツドと
の間に平行マイクロレンズを配置するステツプを
含み、このため、入力ポンピング光は平行にされ
る。

この発明のこれらのおよび他の利点は、図面を
参照する以下の説明を通じて最もよく理解される
であろう。

好ましい実施例の詳細な説明 まず、第１図および第２図を参照すると、この
発明の好ましい実施例は、ポンピングフアイバ１
２および信号フアイバ１４を含むサイドポンピン
グされた増幅器を備えている。ポンピングフアイ
バ１２は、典型的には石英フアイバであり、典型
的な形状では、ほぼ200ミクロンの直径を有して
いる。このフアイバ１２は、ほぼ12cmの長さ16を
通じて信号フアイバ１４と平行に、かつ極めて接
近して延びており、このような長さ16に沿つて干
渉領域をもたらしている。信号フアイバ１４は、
レーザ材料であり、これはたとえば、ポンピング
されたときに、増幅されるべき信号の周波数にお
ける光学利得を与えるイオンドープされた材料の
単結晶を含んでいる。第１図において、そしてそ
れに続く説明を参照して、増幅されるべき入力光
信号は、信号フアイバ１４の第１の端部１８への
入力であり、かつ増幅器後においては、フアイバ
１４の第２の端部２０からの出力であるというこ
とが推測されるであろう。しかしながら、通信お
よび回転感知の応用のような、多くの応用例にお
いては、信号はフアイバ１４の双方の端部１８お
よび２０に入力され、かつフアイバ１４を介する
伝番の方向に関係なく増幅されるということが認
識されるべきである。

この典型的な実施例においては、フアイバ１４
は100ミクロンの直径を有している。フアイバ１
２および１４の平行な伸張部分の長さ16を通じ
て、これらのフアイバは外被２２内にカプセル封
じされ、この外被２２は、後述するように、フア
イバ１４をポンピングするために用いられる照射
に対する導波管を提供する。好ましい実施例にお
いて、これらのフアイバ１２および１４の双方
は、外被２２がクラツドをもたらす範囲を除い
て、クラツド型ではない。

フアイバ１４は、Nd：YAG材料の単結晶で形
成される。１対の光源２４および２６は、ポンピ
ングフアイバ１２の対向する端部に結合されて光
エネルギまたはポンピング光を与え、Nd：YAG
結晶１４内でネオジムイオンの電子分布を反転し
て増幅を行なう。

外被２２と同様に、フアイバ１２は、ポンピン
グ光源２４および２６からの光の波長に対し透過
性である。外被２２は、この周波数においてでき
るだけ低い損失特性を有することが好ましく、一
方で、この周波数においてできだけ短いNd：
YAGフアイバ１４の吸収長を有することが有利
である。

フアイバ１２，１４および外被２２の屈折率
は、信号フアイバ１４に、その端部１８に信号入
力を導かせるように選択されている。しかしなが
ら、屈折率はまた、ポンピング光源２４および２
６からの光を、フアイバ１２から外被２２内に入
れさせ、さらにその後、周期的に入つてきてかつ
フアイバ１４によつて吸収されるように選択され
ている。したがつて、第２図の例に示されている
ように、Nd：YAGフアイバ１４は、ほぼ1.8に
等しい屈折率n₁を有している。一方で、石英フア
イバ１２は、約1.46の屈折率n₂を有している。外
被２２の屈折率n₃は、1.46と1.8との間になるよう
に選択されており、したがつてn₁＞n₃＞n₂とな
る。最後に、外被２２を取り囲む屈折率n₄は空気
によつて形成されているが、第２のクラツドが外
被２２を取り囲んでもよく、さもなければ外被２
２における表面の不規則さおよびその結果もたら
される散乱によつて外被２２と周囲の空気との接
合面において生じるであろう損失を取りのぞくと
いうことが理解されるべきである。

以上の説明から、フアイバ１４の屈折率n₁が外
被２２の屈折率n₃よりも大きいので、このシステ
ムによつて増幅されるべき、フアイバ１４の端部
１８における信号入力は、フアイバ１４内を案内
されるということが理解されるであろう。石英フ
アイバ１２の屈折率n₂は外被２２の屈折率n₃より
も小さいので、光源２４および２６からのポンピ
ング光は、フアイバ１２によつて案内されない
が、外被２２内へ屈折されるであろう。しかしな
がら、外被２２の屈折率n₃は周囲の物質の屈折率
n₄よりも大きいので、第２図の典型的な光源２４
および２６と、第１図の２８とによつて示される
ように、この光は、外被２２によつて良好に案内
されるであろう。したがつて、ポンピング照射
は、外被２２の領域内で案内されてフアイバ１４
によつて最終的に吸収される。第１図に示される
ように、光源２８によつて典型的に示されたポン
ピング照射は、フアイバ１４を介する経路の長さ
の経路全体の長さに対する比率に比例する割合で
フアイバ１４によつて吸収されるであろう。この
ため、外被２２の包みの大きさをできるだけ小さ
く維持して、Nd：YAGフアイバ１４における単
位長さあたりの吸収を増大することが有利である
ということが理解されるであろう。

次に、300〓におけるNd：YAG結晶の吸収ス
ペクトルの図である第３図を参照すると、Nd：
YAG材料が比較的高い光学密度を有しており、
したがつて、選択された波長において短い吸収長
を有しているということがわかる。このため、(a)
Nd：YAGフイアバ１４におけるポンピング照射
の吸収を最大にするためにこれらの周波数におい
て放出するようにポンピング照射光源２４，２６
（第１図）に選択し、したがつて、増幅器構造内
においてポンピン照射の吸収を実質的に達成しな
がら吸収領域の長さ16（第１図）をできる限り短
くすることが賢明である。当業者は、フアイバ１
４をできるだけ短くしてフアイバ１４を介する信
号の伝播損失を減少させることが有利であるとい
うことを理解するであろう。第３図からわかるよ
うに、この典型的な実施例において、0.58ミクロ
ンの波長が照射光源２４，２６として最も適して
いるが、0.75および0.81ミクロンの波長もまた比
較的適している。

次に、Nd：YAG結晶に対するエネルギ準位図
である第５ａ図を参照すると、上述の吸収波長に
おけるポンピング光がNd：YAG結晶によつて吸
収されるときに、ネオジムイオンが基底状態から
ポンピングバンドへと励起されるということが理
解されるであろう。ポンピングバンドから、イオ
ンは、フオノン干渉を介して上位レーザレベルへ
と急速に緩和する。この上位レーザレベルから、
ネオジムイオンは下位レーザレベルへとけい光を
発する。この後者のレベルから、最後の急速なフ
オノン緩和が基底状態に向かつて生じる。第５ａ
図に示されたタイプの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、実際には空白の
下位エネルギレベルをもたらすので、有利であ
る。この特徴は第５ｂ図に示されており、そこで
は連続ポンピング期間中におけるNd：YAGフア
イバに対するポンピングバンド、上位レーザレベ
ル、下位レーザレベル、および基底状態における
分布密度が示されている。上位および下位レーザ
レベルの間のけい光の速度は、ポピングバンドと
上位レーザレベルとの間のフオノン干渉、および
下位レーザレベルと基底状態との間のフオノン干
渉と比較しても比較的遅いので、上位レーザレベ
ルにおける分布密度は実質的に下位レーザレベル
における分布密度よりも高く、高い反転率を生じ
る。誘導放出に先行する、上位レーザレベルの平
均寿命は、230マイクロ秒である。

第４図は、以下の議論において例として用いら
れる、Nb：YAG材料のレーザ遷移とともに、こ
の材料の多重エネルギ状態をより詳細に描いてい
る。

レーザ遷移波長（たとえば1.064ミクロン）、す
なわち、上位および下位レーザレベルの間におけ
る緩和期間中にNd：YAGイオンによつて放出さ
れる光の波長の１つにおける入力光信号は、励起
されたレーザフアイバ１４（第１図）を通じて移
動するが、信号とコヒーレントな同一周波数にお
ける誘導されたフオトンの放出をトリガし、さら
にこれによつて信号が増幅される。したがつて、
この周波数における光の通過は、増幅されるべき
光信号と同位相で、第５ａ図の上位レーザ放射レ
ベルおよび下位エネルギレベルの間にフオトン放
出緩和を引き起こし、入力光信号に対する効果的
な利得を生じさせる。

この発明の増幅器において達成され得る利得
は、Nd：YAG結晶内における反転されたネオジ
ムイオン分布の密度に依存している。

この発明の増幅器の単位長さg₀あたりの小さな
信号利得計数の理論的計算は、g₀＝δΔNという
関係を用いて行なうことができ、ここでδは、
Nd：YAGに対する効果的な誘導放出断面積、す
なわち約3.0×10^-19cm²であり、ΔNは、次の式に
よつて与えられる反転分布密度である。

ΔN＝P_P／Ｖt／hν_p (1) ここで、P_Pは、信号フアイバ１４によつて吸
収される全ポンピングパワーであり、Ｖは、結晶
の体積であり、したがつてP_P／Ｖは、フアイバ
の単位体積あたりの吸収された全ポンピングパワ
ーであり、tは第５ａ図の上位レーザレベル２の
けい光寿命すなわちネオジムイオンの230マイク
ロ秒のケイ光緩和時間であり、hν_Pは、ポンピン
グフオトンエネルギに等しい。

長さＬの増幅器フアイバから得られる利得は、
次のように表わされる。

Y₀＝g₀L (2) 上述の関係を結合すると次の式が得られる。

γ₀＝δP_P／Ａt／hν_P (3) ここで、Ａは増幅器フアイバの断面積である。

値P_Pは、吸収されたポンピングパワーであり、
かつフアイバの長さ増加は必ずしも利得を増大さ
せないということが認識されるべきである。した
がつて、Nd：YAGフアイバを介して通過するポ
ンピング放射が本質的に完全に吸収されるように
フアイバの長さが十分であれば、そのときはこの
方式における値P_Pは入力ポンピングパワーによ
つて置き換えることができる。810nｍの典型的
なポンピングフオトン波長のために、120ミクロ
ンの直径を有する単結晶フアイバにおいてγ₀は
0.01dBに等しく、P_Pは1mWに等しい。しかしな
がら、正味の利得を得るためには、信号がフアイ
バ１４を介して伝播するときに信号によつて経験
される1.06ミクロンにおけるフアイバ伝播損失を
γ₀から減算しなければならない。１Kmあたり
100dBのフアイバ損失は、１cmあたり0.001dBだ
け利得を減少させる。したがつて、ポンピングパ
ワーのほとんどをフアイバの短い距離にわたつて
実質的に吸収されるように構成することによつ
て、もしも増幅器の全体の長さが比較的短く維持
され得るならば、増幅器内における伝播損失は低
レベルに維持され得る。

前述の説明より明らかなように、そして再度第
１図を参照すると、Nd：YAGフアイバ１４を適
正にポンピングするために、ポンピング光源２４
および２６のいずれかが、入力信号をフアイバ１
４に与える直前、すなわち好ましくはネオジムイ
オンの230マイクロ秒のけい光緩和時間内に連続
的に動作されることが好ましい。

再度第１図を参照すると、屈折率n₁が周囲の空
気の屈折率よりも高いので、端部１８および２０
に近接するがしかし外被２２の外側にある領域に
おいて、Nd：YAGフアイバ１４が増幅の前後に
信号を案内するということに注意すべきである。
もちろん、表面の損失を減少するためにこれらの
領域においてNd：YAGフアイバ１４にクラツド
を設けることも有利である。

同様に、屈折率n₂は周囲の空気の屈折率よりも
高いので、外被２２の範囲を越える領域において
石英フアイバ１２はポンピング光源２４および２
６から光を案内する。もちろん、外被２２の端部
の範囲を越える領域に用いられるクラツドの屈折
率が石英の屈折率よりも低い限り、表面損失を減
少するためにこの領域において石英フアイバ１２
にクラツドを設けることも可能である。

光源２４からのポンピング光は、最初に増幅シ
ステム内において端部１８の近くで吸収される傾
向があり、したがつてフアイバ１４の全長は、光
源２４によつては均一に照射されないことは認識
されるであろう。したがつて、ネオジムイオンの
反転分布は長さ１６に沿つては均一に分布されな
いであろう。したがつて、ポンピング源２４およ
び２６によつて双方の端部において同時に石英フ
アイバ１２をポンピングし、反転されたネオジム
イオン分布が長さ１６に沿つて対称形になること
を保証することが有利である。また、両端からの
ポンピングは外被１４においてより大きなポンピ
ングパワーを生じ、したがつてより大きな利得を
生じる。

ポンピング源２４および２６からNd：YAGフ
アイバ１４に与えられたポンピング照射は、連続
するベース上において、信号が増幅されたときに
生じる、フアイバ１４内における空白にされた分
布を置き換えるのに十分であるべきであるという
こともまた認識されるべきである。したがつて、
たとえば、パルス信号が１Kmのフアイバを介して
循環するジヤイロスコープにおいて、対向して伝
播する信号は、ほぼ５マイクロ秒ごとに一度、第
１図に示された増幅器を通過する。もしも、連続
的なポンピング光源２４，２６が用いられると、
それらは十分な出力をもたらし、このため、５マ
イクロ秒の期間ごとに、それらは、信号の各々の
連続する通過期間中に緩和したネオジムイオン分
布を反転することができ、信号によつて経験され
た増幅器利得が一定に留まるような、緩和した分
布に等しい分布を再反転することができる。

外被２２は、高いＱの空洞を形成し、これは、
単一のポンピング光源を、ほぼ２cmの長さにわた
つて、Nd：YAGフアイバ１４を介してほぼ100
回反射的に通過させる。したがつて、Nd：YAG
フアイバ１４を横方向に介する信号光線の経路は
その材料における吸収長よりも実質的に短いが、
複数の経路は、Nd：YAGフアイバ１４内のポン
ピング光源照射の実質的に一部分を吸収させる。

第１図に示された構造は、もしもその端部１８
および２０において適正に反射されるならば、発
振器すなわち、Nd：YAGフアイバのレーザ放射
周波数における照射源を提供する。したがつて、
レーザ周波数において照射のほぼ100％を反射す
るミラーをフアイバ１４の端部１８上に配置する
ことによつて、および同一の周波数における照射
のより低い割合を反射する第２のミラーをフアイ
バ１４の端部２０上に配置することによつて、第
１図に示された構造はフアイバレーザ光源として
使用され、コヒーレントな光波をフアイバ１４内
の長さ１６を介して前後に反射させ、かつフアイ
バ用のレーザ周波数でのコヒーレントな波面とし
て、端部２０における部分的に反射するミラーを
介して放出させる。

第１図に示された構造が、レーザ光源として使
用されるときに、ポンピング源２４および２６
は、ポンピング波長において一定状態の光出力を
供給し、この場合、一定状態の連続する光出力は
フアイバ光源によつて与えられる。もしも、一方
で、光源２４および２６からのポンピング光が変
調されると、第１図の構造内において、変調され
た出力が生じる。

上述の説明から認識されるように、増幅される
べき信号を信号フアイバ１４内で案内するが、増
幅器システムの容器２２全体の中でのみポンピン
グ光を案内する屈折率をもたらす材料の適正な選
択は、小さな、比較的高い利得の増幅器システム
をもたらし、そこでは、このフアイバ１４の直径
がポンピング波長におけるNd：YAG材料の吸収
長よりも実質的に小さいときでさえ、全体的な空
洞構造内における複数の反射がNd：YAGフアイ
バ１４のサイドポンピングを許容する。

第６図に示されるように、ポンピング源２４お
よび２６（第１図）は各々、たとえば、無定形石
英（溶融シリカ）から形成された円錐形状のロツ
ド５０を含んでおり、これは、大きな端部５２か
ら小さな端部５４へ向かつて次第に細くされてい
る。小さな端部５４から突出しているのは、フア
イドと同じ大きさに形成されたロツド部分であ
り、これは、好ましい実施例においては、ポンピ
ングフアイバ１２（第１図）を含んでいる。代わ
りに、小さな端部５４は、フアイバ１２として機
能する別のフアイバに接して結合されてもよい。
特定の例によると、大きな端部５２は、約２mmの
直径を有しており、小さな端部５４（およびフア
イバ１２）は、約200ミクロンの直径を有してお
り、端部５２および５４の間の先細にされた部分
５６の長さは約１cmであり、傾斜角度θは、約5°
である。この図面は正しい比率では描かれておら
ず、単に図解的に示すだけであるということが認
識されるであろう。

円錐形状のロツド５０は、大きな端部５２の直
径に等しい直径を有する石英ロツドを用いて製造
される。このロツドは高温の炎の中で加熱され、
その後素早く引き離されて、ロツドの一部分をフ
アイバサイズの直径まで減少させてポンピングフ
アイバ１２を形成する。ロツドの大きい端部はそ
の後、割られて端部５２に平坦な表面５８を形成
し、かつこの表面５８は研磨される。したがつ
て、この工程は、ピペツトを製造するために一般
的に用いられる工程に類似している。当業者は、
より精巧な製造技術が利用できるということを認
識するであろう。

第６図に示されるように、複数の光源６０が、
ロツド５０の平坦な端部表面５８上に装着されて
いる。第７図を参照すると、光源６０の各々は、
マイクロレンズ６２および小型化された光放出装
置６４とを含んでおり、この装置６４は好ましく
は高出力レーザダイオードであり、これは、
800nｍ領域のような、第３図において示された
高い吸収領域の１つに光を生じる。先行技術にお
いて周知のように、マイクロレンズは、中心から
周辺に至る屈折率の勾配による焦点合わせの特性
を有する極端に小さな光学ガラスロツドである。
それらは、Nippon Sheet Glass Company、
Ltd.、New Jersey office、136 Central
Avenue、Clark、New Jersey、の商標名“セル
フオツクマイクロレンズ（Selfoc Microlenses）”
の下に、種々の長さ、直径、焦点距離、および受
光角度で利用することができる。レーザダイオー
ド６４は、レーザダイオード接合をレンズ６２の
入力表面に近づけながらマイクロレンズ６２上に
装着され、さらにレンズの特性は、レーザダイオ
ード６４によつて生じる光を平行にするように選
択される。レーザダイオード６４のレンズ６２上
への装着は、粘着剤または機械的なマウントのよ
うな適当な手段によつて実行される。レンズは、
たとえば光学セメントによつて、円錐形状のロツ
ド５０の表面５８上に順番に装着される。もしも
望むならば、いくつかのレーザダイオード６４が
単一のレンズ６２上に“積み重ね”されて出力を
さらに増大させてもよい。そのような場合には、
ダイオードはその縦方向の側面を互いに接触させ
ながら、一方が他方の最上部上に配置される。さ
らに、図面は、円錐形状のロツド５０上に装着さ
れた３つのそのような光源６０を示しているが、
一方で、より多くのまたはより少ない光源６０が
利用され得るということが理解されるであろう。

第８図に示されるように、光が円錐形状のロツ
ド５０に入るにつれて、光は多数の全内反射を受
けて光の焦点を合わせて圧縮し、フアイバ１２内
へ結合する。図から明らかなように、単一の光線
６８のみが、ロツド５０へ入つていくものとして
第８図に示されている。円錐形状のロツド５０の
先細りの幾何学形状のために、フアイバ１２へ光
線６８が入るまで、光線６８は、円錐５０の壁に
関して連続的により大きくなる入射角度で全内反
射を行ない、フアイバ１２では入射角度が安定し
ていくということが第８図から理解されるであろ
う。入射角度のそのような安定性は、フアイバ１
２の直径が均一であるという事実によるもであ
る。当業者は、“入射角度”という用語は、光線
と、光線の入射地点において円錐壁に巻付けられ
たように描かれた直線との間の角度を定義するも
のとして認識するであろう。円錐の角度θおよび
円錐の長さは、端部５２から端部５４へ光が円錐
５０を通過するときに、入射角度が常に臨界角度
（すなわち、光線がもはや全内反射されなくなる
角度）よりも大きいように好ましくは選択され、
このため、円錐５０の大きな端部５６に入つてく
る光の実質的にすべては、フアイバ１２へ結合さ
れる。一般に、必要とされる円錐の角度は、円錐
５０と周囲の媒体（たとえば空気）との間の屈折
率の差と同様に、フアイバと同じ大きさの端部５
４の断面積に対する入力端部表面５８の面積の比
率に依存している。円錐の角度を計算するための
数学的手法は、先行技術において周知であり、た
とえば、“Fiber Optics；Princrples and
Applications、 by N.S.Kapany、Academic
Press（1967）、p.18−22・”において説明されて
いる。

したがつて、円錐形状のロツド５０は、事実
上、光源６０（第７図）によつて入力された平行
な光の焦点を小さな端部５４の中に合わせ、した
がつて、レーザダイオードによつて生じた光をポ
ンピングフアイバ１２の中へと圧縮し、それによ
つてフアイバ１２内におけるポンピングパワー密
度を増大させる。

もしも、レーザダイオード６４として用いられ
る特定のダイオードの空間的なコヒーレンス性の
程度が貧弱でありまたはダイオードがマルチモー
ドである場合には、一般的に、放出領域の長さ
（すなわち、レーザダイオード接合部に平行な大
きさ）をフアイバと同じ大きさの端部５４の半径
よりもはるかに大きくすることは非実用的であ
り、さもなければ、空間的な非コヒーレンス性に
よつて引き起こされる回折のためにまたは案内さ
れなくなるより高位のモードのために、放射損失
が生じる。あいにく、現在では、商業的に利用さ
れている、高出力のダイオードレーザは、典型的
にはマルチモードであるか、または比較的に乏し
い空間的なコヒーレンス性を有しているかのいず
れかであり、あるいはその双方である。レーザ技
術が進歩するにつれて、この状況が緩和されるこ
とが期待されている。

第６図および第７図を参照すると、レーザダイ
オード６４は、平行レンズ６２なしで利用するこ
とができ、このため、光はダイオード６４から直
接円錐５０に入力されるということが理解される
であろう。しかしながら、そのような場合には、
レーザダイオードは一般的に発散するパターンで
光を放出し、かつ発散する光線は円錐５０の壁に
関する臨界感度を越え、これによつて放射損失を
引き起こすので、伝送損失は典型的には平行レン
ズを伴う場合よりも大きくなる。平行でない入力
ビーム（マイクロレンズを伴わない）の場合に
は、円錐を介する伝送（すなわち、フアイバと同
じ大きさの端部５４に結合された入力光の一部
分）は約10％もなく、一方で平行な光（マイクロ
レンズを伴う）の場合には、伝送は約75％まで増
大されるということをテストは示している。した
がつて、レーザダイオード６４と組合わされた平
行マイクロレンズ６２の使用は、非常に有利であ
る。

より上位のモードを励起するために、表面５８
上の、円錐形状のロツド５０の中央の軸７２から
ずれた位置に光源６０を装着することもまた好ま
しい。第８図の光線の図から、大きな端部５６の
周辺付近で表面５８に入つている光線（たとえ
ば、光線６８）は、中央の軸７２により接近して
入力される対応する光線（図示せず）よりも、そ
れらがフアイバと同じ大きさの端部５４に到達す
る時間だけより高い入射角度を有しているという
ことが理解されるであろう。光線の理論による
と、そのような増大された入射角度は、より上位
のモードを示している。光線（たとえば光線２
８）は、より多い回数だけ反射を行ない、したが
つて、それが増幅器構造の一方の端部から他方へ
伝播するときに増幅器フアイバ１４を介する通過
の回数を増大させるので、そのようなより上位の
モードは、第１図のNd：YAGフアイバの励起の
ために有利である。

平行でない光（マイクロレンズを伴わない）に
対しては、円錐形状のロツド５０を介する伝送
は、表面５８上のレーザダイオードの位置には実
質的に依存しないように思われる。しかしなが
ら、１つの実験において、平行にされた光（マイ
クロレンズ６２を伴う）に対して、光源６０が円
錐の軸７２から離れて端部５２の周辺に向かつて
動かされたときに円錐形状のロツド５０を介する
伝送が最大に増大するということが発見された。
光源６０の１つを表面５８上の円錐の軸７２から
端部５４において測定されるパワー伝送が最大限
になるまで半径方向に外側に向かつてすべらせる
ことによつて最適の伝送位置が発見され得る。こ
の光源６０はその後この位置に永久に固定され
る。他の光源６０を位置決めするために同一の工
程が利用され得る。さらに、ダイオード６４が軸
７２からずれたときの最適な伝送のためには、そ
の放射領域の最大の大きさ（すなわち長さ）が、
軸７２を介して通過する、平坦な表面５８上の想
像上の半径方向の線８０に対して垂直になるよう
に、各々のダイオード６４を配向することが好ま
しい。

したがつて、円錐形状のロツド５０は、特に、
そのようなロツド５０が高出力レーザダイオード
および平行マイクロレンズと組合わされて用いら
れるときには、大規模な光学パワーをポンピング
フアイバ１２へ結合させる。そのような高い光学
ポンピングパワーは、Nd：YAG結晶１４の励起
を増大させ、これによつて増幅度を高める。

この発明によるサイドポンピングされた増幅器
の他の実施例において、フアイバ１２は、外被２
２なしで、入力光を増幅器フアイバ１４内へ直接
結合するように用いられてもよい。したがつて、
第９図および第１０図は増幅器構造の他の実施例
を概略的に示しており、これは、第１図および第
２図の外被２２を用いないが、しかしその代わり
に、一方ではNd：YAGフアイバ１４と石英フア
イバ１２との屈折率の差、および他方では周囲の
空気の屈折率に依存し、ポンピング光および信号
光をシステム内で案内する。この実施例におい
て、円錐形状のロツド５０のフアイバ１４および
フアイバ１２の双方は、一方の表面に沿つて研磨
され、（これは第９図に最良に示されている）、所
望の干渉の長さ９０（第１０図）を通して接する
平坦な外部表面３４および３６をもたらし、（第
１図の長さ１６に対応する）、そのような長さ９
０に沿つた干渉領域を提供する。

第９図および第１０図に示された構成によつ
て、Nd：YAGフアイバ１４の屈折率は、石英ロ
ツド５０の屈折率よりも高く、このため、増幅さ
れるべき信号は、フアイバ−空気の境界面および
フアイバ−石英ロツドの境界面の双方によつて、
フアイバ１４内で良好に導かれる。他方で、フア
イバ１２内のポンピング信号は、周囲の空気と接
するその周辺部分を介して案内されるが、表面３
６においては案内されず、したがつてNd：YAG
フアイバ１４内へと伝播して、そのフアイバ１４
内でネオジムイオンをポンピングする。もちろ
ん、第９図および第１０図に示された実施例は、
第２図の外被２２のような周囲の外被内に設けら
れてもよく、ここでは、外被は石英ロツド５０ま
たはNd：YAGフアイバ１４のいずれかよりも低
い屈折率を有している。この周囲の外被は装置の
基本的な動作を変えることはないが、表面の不規
則性によつて引き起こされる表面散乱を取り除く
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明のフアイバ増幅器の好まし
い実施例の物理的構成を示す図である。第２図
は、第１図の構成の線２−２に沿う断面図であ
る。第３図は、300〓のNd：YAGの吸収スペク
トルを示す図である。第４図は、Nd：YAGのエ
ネルギ準位図である。第５ａ図および第５ｂ図
は、Nd：YAGのような４レベルレーザの簡略化
されたエネルギ準位図である。第６図は、第１図
の増幅器構造に対する好ましいポンピング光源の
斜視図であり、これは、平行にされた光を円錐形
状のロツドに入力するために装着された複数のレ
ーザダイオードと平行マイクロレンズとを示して
いる。第７図は、第６図のレーザダイオードおよ
び平行レンズの１つの拡大された斜視図である。
第８図は、円錐形状のロツドに入力された典型的
な光線の経路を示す概略図であり、かつそれが円
錐の一端から他端へ伝播するときに光線の多数の
全内反射を示している。第９図は、第１０図の線
９−９に沿う断面図であり、増幅器の他の形状を
示している。第１０図は、この発明のフアイバ増
幅器の他の実施例の物理的な構成を示す図であ
る。 図において、１２はポンピングフアイバ、１４
はNd：YAGフアイバ、２２は外被、２４，２６
はポンピング光線、５０は円錐形状のロツド、６
０は光源、６２はマイクロレンズ、６４はレーザ
ダイオードを示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の屈折率を有する第１のフアイバと、 レーザ材料から形成され、前記第１の屈折率よ
   りも高い第２の屈折率を有する第２のフアイバと
   を備え、前記第１および第２のフアイバは、極め
   て接近して配置されて干渉領域を形成し、前記第
   １のフアイバから前記第２のフアイバへ光を転送
   し、 円錐形状のロツドをさらに備え、前記ロツド
   は、 光を前記第１のフアイバの一方の端部へ導入す
   るための、フアイバと同じ大きさの第１の端部
   と、 前記第１の端部より実質的に大きな直径を有す
   る第２の端部とを含み、 ポンピング光を前記第２の端部へ導入するよう
   に装着された複数のポンピング光源をさらに備
   え、前記円錐形状のロツドは、前記第２の端部か
   らのポンピング光の焦点をフアイバと同じ大きさ
   の前記第１の端部へ合わせ、前記第１のフアイバ
   の中へ導入しかつ前記第１のフアイバを介して前
   記干渉領域へ伝播し、前記第２のフアイバをポン
   ピングしかつ前記レーザ材料に電子反転分布を引
   き起こし、 前記複数のポンピング光源は、前記円錐形状の
   ロツドの軸からずれて、前記第１のフアイバに上
   位のモードを励起し、前記第２のフアイバの前記
   レーザ材料によつてポンピング光の吸収を高め
   る、フアイバ光学増幅器。 ２ 前記円錐形状のロツドおよび前記第１のフア
   イバは同一の材料から一体に形成される、特許請
   求の範囲第１項記載のフアイバ光学増幅器。 ３ 前記第１のフアイバおよび前記第２のフアイ
   バは各々、少なくともそれらの長さの部分に沿つ
   て各々平坦な表面を含み、前記平坦な表面は前記
   干渉領域を形成するように並置される、特許請求
   の範囲第１項記載のフアイバ光学増幅器。 ４ 前記光源は、実質的に平行にされた光を発生
   する、特許請求の範囲第１項記載のフアイバ光学
   増幅器。 ５ 前記光源は、 レーザダイオードと、 前記レーザダイオードと前記第２の端部との間
   に配置された、光を平行にするマイクロレンズと
   を含む、特許請求の範囲第４項記載のフアイバ光
   学増幅器。 ６ 第２の円錐形状のロツドを含み、前記ロツド
   は、 前記第１とフアイバの他端に光を導入するため
   の、フアイバと同じ大きさの第１の端部と、 前記第２のロツドの前記第１の端部よりも実質
   的に大きな直径を有する第２の端部とを備え、 ポンピング光を前記第２のロツドの前記第２の
   端部へ導入するための複数の第２のポンピング光
   源をさらに備え、前記第２の円錐形状のロツド
   は、前記第２のロツドのフアイバと同じ大きさの
   前記第１の端部に前記光の焦点を合わせて前記第
   １のフアイバの前記他端に導入しかつ前記第１の
   フアイバを介して前記干渉領域に伝播し、前記第
   ２のフアイバをポンピングしてかつ前記レーザ材
   料に電子反転分布を引き起こす、特許請求の範囲
   第２項記載のフアイバ光学増幅器。 ７ 前記レーザダイオードは、その長手方向の長
   さが前記円錐形状のロツドの軸を介して通過する
   半径方向の線に対して垂直になるように配光され
   る、特許請求の範囲第５項記載のフアイバ光学増
   幅器。 ８ 前記ロツドはガラスで形成され、かつ前記第
   ２の光学フアイバはNd：YAGで形成される、特
   許請求の範囲第１項記載のフアイバ光学増幅器。 ９ 前記レーザダイオードの放射領域の長さは前
   記第１のフアイバの半径よりも大きくはない、特
   許請求の範囲第５項記載のフアイバ光学増幅器。 １０ レーザ材料から形成された光学フアイバを
   ポンピングする方法であつて、 円錐形状のロツドの中心軸から離れた各々の位
   置に複数の光源を装着することによつて前記円錐
   形状のロツドの一方の端部にポンピング光を与え
   て前記円錐形状のロツドの他方の端部に上位のモ
   ードを励起するステツプと、 前記円錐形状のロツドの他方の端部を光学的に
   結合して前記光学フアイバのレーザ材料をポンピ
   ングするステツプとを含む、光学フアイバをポン
   ピングする方法。 １１ 前記ポンピング光を与えるステツプは、 レーザ光源と、前記ロツドの前記一方の端部と
   の間に光を平行にするマイクロレンズを配置して
   前記ポンピング光を平行にするステツプをさらに
   含む、特許請求の範囲第１０項記載の光学増幅器
   をポンピングする方法。