JPH06503920A - レーザおよび増幅器 - Google Patents

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】 レーザおよび増幅器 本発明はレーザと光増幅器に関する。

シリカ光ファイバにより提供される８５０ｎｍの通信窓を使用する光通信システ ムに関心が高まっている。

光ソース又は増幅器を提供する１つの既知の方法はポンプの波長と同−又は異な った波長で光信号を放射又は増幅する光フアイバレーザ又は増幅器のためのポン プ信号のソースとして半導体レーザを使用する。これは比較的安価で高効率で商 業的に入射可能であるレーザダイオードを利用できる方法で信号波長の敏速なア クセスを容易に提供する利点を有する。

レーザおよび増幅器はそれぞれイオン基底状態のレベルより上にあるレーザ媒体 中の上部と下部レーザレベルの間のレーザ変換における動作に依存するものが知 られている。上部レーザレベル（ＵＬＬ）のイオンの平均寿命が下部レーザレベ ル（Ｌ　Ｌ　Ｌ）のイオンの寿命より長ければ、おそらくはＵＬＬより大きいレ ベルを経て基底状態からイオン励起によりＵＬＬを反転するためのレーザ媒体の ボンピングはレーザ動作が進行するようにＵＬＬとＬＬＬとの間の反転分布を維 持することに使用可能である。しかしＵＬＬの寿命がＬＬＬより短ければ、レー ザ変換はＬＬＬのイオンの形成がレーザに必要なＵＬＬ（！：ＬＬＬとの間の反 転分布を破壊するので自己終端として知られる。結果としてこのような自己終端 レーザは通常パルス形態でのみ動作し、ＬＬＬはポンプされたパルスの間を空に するための時間が与えられている。

本出願人の公表された国際出願Ｗ　０８９／１１７４４号明細書には４．４ 通常自己終端する変換　１１１／２かり　■１３／２の連続波動作がレーザ期間 中、上部と下部レーザレベルとの間の反転分布を維持するように下部レーザレベ ルからイオンを上昇させるための励起エネルギを供給することで達成されるフル オロジルコニウム酸塩ファイバレーザおよび増幅器が開示されている。

ｃｗレーザを生成する反転分布を維持するための手段を提供する励起状態吸収（ ＥＳＡ）をこのように使用することはイオン−イオンエネルギ変換によるＬＬＬ からのアップ変換を得るのに必要な高濃度のドープ剤を使用する必要性を削除す る。代りに低濃度のドープ剤は例えばレーザによる高効率のポンプに使用される ことができる。これは特にファイバ手段の高パワー密度が広い相互作用の長さに わたって維持されることができるときにレーザ媒体がドープした光ファイバから なる場合である。これはまたファイバコアが高い表面対容積比を有するので熱的 に効率が高い。

この装置はある波長でポンプエネルギを提供し、恐らくよりエネルギの高いレベ ルを経て基底状態からＵＬＬヘイオンを励起するのに十分な強度を有するポンプ 手段を必要とする。

前述の参照した出願で説明されているように特定の群のイオンのエネルギレベル によりＬＬＬからイオンを上昇するポンプ励起エネルギの波長と強度は基底状態 とエネルギレベルとの間のエネルギの差、おそら＜ＵＬＬを反転する結果となる ＵＬＬ自体と一致するように選択されることができる。これは単一波長のソース がイオンをＵＬＬにポンプし、飽和を阻止するようにＬＬＬを反転しないように するために使用されることができる非常に簡単な装置を与える。しかしこのエネ ルギレベルの一致は常には存在しない。

本発明によると、それぞれイオンの基底状態レベルより上であり通常自己終端レ ーザ変換を形成する上部および下部レーザレベルを有するレーザイオンを有する 媒体と、上部および下部レーザレベルの間の反転分布を維持するために低レーザ レベルからイオンを上昇する適切な波長と強度の励起エネルギを供給するための ポンプ手段とを具備している光増幅器において励起エネルギの波長と強度は、励 起状態吸収により基底状態レベルから第１のエネルギレベルへ、および第１のエ ネルギレベルから第２のエネルギレベルへの両方のイオン励起を行うことにより 基底状態レベルから上部レーザレベルへ上昇するのにも適切であることを特徴と する。

本発明は単一のポンプソースの簡単な装置がドープ剤イオンの下部レーザレベル の非反転と上部レーザレベルの反転を同時に行うために使用されるポンプ構造を 提供し、ここでは上部レーザレベルはポンプ信号の単一な光子吸収によりイオン の基底状態から直接反転されることができるエネルギレベルよりもはるかに大き いエネルギにある。

この方式は利得媒体のような増幅器を使用するレーザにも−プしたフルオロジル コニウム酸塩の単一のモード光ファイバに基ついている。これは　Ｓ　から４Ｉ 　への変換から約８５０ｎｍにおけるレーザ又は利得を提供する。

本発明のポンプ構成は通常所定の群中の適切なエネルギレベルを有するドープ剤 イオンに適用可能であり、群とドープ剤イオンの特定の組合わせに限定されない ことが理解できるであろう。バルクな光学装置又は平面導波体のような他の導波 体への応用も発見されている。

本発明は以下の添付図面を参照して例示としてのみ説明される。

図１は適切なレーザ、蛍光、ＥＳＡ変換を示すＺＢＬＡＮ光ＬＡＮバのエルビウ ムのエネルギレベルの図である。

図２は本発明によるレーザの概略図である。

図３は図２のレーザのレーザ特性を示しているグラフである。

図４は図２のレーザの励起スペクトルのグラフである図５は本発明による増幅器 の概略図である。

図６は図５の増幅器の利得特性のグラフである。

図１を参照するとフルオロジルコニウム酸塩母体中の３価エルビウムのエネルギ レベルの図（バンドの幅の広がった特性を指示していない）を示している。図２ を参照して説明さ変換の自己終端を生じさせる約１１ｍ　ｓの寿命を有する。

８０１ｎｍのポンピングは２つの段階のプロセス、すなわちの非反転を行う。

ポンピング機構はこの波長のポンピングによる基底状態レベルから直接反転され ることのできる最高のエネルギレベルである　１　レベルより高いエネルギであ るが４Ｓ　しベルの反転を行う。

図２のレーザは本発明の原理によるレーザポンプしたエルビウムドープのＺＢＬ ＡＮファイバ２の動作特性を決定する実験装置からなる。レーザ２は一方の端部 の９３％の反射ミラー４と約４％の反射を与える他方の端部の破断されたファイ バ端部６とを具備し、ファプリーペロー空洞中の５００ｐｐｍ／ｗｔのエルビウ ムでドープされた長さ３ｍのＺＢＬＡＮファイバである。ファイバはポンプ波長 で４．５のＶ値を有した。

入力における８％のビームスプリッタ８は出力パワーが決定されるレーザ光の固 定した反転の抽出を可能にした。Ｔｉ＋サフィアボンブレーザー０からファイバ に結合されたほとんど全てのポンプエネルギは吸収された。ビームスプリッタ８ を介したレーザー０からファイバ２に通過する出力はレンズ１２によりファイバ ２に結合された。

残りのポンプ先、レーザ光およびあらゆる自然の放射はブレーズ格子１４を使用 して出力で分離され、レーザとポンプ波長の先パワーは単一の順序で１対の検出 器１６．１８によりそれぞれ測定された。レーザの出力パワーはバルクな光学系 およびビームスプリッタ比による損失を知るために測定された。

他のポンプソースはＥｒ３＋をドープしたＺＢＬＡＮファイバレーザのような特 に半導体レーザに約８００ｎｍで必要な光ポンプパワーを提供するために使用さ れる。

図３はポンプレーザｌＯが８０１ｎｍに同調されたときの図２のレーザのレーザ 特性を示している。レーザしきい値は空洞の低いＱのために高いが勾配効率も高 ＜３８％である。これは多重光子励起プロセスでは驚異的に効率である。

図４は３６９　ｍＷ　（はぼしきい値）の一定の発射ポンプパワーのポンプ波長 に対するレーザの相対的な出力パワーの変化を示している。励起スペクトルは９ ｍｍの半分のパワーの点における幅を有する。この同調曲線は基底状態変換のブ リーチのために生じる。ＥＳＡ吸収プロセスはさらに基底状態吸収のピークに非 常に接近している。ポンプレーザ１０を７９２ｎｍに対して非同調することは９ ８０ｎｍで生じる３レベル変換長さのＺＢＬＡＮファイバ２０が反射性の抑圧し たファイバ端部２２．２４を有する装置の増幅特性を立証するために使用される 実験的装置の概略図を示している。ポンプレーザ２６は２色性のビームスプリッ タ２８およびレンズ３０を通ってファイバに結合される光ポンプパワーを８０１ ｎｍで提供する。８５０ｎｍの単一の信号ソースもまたビームスプリッタ２８と レンズ３０１；よりファイバ２０の端部２２に導入される。ファイバ端部２４を 出る増幅された８５０ｎｍの信号のパワーは信号がレンズ３４により焦点を結ば される検出器３２により測定される。

図６は図５の装置の８０１ｎｍにおけるポンプパワーと８５０ｎｍにおける利得 特性を示している。図２の空洞のＱは７ｄＢのしきい値に達する単一の通過利得 と２００　ｍＷのポンプパワーを必要とする。このことは図３のレーザ特性から 確認される。

吸収パワー　ｍＷ ポンプパワーｍＷ 国際調査報告 １ｓ＋ｍｍｅｍｉｌ　Ａ１１ｌｌ＋ｓｉｗ〜拳　ｐｒ丁／ｎＱ　Ｑｌ／Ａｌｌ＋ Ｍ国際調査報告 フロントページの続き （８１）指定国　ＥＰ（ＡＴ、ＢＥ、ＣＨ，ＤＥ。

ＤＫ、　ＥＳ、　ＦＲ，ＧＢ、　ＧＲ，ＩＴ、　ＬＵ、　ＮＬ、　ＳＥ）、　Ａ Ｕ、　ＣＡ、ＪＰ、　ＫＲ，ＵＳ（７２）発明者　ハント、マイケル・ハロルド イギリス国、アイビー５・７エイチエー、サフォーク、イブスウィッチ、ケスブ レイブ、セダー・アビニュー　５１ （７２）発明者　ブライアーレイ、マイケル・チャールズイギリス国、アイビー ５・７エスユー、サフォーク、イブスウィッチ、マートレスハム・ヒース、ウェ ストランド　３３

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. （１）それぞれイオンの基底状態レベルより上であり通常自己終端レーザ変換を 形成する上部および下部レーザレベルを有するレーザイオンを含む媒体と、 上部および下部レーザレベルの間の反転分有を維持するために下部レーザレベル からのイオンを上昇させるのに適切な波長と強度の励起エネルギを供給するポン プ手段とを具備している光増幅器において、 励起エネルギの波長と強度は、励起状態吸収により基底状態レベルから第１のエ ネルギレベルヘおよび第１のエネルギレベルから第２のエネルギレベルヘの両方 のイオン励起を行うことにより基底状態レベルから上部レーザレベルへ上昇させ るのに適切であることを特徴とする光増幅器。
2. （２）媒体は光ファイバ導波体である請求項１記載の増幅器。
3. （３）導波体はフルオロジルコニウム酸塩ガラスでありドープ剤はＥｒ３＋であ る請求項２記載の増幅器。
4. （４）導波体は重量で約５００ｐｐｍのＥｒ３＋でドープしたＺＢＬＡＮファイ バである請求項３記載の増幅器。
5. （５）ポンプ波長が約８０１ｎｍである請求項３または４のいずれか１項記載の 増幅器。
6. （６）ポンプ手段が半導体レーザである請求項１乃至５のいずれか１項記載の増 幅器。
7. （７）それぞれイオンの基底レベルより上であり通常自己終端レーザ変換を形成 する上部および下部レーザレベルを有するレーザイオンを含む媒体を含む共振空 洞と、上部および下部のレーザレベルとの間の反転分布を維持するように下部レ ーザレベルからイオンを上昇させるために適切な波長と強度の励起エネルギを供 給するポンプ手段とを具備しているレーザにおいて、 励起エネルギの波長と強度は、励起状態吸収により基底状態レベルから第１のエ ネルギレベルヘ、および第１のエネルギレベルから第２のエネルギレベルヘの両 方のイオン励起を行うことにより基底状態レベルから上部レーザレベルへ上昇さ せるのに適切であることを特徴とするレーザ。
8. （８）媒体が光ファイバ導波体である請求項７記載のレーザ。
9. （９）導波体がフルオロジルコニウム酸塩ガラスでありドープ剤はＥｒ３＋であ る請求項８記載のレーザ。
10. （１０）導波体が重量で約５００ｐｐｍのＥｒ３＋でドープしたＺＢＬＡＮファ イバである請求項９記載のレーザ。
11. （１１）ポンプ波長が約８０１ｎｍである請求項９または１０のいずれか１項記 載のレーザ。
12. （１２）ポンプ手段が半導体レーザである請求項１乃至１１のいずれか１項記載 のレーザ。