JPH0744303B2 - 光ファイバレーザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は全体的にいえば光源に関するものである。もつ
と詳細にいえば、光通信装置に使用するのにより適切な
改良されたレーザに関するものである。

光フアイバに沿つて伝送される光学領域の電磁波を使つ
て通信を行なう技術は、信頼性が高くかつコヒーレント
な光源と、低損失光フアイバと、適切な検出器とに関す
る過去25年にわたる研究、開発によつて、現在では十分
に確立されたものとなつている。この急速な進展のきつ
かけは、1958年のA.L.Schawlow and C.H.Townesによる
光メーザの提唱であり、そしてその後、1960年にT.H.Ma
imanによるルビーでレーザ作用を実現したという発表で
ある。コヒーレントな光源または準コヒーレントな光源
がえられた場合、適切な程度に低損失であるガラス光フ
アイバに沿つてレーザ光源からの光を効率よく伝送する
ことによつて、金属製のケーブルを用いての通信に比べ
て大きな利点をもつた通信装置のえられることがわかつ
た。この利点の中で最も大きな点は、通信によつて送る
ことができる情報の容量が画期的に大きいことである。
さらに、現在の装置は検出器のところでの信号電力レベ
ルに対し理論上のシヨツト雑音限界近くで動作してお
り、与えられた波長間隔内での情報容量がこの分野の設
備に対し問題になつているので、小形でかつ重量が大幅
に小さく、そして製造コストろ設置コストも安いこと
も、さらにこの進歩を推進する動機となつている。

光通信装置の情報容量が大きいということは、通信に使
用する周波数がどの周波数スペクトル領域にあつても、
１つの通信チヤンネルは同じバンド幅を必要とするため
である。すなわち、高周波数領域では、例えば、光の周
波数領域では、従来の低周波数領域での通信の場合に比
べて、はるかに多くのチヤンネルを配置することがで
き、したかつて、情報容量を非常に大きくできるという
潜在的能力を有している。けれども、この性能が経済的
に十分に活用できるためには、このような装置に用いる
ことができる光源は一定の要請を満たすものでなければ
ならない。

光源が通信装置に使用できるためにもつべき基本的特性
には、光源の発光スペクトルの波長、スペクトル線幅、
波長の安定性、出力強度、物理的な寸法、出力効率、寿
命、コヒーレンス、コストおよび変調可能性がある。

光源の発光スペクトルは、もし光源からの光エネルギを
有効に利用すべきであるならば、光フアイバの減衰特性
と分散特性と相補的でなければならない。光フアイバ導
波器の減衰特性は波長が変わると変わる。一般的にいえ
ば、波長が長くなると損失は減少する。0.8マイクロメ
ータから1.6マイクロメータの領域の損失の小さな注目
すべき領域である。このスペクトル領域の短波長端付近
でも、損失は十分に小さくて実用になるが、中継器の間
の距離をできるだけ大きくしたい場合には、1.2マイク
ロメータから1.6マイクロメータという比較的長波長の
スペクトル領域の方が好ましい。

光源のスペクトル線幅もまた考慮すべき重要な点であ
る。それは、フアイバ材料の屈折率が波長と共に変わる
からである。これは材料の屈折率分散として知られてい
る性質であるが、この性質のために、パルスは伝送中に
空間的に広がつてしまう。このパルスの広がりは、フア
イバのデータ送信速度性能を劣化させる。広いスペクト
ルをもつ光源は、狭いスペクトルをもつ光源よりも、こ
のパルスの広がりは重要な問題点となる。したがつて、
データ送信速度を大きくするためには、光源のスペクト
ル線幅ができるだけ小さいことが重要である。光源の発
光スペクトル特性が温度によつて変わるので、なぜこの
ような温度が生ずるかに注意を払うことが重要であり、
そして応用のさい必要ならば温度を適切に制御すること
が重要である。

波長分割多重化の場合には、光源の発光スペクトルの幅
をできるだけ小さくして、高密度の多重化をうることが
重要である。波長多重化の場合、スペクトル線幅とその
形状は隣接するチヤンネル間の漏話レベルに直接に影響
を与える。スペクトル線幅が数オングストロームの細い
発光スペクトルをもち、スペクトルが互いに重ならない
一組の光源は、あるスペクトル領域内で波長多重化のた
めに用いるのは効果的である。もしこれらの光源がそれ
らの発光スペクトルが互いに重ならないという条件を満
さない程線幅が大きいならば、選択フイルタを使用する
ことができる。

一般的には、光源の出力のスペクトルはフアイバによる
減衰が小さな領域内にあるべきであり、そして分散効果
を最小にするためにかつチヤンネル密度を最大にするた
めに、光源のスペクトルのバンド幅が小さいべきであ
る。

信号出力は大きいことが好ましい。それは、信号出力が
大きい場合には、より多くの減衰があつても、信号を検
出することができるからである。さらに、フアイバの直
径と開口数が与えられている時、フアイバに対し効率的
な結合がえられるように、出力エネルギが分布している
べきである。また別の観点からいうと、特別の場合を除
き、材料の線形限界を越える程出力が大きくあつてはな
らない。

光源の出力効率は、ポンピングのためにどの位の入力エ
ネルギが必要であるかを定める。このとき、放熱の要請
もまた考慮しなければならない。効率が小さいというこ
とは、与えられた光出力に対しより大きな入力エネルギ
が必要であることを意味する。このことは、離れた位置
にある装置に対し、エネルギをどのようにして供給する
かということが問題点になりうる。効率の小さな光源の
場合、熱が過大に発生するという問題点がある。この
時、このような過大な熱の発生がない場合には不必要で
あつた、放熱装置が必要となる。

信頼性は非常に重要である。特に、この光源が装置内の
一群の光源の中の一つとして使用されている時には重要
である。この場合、絶対的な寿命と、故障から次の故障
までの平均時間（MTBF,mean time between failures）
との両方が重要なパラメータである。それはこれらが、
装置全体の信頼性に直接に影響を与えるからである。実
際に用いられるほとんどの場合、絶対的な寿命は約100,
000時間であり、一方、装置に用いられる場合には、満
足できるMTBFの値は10,000時間かそれ以上の程度であ
る。

コヒーレンスは光源の性質であつて、この光源から出た
光波の異なる部分が相互に干渉できる能力を示す性質で
ある。コヒーレンスには２種類ある。すなわち、空間的
コヒーレンスと時間的コヒーレンスである。光波の時間
的コヒーレンスは、周波数スペクトルのスペクトル幅が
小さいことを反映し、かつ、光波の規則性の程度を反映
する。完全にコヒーレントな光は、周波数スペクトルに
おいて、１つの周波数の光波であることと、すなわち、
１つの単色光であることと同じである。一方、いくつか
の周波数成分を有する波、または短い波をランダムに重
ねた波は、インコヒーレントであると云われる。実際に
は、完全にコヒーレントな波をうることは極めて難し
い。最大のバンド幅はスペクトル幅に依存して変わるか
ら、装置の目的に適合する程度に、光源の時間的コヒー
レンスをできるだけ良くすることが重要である。

コストの要請は相対的なものであるが、高過ぎてはいけ
ない。それほ競合する装置と比べた場合、装置全体のコ
ストを過大なものにしてしまうからである。基本装置の
コストだけではなく、装置それ自体を動作させるのに必
要ないろいろな装置のコストも考慮に入れなくてはなら
ない。

光源によつてえられる搬送波は、他の搬送波の場合と同
じように、変調によつてそれに情報を乗せることができ
る。すなわち、搬送波の光学的性質が符号化方式に従つ
て変えられる。そして後で、この情報が適当な複合化技
術によつて、搬送波から取り出される。もし光源の出力
の時間的コヒーレンスが小さいならば、位相変調および
周波数変調をうることは困難であるが、アナログ形式お
よびデイジタル形式の強度変調は容易に行なうことがで
き、このことは広く行なわれている。

変調は内部的である。すなわち、光を発生する光源の内
部で行なうこともできるし、または外部的である、すな
わち、光源の外部で行なうこともできる。内部変調器で
ある場合には、半導体レーザのような搬送波光源の出力
は注入電流を変えると変えることができる。この注入電
流は、典型的な場合には、情報信号をそのまま電気信号
にしたものを表す。外部変調器の場合には、光源からの
光出力を入力として受け取り、そしてこの光源からの光
出力のある性質に変更を加え、そしてそれをフアイバ中
継線路に沿つて送り出す。

変調の速さは、駆動回路の速さと、光源の応答時定数と
または場合により外部変調器の応答時定数とのいずれか
によつて決定される。応答時間が速い程、処理できる信
号バンド幅が大きくなる。

前記要請を満たすいろいろな光源が当業者によつて開発
されてきた。これらの光源は細かい点でそれぞれ異つて
おり、またそれぞれ特徴を有しているが、いずれも動作
の基本的概念は共通である。

レーザ作用を行なう光源の場合、可視スペクトル領域お
よび赤外スペクトル領域におけるレーザ発振の条件はよ
くわかっている。発振の基本的な条件は、レーザ材料は
蛍光を出しうるものであること、そして蛍光発光を起こ
す２つのエネルギ準位の間で反転分布が生ずることであ
る。また、ポンピング用光源によつてポンピング作用が
可能であるために、ポンピング・エネルギを適切に吸収
することも必要である。さらに、レーザ作用が可能な材
料を含んだ共振器の中で、フイードバツクが適切に行な
われることも必要である。

1960年にMaimanによつて発表されたルビー・レーザはク
ロムを不純物として「ドープ」された単結晶酸化アルミ
ニウムである。それから現在までの間、不純物イオンを
含んだいくつかの結晶またはガラス材料が開発されてき
た。例えば、ネオジム・イオンまたは他の希土類イオン
でドープされたガラスである。

遠赤外領域から紫外領域にわたる範囲内に出力をもつ多
数のガス・レーザが製作されている。これらの中で重要
なものはヘリウム・ネオン、アルゴン、クリプトン、お
よび二酸化炭素や窒素分子（N₂）のようないくつかの分
子ガスなどのガス・レーザである。

固体半導体レーザもまたよく知られている。半導体レー
ザでは、Ｎ形領域とＰ形領域との界面を電子電流が流
れ、そして伝導電子バンドに過剰な電子がつくられる。
これらの過剰電子が価電子バンドまたはより低いエネル
ギ準位へ遷移するさいに、光を放射する。もし接合を横
切つて流れる電流が十分に大きいならば、価電子バンド
の端部にある電子よりも伝導電子バンドの端部にある電
子の方が多くなり、分布の反転が生ずる。

従来の基本レーザ材料と基本構造体の他に、光フアイバ
の形状をしたレーザは、例えば、米国特許第3,958,188
号および第4,044,315号に開示されている。これらのレ
ーザでは、レーザ作用材料はコアの中に入つている。

［発明が解決しようとする問題点］ レーザ技術の分野において多くの新規な考案がなされて
きたけれども、光フアイバ通信装置やその他の装置、ま
たはこれ以外のいろいろな応用に対し、より効率的に使
用できる改良されたレーザ構造体がなお要望されてい
る。したがつて、本発明の主な目的は改良されたレーザ
構造体をうることである。

本発明のこの他の目的は周波数と強度との両方を変調す
ることができる改良されたレーザ構造体をうることであ
る。

本発明のなお他の目的は、出力が単一の細いスペクトル
線である、または１つ１つが細いスペクトル線で構成さ
れたバンドである、安定なレーザをうることである。

本発明のなお他の目的は0.92マイクロメートル、1.06マ
イクロメートル、1.34マイクロメートル、1.54マイクロ
メートル、または2.0マイクロメートル、またはその前
後に小さな出力バンド幅を有する改良されたレーザ構造
体をうることである。

本発明のなお他の目的は、一部分はすぐに分かることで
あり、そして他の一部分は下記の説明により明らかにな
るであろう。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、全体的にいえば、光源に関するものである。
もつと詳細にいえば、大きなチヤンネル密度と大きなデ
ータ通信速度とが要求される光通信装置に適切に用いる
ことができる、改良されたレーザをうることである。

本発明のレーザは、単一モード光フアイバの形をした、
光利得共振器を有している。この共振器では、レーザ利
得材料はフアイバ・コアの中に含まれている。このレー
ザ利得材料としてはネオジム酸化物が好ましく、そして
フアイバ・コア材料の母体ガラス材料として珪酸塩ガラ
スが好ましい。燐酸塩ガラス、ケルマニウム酸塩ガラス
および珪酸塩ガラスとこれらの混合体もまた適切であ
る。

光フアイバ利得共振器のそれぞれの端部に、反射装置が
この光フアイバ利得共振器と一つの構造体を構成するよ
うにしてつくられる。これらの反射装置の動作により、
レーザ作用のためのフイードバツクがえられる。

１つの端部の反射装置はエタロンを有しており、そして
このエタロンは可変であつて、レーザ出力を強度変調ま
たは周波数変調することができる。このエタロンをそな
えた端部反射装置により、レーザ材料利得曲線と、ポン
ピング・エネルギ・レベルと、利得共振器長との組み合
わせで、その出力が単一の細いスペクトル線において適
切にレーザ発振する、またはそれ自身が小さなスペクト
ル線幅をもつた利得共振器の一群の共振線が小さな間隔
をもつて適切にレーザ発振する。

端部反射装置のいずれか一方または両方が電気光学装
置、または音響光学装置、またはピエゾ電気装置を有す
ることができ、それによりレーザ出力を同調する、また
は周波数変調することができる。これらの端部装置に導
電層が取り付けられていて、それに外部から電圧を加え
ることにより、これらの端部装置の特性を選択的に変え
ることができる。

適当な周波数のラジオ周波数信号がエタロン装置に加え
られ、共振器の損失が変調される時、レーザはモード・
ロツクされて、チヤンネル搬送波として使用するのに適
切な櫛の歯状の複数個の周波数の安定したスペクトル線
がえられる。さらに、これらのスペクトル線の位相が、
レーザの全長を光が往復するのに要する時間だけ隔てら
れた十分によく定められたパルスを与えるように調整さ
れる。

ポンピング・エネルギはレーザ・ダイオードから供給さ
れることが好ましい。そしてこの供給は大きな光学装置
によつてレーザ・コアの中へ端部結合によつて行なわれ
ることが好ましい。

［実施例］ 本発明の新奇な特徴は特許請求の範囲に開示されてい
る。けれども、本発明の構成および動作方法と、本発明
のその他の目的およびその他の利点は、下記の詳細な説
明と添付されている図面とにより最もよく理解されるで
あろう。添付図面において、同じ部品には同じ番号がつ
けられている。

本発明の光フアイバ・レーザは、もし複数個のスペクト
ル線がある場合、線幅が小さくかつ間隔の小さな複数個
のスペクトル線の出力を供給する性能を有し、安定性が
優れかつ同調可能である。また、本発明の光フアイバ・
レーザはその強度や、位相や、周波数や、またはこれら
を組み合わせたものを変調することが可能であり、か
つ、モード・ロツクを行なうことが可能である。これら
の性質はいずれも、チヤンネル密度が大きくかつデータ
送信容量の大きな通信装置において、極めて好ましい性
質である。

本発明のレーザの好ましい特性は機能素子と材料との組
み合わせによつてえられる。第１図は本発明によるレー
ザを示した図面であつて、その全体が10で示されてい
る。

レーザ10の主な構成部品は利得共振器である。この利得
共振器は単一モード光フアイバ12で構成され、そしてこ
の単一モード光フアイバ12はコア14とそれを取り囲んで
いるクラツド16とでつくられている。この光フアイバ12
の左端には可変エタロン装置18が取り付けられ、そして
この光フアイバの右端には同調および周波数変調装置20
が取り付けられている。これらの可変エタロン装置18と
同調および周波数変調装置20とはいずれも、光フアイバ
12と共に１つの構造体としてつくられている。同調と変
調は同じ端部で行なうことができる。レーザ・ダイオー
ド22のようなポンピング源からのエネルギは、24で全体
的に示された大きな光学装置によつて、フアイバ・コア
14の端部へ、同調および周波数変調装置20を通して送ら
れることが好ましい。また、ポンピング源との結合はフ
アイバ光学素子によつてうることもできるし、または直
接接触によつて結合をうることもできる。

レーザ光フアイバ共振器12は必要な出力線幅にわたつ
て、または出力線において、単一モードで伝送を行なう
ように構成され、それによりデータ伝送速度を小さくす
るモード分散の効果を消すことができる。フアイバ12が
単一モード伝送を行なうためには、よく知られた次の式 ２πa/λ（n₁ ²−n₂ ²）^1/2＜2.405 を満たすように、フアイバの寸法と用いられる材料のパ
ラメータが選定される。この式において、ａはコアの半
径であり、λは波長、n₁はコアの屈折率、n₂はクラツド
の屈折率であり、そして2.405は定数であつて、０次の
ベツセル関数の最初の根である。最も関心のある波長領
域は光フアイバの伝送損失が最も小さい赤外線の近傍の
領域であるから、コアの直径は数マイクロメートルの程
度であり、一方、クラツドの直径はもつと大きい方が便
利であり、例えば、80マイクロメートルから100マイク
ロメートルの程度であると好都合である。さらに、コア
14とクラツド16の形状は円形でないことも可能であり、
それでなお単一モード伝送であることが可能である。し
かし、形状が円形でない場合には、前記の式は近似的に
のみ正しく、したがつて、近似的に適用されるべきであ
る。

コア14が着目する１つの波長または複数個の波長だけを
確実に伝送するようにさせたい場合には、両端に可変エ
タロン装置18と同調および周波数変調装置20がそなえら
れて、実行長L_rをもつようにされる。これらの２つの装
置はレーザ10の利得共振器へのフイードバツクがえられ
るように構成され、それにより、これらの装置がそなえ
られなかつた時に単に鏡として動作するだけであるが、
これらをそなえることにより利得共振器の共振特性が変
わる。

レーザ10の出力は、その実効長L_rと、エタロン装置18の
反射特性と、同調および周波数変調装置20と、コア14を
つくつている材料の利得特性と、レーザ・ダイオード22
から供給されるポンピング・エネルギの大きさとによる
総合的な光学作用によつて定まる。

他の共振器の場合と同じように、実効長L_rはこの共振器
内に保持される共振周波数または共振波長を決定する。
すなわち、実効長L_rは半波長の整数Ｎ倍である。

ここで、λは自由空間における波長であり、n_eは共振モ
ードにおけるコア14の実効屈折率である。

共振器の隣接する共振モードの間の波長の差は、Ｎの値
を１だけ変えた時にえられる波長の差として求めること
ができる。この時、波長λの変化は小さいとすると、モ
ード間の波長間隔として次の式がえられる。

この式をみると、共振器の長さL_rが小さくなると、共振
モード間の波長間隔、すなわち、伝送可能なチヤンネル
間の波長間隔が大きくなることがわかる。

それぞれの共振波長のスペクトル線幅は、内部損失がな
くかつ反射率が同じであると仮定すると、次の式で与え
られる。

この方程式をみると、共振器の長さか大きくなると、そ
の共振波長のスペクトル線幅が小さくなることがわか
る。

実際には、単一モード光フアイバ12の長さは、装置18お
よび20の反射特性が真の実効長に影響を与えることを考
えて、要求された単一モードを含むモード群に共振する
ように、またはその近傍のモードに共振するように定め
られる。下記で説明されるように、これらのモード群に
対し特に装置18が影響を与えることができる。

このレーザの全長は、必要な時、１桁以上変えることが
できる。例えば、1.058マイクロメートルの出力を生じ
そして実効屈折率n_e＝1.5をもちかつ端部の反射率が約9
5％である長さ10センチメートルのレーザは、自由スペ
クトル領域が0.04オングストロームであり、そして小さ
な端部反射器損失に対するスペクトル線幅は0.0006オン
グストロームである。一方、同じ特性をもつ長さ１セン
チメートルのレーザは、共振幅の間隔が0.4オングスト
ロームであり、そしてスペクトル線幅は0.006オングス
トロームである。したがつて、本発明によるレーザの妥
当な長さが、例えば、数メートルから１ミリメートルの
範囲内にあるとすることができる。

可変エタロン装置18は平行で離れて配置された２つのフ
イルタ28および30を有する。この２つのフイルタの間の
距離はｄで、この空間には電気光学材料32が入つてい
る。この電気光学材料32は大きな電気光学係数をもつこ
とが好ましく、かつ、レーザ10の出力光として要求され
る波長の光に対して透明であることが好ましい。図面に
は示されていないが、この電気光学材料32のまわりに導
電性被覆体を配置することが好ましい。この導電性被覆
体に外部から電圧を加えることにより、この電気光学材
料32の光学的性質を容易に変えることができる。このこ
とにより、周知の方式に従って、各目上の距離ｄが変わ
り、そしてこの領域の光路長が変わり、それにより下記
で説明される効果がえられる。

フイルタ28および30は、電気光学材料32と共に、フアイ
バ12の光軸に垂直に配置され、そして要求されていない
波長の光がフアイバ・コア14に戻らないように２色性を
有している。このように構成された場合、波長がλ、厚
さがｄ、屈折率がｎで垂直入射に対する全体としての反
射率Ｒは次の式で与えられる。

ここで、φは に等しく、r₁はフイルタ28の反射率、r₂はフイルタ30の
反射率である。ここで、被覆体による表面での位相ずれ
は無視されている。この被覆体でフイルタ28および30が
つくられることが好ましい。

２つのフイルタ28および30の反射率が等しくてｒである
場合、前記式は次のようになる。

個々のフイルタ28および30の反射特性は周知の干渉フイ
ルタ被覆体によつてえられることが好ましい。

同調および周波数変調装置20は平行で離れて配置された
１対のフイルタ34および36を有している。これらのフイ
ルタはまた、光フアイバ・コア14の光軸に垂直に配置さ
れている。これらのフイルタの間の間隔は小さいが、そ
こにはまた電気光学材料38が入つている。これらのフイ
ルタはまた、下記の理由により、電界を選択的に加える
ための導電性被覆体をそなえていることが好ましい。こ
れらのフイルタ34および36はまた２色性を有しており、
入つてくるエネルギの方向において、ポンピング・エネ
ルギの波長の光に対してほとんど透明であるが、レーザ
10の出力動作波長の光に対しては大きな反射率をもつ。
このことにより、レーザ作用のために必要なフイードバ
ツクがえられる。

レーザ10の動作出力波長において、フイルタ28および30
の結合反射率に対する満足すべき値は85％でありそして
個別には50％であり、一方、フイルタ34に対する満足な
値は50％でありそしてフイルタ36に対する値は100％に
近い。

レーザの２つの端部装置18および20の製造を容易にする
ために、光フアイバ・レーザがガラス毛細管26の内側に
配置されて、所定の位置に固定される。この毛細管の端
部は光フアイバ12と一緒に研磨され、そしてそれから、
フイルタ装置18および20が周知の方式に従つてこの研磨
された端部に取り付けられる。このように、毛細管26は
これらの端部装置の製造を容易にすると共に、またレー
ザ10の取り扱いを容易にする装置としての役割りをも果
たす。このために、毛細管26の外径は数ミリメートルま
たはそれ以上であるようにつくられると便利である。

よく知られているように、反転分布にある原子媒体は、
その遷移スペクトル線幅内にある周知数をもつた電磁波
を増幅することができる。もしこのレーザ媒体が光共振
器の中に置かれるならば、電磁波は２つの反射器の間を
往復し、そして電磁波が反射器の間を１回進行する度に
エネルギが付加されて増大する。もしこの増大が鏡での
反射が100％でないことによる損失やレーザ媒体中での
散乱による損失を上回るならば、この共振器の内部に蓄
えられるエネルギは時間と共に増大することになる。利
得の飽和が起こるので、このことにより増幅定数は次第
に小さくなる。電磁波の１回の往復当りの飽和利得と損
失が丁度等しくなるまで、発振レベルは増大を続けるで
あろう。この利得と損失が等しくなつた時点で、１往復
当りの差引き正味の利得は１であり、それ以上電磁波の
強度が増大することはない。

レーザ10に対し、このことを数学的に表せば次のように
なる。

ここで、R₁₈はフイルタ28および30の結合反射率、R
₂₀は、フイルタ34および36の結合反射率、αはレーザ・
コア材料の吸収係数、βは利得定数である。

必要なレーザ作用をうるのにいろいろな材料を用いるこ
とができるが、レーザ作用媒体として好ましいものは、
フアイバ・コア14の基本材料である珪酸塩母体ガラスの
中にネオジム酸化物を入れたものである。クラツド材料
として珪酸塩が好ましいが、他の適切な材料を使うこと
もできる。Schott Glass Technologies社から市販され
ているカタログ番号LG660珪酸塩は、コア材料として適
切であることがわかつた。これは、ネオジム酸化物を1/
2重量％だけドープした珪酸塩ガラスである。この材料
の吸収スペクトルが第３図に示されており、一方、その
相対蛍光スペクトル、すなわち、相対発光スペクトルが
第４図に示されている。第４図にみるとわかるように、
蛍光出力スペクトル線のピークが1.058マイクロメート
ルの波長のところにある。これはレーザ10にとつて好ま
しい出力波長である。すぐにわかるように、この周波数
をうること、または、その近傍に小さなバンド幅の周波
数をうることが可能である。

第４図をみるとわかるように、コア材料の相対蛍光スペ
クトルのバンド幅は非常に大きい。これはガラス母体材
料の中に利得材料を入れたものの特性であり、そしてガ
ラスが非晶質構造であることの結果である。このことは
当業者にとつて不均一広がりと呼ばれている現象であつ
て、この現象が起こる原因の少なくとも一部分は、レー
ザ作用材料のそれぞれのイオンが母体材料の中で同じ環
境の下にないためである。したがつて、これらの材料に
よつてえられるピーク波長は大変好ましいものであるけ
れども、当業者にとつて、この材料の発光スペクトルの
スペクトル線幅が通信の目的のために最適であるスペク
トル線幅より大きいことがわかるであろう。そして、何
等かの手段によつて、この利得曲線の下にあるけれども
必要としないすべての可能な共振線を、このフアイバ共
振器の中で制御すればよいことがわかるであろう。この
ことは、前記で説明したように、エタロン端部装置18の
反射特性と利得曲線との積をポンピング・エネルギ・レ
ベルと一緒に考えて達成される。

レーザ・ダイオード22は、出力スペクトルが約0.8マイ
クロメートルにありそして発光線の波長間隔が300オン
グストローム以下に限定された、従来のガリウム・アル
ミニウム・ヒ素形のレーザ・ダイオードであることが好
ましい。このレーザ・ダイオードの出力レベルは、その
注入電流を制御することによつて、調節される。光学装
置24は、レーザ・ダイオード22の開口数と光フアイバ12
の開口数とを綿密に整合させるように、選定されること
が好ましい。光フアイバ12の開口数は、例えば、約0.3
である。したがつて、これらの部品は光フアイバ・コア
12の中にエネルギを制御可能に送り込むことができる装
置であり、この送り込まれたエネルギにより反転分布が
閾値以上になつて、共振器内でレーザ作用がえられる。
このようにして、レーザ周波数出力を制御するための１
つの要請が満される。第３図をみるとわかるように、レ
ーザ・ダイオード22のスペクトル線出力は、0.8マイク
ロメートルのすぐ上の領域において、この材料に対する
吸収バンドの１つのピークのところにある。

エタロン装置の反射特性が第５図に示されている。第５
図をみるとわかるように、特性は周期的であり、波長の
整数倍毎に繰り返されており、極大値の間の間隔は半波
長である。第５図の曲線は、与えられた各目上の間隔ｄ
に対する、反射特性を表す。もし間隔ｄが変わるなら
ば、第10図に示されているように、この反射特性が波長
の軸に沿つて移動する。

第６図は、端部装置18の厚さｄを変えた時、レーザ10の
出力がどのように変わるかを示した図面である。第６図
において、すべての波長に対する出力強度はある値I₀で
表わされているが、この値は端部装置18に１つの鏡だけ
がある時の値である。この出力I₀は、第６図に示されて
いるように、減衰正弦関数の形で変化し、その最大値は
厚さｄが厚さゼロから1/4波長だけ離れたところで起こ
る。したがつて、もし最大の出力を得たいと思うなら
ば、取りうる手段の１つは、厚さｄを1/4波長以上にす
ることである。けれども、光フアイバ・コアの出力は最
初は平面波面パターンをもつてガウス形分布をして進む
が、第７図に示されているように、さらに進むと平面波
面パターンが球面波面パターンに変わるので、もし装置
18から光フアイバ・コア14へ戻るフイートバツクを効率
よく行なわなければならないならば、厚さｄにある上限
のあることがわかるであろう。したがつて、光フアイバ
・コア14からの波面がほぼ平面であり、かつ、反射器30
の外側表面からの距離が1/4波長に近づかないように、
厚さｄを選定しなければならない。

エタロン装置18の反射性能は反転したフアブリ・ペロ特
性の形をしており、第８図に示されているように、その
１つの極大反射点が光フアイバ・コア材料の蛍光スペク
トルの発光線のピークと整合するように、設計パラメー
タが注意深く選定される。このバンド幅の中に光フアイ
バ・コア共振器の多数の共振次数点があるように、極大
反射点間の間隔、または、極小反射点間の間隔が選定さ
れる。光フアイバ・コア共振器の共振次数のうち、端部
装置18共振器フイルタの側波次数のものは、ポンピング
・エネルギがレーザ閾値を越えている時でも、完全に抑
制されることがわかつた。もし光フアイバ共振器がもつ
と短く製作されてその共振モード間の自由スペクトル領
域が大きいならば、共振する次数の総数をさらに減らし
て、単一の次数がえられる思われるまでにさえすること
が可能のはずである。もちろん、レーザ・ポンピング・
エネルギ・レベルが増加される時、光フアイバ・コアの
複数個の共振次数が励振されて存在するであろう。この
共振次数以外で、ピーク発光スペクトル線を中心とする
ピーク反射率領域の外側にある共振次数はレーザ発振か
ら除外されるであろう。

例えば、これらの基本材料を用いた場合、光フアイバ共
振器の長さが10センチメートルでエタロン装置18の厚さ
が約60ミクロンの時、約１オングストロームのバンド幅
内で200キロヘルツ以下のスペクトル線幅をもつた分離
したスペクトル線を励振することが可能であることがわ
かつた。何回も測定を行つたところ、隣接するスペクト
ル線の出力は極めて安定であることがわかつた。また、
光フアイバ共振線の全長を単に小さくすることによつて
共振次数の数を減らすことができ、前記のようにループ
になつたフアイバ・フイルタ付の場合または短い真直ぐ
なフアブリ・ペロ干渉計付の場合、そのバンド幅の中に
単一の共振次数だけを孤立させることも可能であること
がわかつた。または、共振器の長さを小さくすることに
よつて、前記のように、ただ１つの共振次数を励振する
ことも可能である。

長さが10センチメートルであるがエタロン端部装置18を
有していない共振器と比較した場合、出力バンド幅の大
きさは100オングストロームであつた。エタロンを付加
すると、バンド幅は２桁小さくなる。したがつて、この
材料でつくられたこの構造体で、バンド幅が極めて小さ
くそして共振次数の間の分離がよく、かつ、安定性の極
めてよい光源がえられる。

レーザ10の出力を強度変調することが必要な場合、第６
図に示された装置18のフイルタ特性を利用することがで
きる。第６図において、厚さｄを1/4波長だけ変える
と、極大点と極小点との間を移動することがわかる。し
たがつて、厚さｄを変えるための装置として用いること
ができる電気光学材料32を励振して、厚さｄを1/4波長
だけ変えることにより、レーザ出力の強度変調をうるこ
とができる。

第７図をみるとわかるように、厚さｄが変わるとエタロ
ン装置の反射率特性曲線は波長軸に沿つて移動する。し
たがつて、レーザが光を放射するレーザ材料利得曲線の
もとで、波長が変わる。したがつて、電気光学材料32を
励起することにより、レーザ10の出力において波長の変
化をうることができる。けれども、このことは波長を変
えるだけでなく、すでに説明したように、強度も変え
る。変調が小さいと、強度をあまり変えることなく、役
に立つ周波数変調を与えることができる。

周波数を単に変えることが要求されるならば、または特
定の波長にある出力に対しレーザ10を同調させることが
必要ならば、端部装置20を利用することができる。この
場合、電気光学材料38を励起することにより、光共振器
の実効全長が変わり、したがって、光共振器に対する
（前記で考察した）基本方程式に従つて、出力波長を選
定する手段としてこの電気光学材料の励起を利用するこ
とができる。したがって、端部装置20は、レーザの振幅
を乱すことなく、レーザを同調させる、またはその出力
を周波数変調する装置として使用することができる。こ
れらの特徴を強化するために、特定の波長において安定
性がさらにえられるように、電子フイートバツク装置を
そなえることができる。

前記で説明したように、フイルタ34および36の反射率特
性が第11図に概要図で示されている。ここで示されてい
る具体例では、レーザ・ポンピング装置から光フアイバ
・コア14に向つて進む光に対しては大きな透過率をも
ち、そしてコアの中の端部装置20に向つて進む光に対し
ては大きな反射率をもつている。フイルタ34の透過率は
50％であることが好ましく、一方、フイルタ36の透過率
はできるだけ大きいこと、すなわち、約100％であるこ
とが好ましい。

１往復共振器時間 に関連した周波数、すなわち、 の周波数でラジオ波周波数信号を電気光学材料32に加え
る時、共振器の損失が実効的に変調され、それにより、
レーザ10はモード・ロツクされる。これにより、許され
たモードに対し間隔をもつて分離されたモードのところ
に櫛の歯状の出力スペクトル線をうることができる。こ
のように動作させることにより、レーザ10によって小さ
な間隔の多数の搬送信号がえられ、したがつて、大きな
チヤンネル密度をうることができる。

前記考察において、光フアイバ共振器コアの実効全長は
近似的なものであることがわかるであろう。それは、実
効全長は端部装置18および20の効果によつて影響を受け
るからである。実際に、理論的な特性と実際の特性との
差は、これらの付加的効果を評価し、注意深く調べるこ
とによつて説明することができる。

このようにして、非常に小さなバンド幅をもつてレーザ
発振する光源がえられる。この小さなバンド幅は、与え
られたエタロンに対し、この合成共振器の実効長とポン
ピング・エネルギ・レベルとに依存して、少数個のモー
ドを含む。このポンピング・エネルギ・レベルが閾値の
すぐ上でそしてこの合成共振器の実効長が短い場合、た
だ１つのモードでまたはせいぜい数個のモードで共振さ
せることが可能である。この数個のモードで動作する場
合、従来のフイルタ技術によつて、１つのモードを抜き
出すことができる。

いずれの場合にも、これらの基本材料を用いそして１つ
の構造体として作製する結果、出力は極めて安定であ
り、かつ、そのバンド幅は小さい。

当業者は、本明細書に従つて、本発明を他の態様で実施
することも可能であるが、これらはすべて本発明の範囲
内に含まれる。例えば、1.54マイクロメートルの出力の
場合にはエルビウムでドープすることができ、2.0マイ
クロメートルのときにはホロニウムでドープすることが
でき、そして1.06マイクロメードルのときにはイツテル
ビウムをまた用いることができる。

［発明の効果］ 本発明により、光通信装置に適切に用いることができる
小形で製造の容易なレーザ光源がえられる。本発明のレ
ーザ光源は光ファイバの形を有しており、レーザ作用材
料がフアイバ・コアの中にドープされる。このフアイバ
両端にこのフアイバと１つの構造体をつくるように取り
付けられた反射装置の中の１つの装置または両方の装置
にエタロンが取り付けられ、それにより、スペクトル線
幅の小さな単一のスペクトル線を安定に発振する、また
は小さな間隔をもつた一群のスペクトル線を安定に発振
することができる。これらのエタロンの中に電界に応答
する材料をそなえることにより、そして外部からこの材
料に電界を加えることにより、レーザ出力の振幅変調や
周波数変調または同調を容易に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ装置の概要立面図、 第２図は第１図に示されたレーザ装置の一部分を拡大し
た概要立面図、 第３図は本発明のレーザに用いることができる与えられ
た厚さの材料の特性吸収スペクトルのグラフ、 第４図は第３図で示されたのと同じ材料に対する相対蛍
光スペクトルを波長の関数として示したグラフ、 第５図は本発明のレーザ装置の一部分に対し１つのパラ
メータが固定された時の波長に対する反射率の変化を示
した概要図、 第６図は本発明のレーザの出力がその構造体の一部分の
変位の関数としてどのように振幅でみたときに変わるか
を示したグラフ、 第７図は、第１図のレーザの一部を拡大した概要立面図
であつて、レーザ共振器から出た光波の波面の形状がフ
アイバ・レーザ・コアの端部からの距離の関数としてど
のように変わるかを示し、 第８図は本発明のレーザに用いることができる１つの材
料の相対蛍光強度を再び示したグラフであつて、このレ
ーザ構造体の一部分の反射特性がそれに重ねて示されて
おり、 第９図は第８図と同様な図面であって、第８図に重ねて
示されたのと同じ反射情報と共に、第１図のレーザから
えられる可能な線スペクトルも共に示され、 第10図は第１図のレーザ構造体の一部分の反射特性がこ
の構造体に用いられている反射器の間の距離の関数とし
てどのように変わるかを示したグラフ、 第11図は第１図のレーザの別の部分に用いられるフイル
タの反射率を示したグラフ。 ［符号の説明］ 10……レーザ共振器装置 12……単一モード光導波器 18……エタロン・フイルタ装置 20,34,36……２色性装置 28,30,34,36……反射装置 32,38……電気光学材料 22……ポンピング装置 14……コア 16……クラツド

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の屈折率を有するコアと該コアを取り
   囲み該コアより小さな屈折率を有するクラッドとを備え
   た所与長の単一モード光ファイバを有する利得共振器
   で、該コアが、少なくとも１つのピーク発光線がある広
   い帯域を少なくとも１つ有する蛍光スペクトルを持った
   レーザ利得材料をその中に組み込んだ母体ガラスを有す
   るものである利得共振器と、 前記利得共振器の一端に取り付けられ、前記ピーク発光
   線付近の所定の波長間隔以上の幅にわたって前記利得材
   料からの放射光を反射して前記利得共振器にフィードバ
   ックするフィルタ手段と、 前記利得共振器の光ファイバの他端に取り付けられたエ
   タロンフィルタ端部で、該エタロンフィルタ部が前記利
   得共振器からの放射光のいずれにも透明な所定長の透明
   材料で互いに分離された一対の平行なフィルタを備え、
   該平行フィルタの一方が前記コアと物理的に直接接触し
   かつコアの長軸に対して直交しもう一方が該レーザの放
   射端となり、前記透明材料の所定長が前記一対の平行フ
   ィルタの反射特性と相俟って前記エタロンフィルタ部が
   前記利得材料のピーク発光線を中心とするピーク反射率
   を有し該ピークの両側で反射率が徐々にゼロまで減少す
   る周期的共振特性を以て反射してファブリペロ共振器と
   して作用するようにし、前記エタロンフィルタ部と前記
   利得共振器の共振特性が互いに協働して前記ピーク発光
   線におけるレーザ動作を強化しかつ前記ピーク発光線付
   近を中心とする波長間隔を超えて広がることを防止する
   ように構成され、前記透明材料の所定長は前記エタロン
   フィルタ部が前記ファイバコアからの一連の波のエネル
   ギが実質的に平面のままであり前記エタロンフィルタ部
   が前記ファイバコアからの発散領域内にあって前記利得
   共振器へのフィードバックを強化できる距離より長くな
   いエタロンフィルタ端部と、 エネルギを前記利得共振器内にポンピングして前記利得
   材料の内部エネルギ・レベルを前記レーザが前記ピーク
   発光線付近を中心とする狭い波長間隔にわたる細いスペ
   クトル線だけを含む放射光を放射するようなレベルに持
   ち上げるエネルギポンピング手段とを備える光ファイバ
   レーザ。
2. 【請求項２】前記光ファイバと前記エタロンフィルタ部
   の透明材料の前記所定長は前記レーザがただ１つの発光
   スペクトル線を持つように選定された特許請求の範囲第
   １項記載の光ファイバレーザ。
3. 【請求項３】前記光ファイバの前記所定長が1mmから少
   なくとも1mの範囲にある特許請求の範囲第１項記載の光
   ファイバレーザ。
4. 【請求項４】前記光ファイバの前記所定長と前記エタロ
   ンフィルタ部の透明材料の前記所定長の比が１に対して
   100、000ないし１、000を含む範囲内にある特許請求の
   範囲第１項記載の光ファイバレーザ。
5. 【請求項５】前記レーザ利得材料がネオジム、エルビウ
   ム、ホルミウム、イッテルビウムおよびこれらの化合物
   の中から選定された特許請求の範囲第１項記載の光ファ
   イバレーザ。
6. 【請求項６】母体材料がケイ酸塩ガラスである特許請求
   の範囲第５項記載の光ファイバレーザ。
7. 【請求項７】前記クラッドがケイ酸塩ガラス、ゲルマニ
   ウム酸塩ガラスおよびこれらの組合せの中から選定され
   る特許請求の範囲第１項記載の光ファイバレーザ。
8. 【請求項８】前記エネルギポンピング手段がレーザダイ
   オードを備える特許請求の範囲第１項記載の光ファイバ
   レーザ。
9. 【請求項９】前記エタロンフィルタ部の前記フィルタの
   間に存在する前記材料が外部から加えられる電圧に応じ
   て前記エタロンフィルタ部の特性を変えるような電気光
   学材料を含む特許請求の範囲第１項記載の光ファイバレ
   ーザ。
10. 【請求項１０】前記エタロンフィルタ部の光路長が変え
    られる特許請求の範囲第９項記載の光ファイバレーザ。
11. 【請求項１１】前記エタロンフィルタ部が外部から加え
    られる電圧に応じて前記レーザの出力の振幅を変える特
    許請求の範囲第９項記載の光ファイバレーザ。
12. 【請求項１２】前記エタロンフィルタ部が外部から加え
    られる電圧に応じて前記レーザの出力の周波数を変える
    特許請求の範囲第11項記載の光ファイバレーザ。
13. 【請求項１３】前記エタロンフィルタ部の長さが前記レ
    ーザの最も短い出力波長の４分の１よりも大きい特許請
    求の範囲第１項記載の光ファイバレーザ。
14. 【請求項１４】前記利得共振器の前記一端に存在する前
    記フィルタ手段が可変であって前記レーザの周波数出力
    を変えることができかつ前記レーザを同調させることが
    できる特許請求の範囲第１項記載の光ファイバレーザ。