JPH10135550A - ファイバ光学増幅器システムおよび光信号の増幅方法 - Google Patents

ファイバ光学増幅器システムおよび光信号の増幅方法

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JPH10135550A
JPH10135550A JP9204744A JP20474497A JPH10135550A JP H10135550 A JPH10135550 A JP H10135550A JP 9204744 A JP9204744 A JP 9204744A JP 20474497 A JP20474497 A JP 20474497A JP H10135550 A JPH10135550 A JP H10135550A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造を高度に簡潔化したファイバ光学増幅器
システムを提供する。 【解決手段】 ファイバ光学増幅器システムは、レージ
ングファイバと、レージングファイバをポンピングする
ポンプ光源と、波長に依存した結合効率を有する光結合
器とを備える。光結合器は増幅されるべき信号を伝送す
る信号用光ファイバポートと、ポンプ光を伝送するポン
プ光用光ファイバポートと、信号・ポンプ光兼用光ファ
イバポートとを含む。信号・ポンプ光兼用光ファイバポ
ートはレージングファイバの一端に光学的に結合されて
おり、増幅されるべき信号を光結合器とレージングファ
イバとの間で伝送させる一方で、レージングファイバ中
のレージング物質にポンプ光を伝送させてレージング物
質中で反転分布を起こさせる。これにより、信号がレー
ジングファイバを通過するときに誘導輻射により増幅さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】或る物質の特に巨視的なレベルでの能力
に基づく光学増幅器の概念はよく知られている。すなわ
ち、たとえば、ポンピング用光源と、直径数ミリメート
ル，長さ数センチメートルのネオジウム−イットリウム
・アルミニウム・ガーネット（ＮＤ：ＹＡＧ）単結晶ロ
ッドを円筒形の反射性空洞に置くことが知られている。
たとえば、光源とＮＤ：ＹＡＧロッドとがそれぞれ楕円
形の断面を有する空洞の２つの焦点に沿って延びるよう
に配置される。このような配置において、光源から放射
され、かつ空洞壁で反射された光はＮＤ：ＹＡＧロッド
に侵入するだろう。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の光を放射し、それ
によって、結晶中のネオジウムイオンが上位のレーザ準
位以上のエネルギ準位に反転されるように選択される。
反転後のネオジウムイオンのフォノン放出による初期緩
和により、上位のレーザ準位にイオンが分布する。この
準位から、イオンはＮＤ：ＹＡＧ物質特有の波長の光を
放射しながら、下位のレーザ準位に緩和する。都合の良
いことに、下位のレーザ準位はこのイオンの基底状態よ
り上にあるので、急速なフォノン放出緩和が下位のレー
ザ準位と基底状態との間で生じ、ポンピングされたイオ
ンによって上と下のレーザ準位の間の高い反転比ができ
る。
【０００２】レーザ技術でよく知られているように、分
布がこのように反転しているなら、ＮＤ：ＹＡＧは非常
に緩かな螢光、すなわち、コヒーレントでない光のラン
ダムな放射を行なう。この自然輻射は、しかしながら、
増幅用ロッドに対し極めて小さな効果しか与えない。な
ぜなら、反転状態におけるイオンの平均寿命は、ＮＤ：
ＹＡＧでは２３０マイクロ秒であるからである。
【０００３】もし、ＮＤ：ＹＡＧロッド中のネオジウム
イオンのいくつかが反転された後、レーザ周波数を持つ
光信号がロッド中を転送されたなら、光信号はネオジウ
ムイオンの緩和のトリガとなり、誘導輻射によるコヒー
レントな放出を生じさせる。これが転送される信号に付
加されて、この信号を増幅する。
【０００４】ＮＤ：ＹＡＧ結晶中のポンピング・イルミ
ネーションの吸収長（すなわち、イルミネーションの約
６５％が吸収されるまでにイルミネーションが横切らな
ければならない物質の長さ）は典型的には、２〜３ミリ
メートルの範囲内にある。したがって、前述のような横
方向ポンピング構造において用いられるＮＤ：ＹＡＧ結
晶は、少なくともこの大きさの直径を持っており、結晶
は空洞壁からの初期反射の間および結晶中を通過する間
にポンピング輻射のかなりの部分を吸収することができ
る。もし、結晶中のこの初期横断の間にポンピング・イ
ルミネーションが吸収されないならば、それは、空洞壁
により光源へと反射され、そこで再吸収されて光源に熱
を発生させ、増幅器の全体の効率を低下させることにな
るだろう。
【０００５】ファイバ光学システムにおいて、このよう
な増幅器が用いられた場合、光ファイバの直径とＮＤ：
ＹＡＧ結晶の直径とに大きな相違があるので、レンズの
ような光学部品を用いて光ファイバからの光をＮＤ：Ｙ
ＡＧロッドへ集中させ、かつＮＤ：ＹＡＧロッドからの
増幅された光信号を別のファイバへ集中させることが必
要であると考えられていた。このような光学系は注意深
い配列を必要とし、かつ振動，熱効果のような環境の変
化に対し敏感でなければならない。さらに加えて、光学
部品やＮＤ：ＹＡＧロッドの大きさが、増幅システムを
相対的に大きくし、したがって、ある種の応用に対して
は非現実的となる。さらに、ＮＤ：ＹＡＧロッドが相対
的に大きいことは、熱効果に起因するロッド内のビーム
の拡散を生じさせる。この結果、入力ファイバ光学素子
からの信号が、ロッド内の異なる通路を横切り、温度に
関連した特性は時間とともに変化して、この結果、ファ
イバは小さな受容角度内の光のみを受入れるという事実
により出力光は失われる。このようにして、ＮＤ：ＹＡ
Ｇロッド内のビームは拡散し、出力信号は制御不可能な
変化をする。さらに、ＮＤ：ＹＡＧロッドが大きいこと
により、ロッド中の高エネルギ密度を維持するために大
量の入力エネルギが必要になる。このような大きなポン
プパワーは高出力光源を必要とし、典型的には、空洞の
液体冷却により浪費される多量の熱を発生する。一方、
この種の増幅器は、たとえば通信分野などのような多く
の分野において有用であるが、増幅システムに対し厳し
い限定をもたらす用法は、再循環式ファイバ光学ジャイ
ロスコープである。このようなジャイロスコープにおい
ては、典型的には１キロメートルあるいはそれ以上の長
さの光ファイバはループ状に巻かれ、光信号はループ内
を双方向に再循環する。ループの運動によりジャイロス
コープの回転を測定するために用いられる、互いに反対
方向に伝播する光信号の間に位相差が生じる。１つの回
転で誘起される位相のずれが比較的小さく、かつ回転に
関する周期的な出力が得られるので、入力光をできるだ
け多くループ内を再循環させるのが都合が良い。１キロ
メートルの光ファイバを通過するときに、光信号は典型
的にはその強度の３０ないし５０％を失う。仮に、双方
向的に互いに反対の方向に伝播する光信号を増幅するこ
とができる増幅器が、ループと直列に配列され、かつ伝
搬損失に等しい利得を与えることができるなら、光信号
はループ内を何度も伝搬することができるであろう。
【０００６】不幸にも、相対的に大きな形状，相対的な
非能率による生ずる高出力設備，ビーム拡散効果および
先行技術のＮＤ：ＹＡＧロッド増幅器の冷却設備など
は、これらの増幅器を高精度のジャイロスコープに用い
ることに対し相対的に非現実的なものとしている。これ
らの要因は、もちろん、このような増幅器の他の分野、
たとえば通信網分野などにおける使用に対する制限とな
る。
【０００７】
【発明の概要】結晶ロッド増幅器に付随する欠点は、こ
の発明において軽減される。特に、この発明は、レーザ
発振する物質がドープされた結晶ファイバと、前記レー
ザ発振物質のレーザ周波数を有する信号源と、前記レー
ザ発振物質をポンピングするポンプ光源と、前記結晶性
ファイバに結合される光ファイバ端と、前記信号と前記
ポンプ光とを前記光ファイバへ結合させる手段とを備え
るファイバ光学増幅器システムである。
【０００８】好ましくは、結合手段は、光結合器、さら
に特定的には、単一モード光結合器を備える。光結合器
は好ましくは、エバネセント・フィールド結合を用い、
信号とポンプ光とに対し異なる結合係数を与える。好ま
しくは、光結合器は、波長に依存する結合効率を有し、
そこにおいて信号とポンプ光とは異なる波長を有するの
で、信号とポンプ光とに対し異なる結合効率を与える。
【０００９】好ましくは、結晶ファイバにドープする物
質は、前記物質がポンプ光によりポンピングされた時、
信号の周波数でレーザ遷移を行なう。さらに、信号とポ
ンプ光とは、好ましくは、第１および第２の入力光ファ
イバによりそれぞれ伝送され、ファイバ光結合器は第１
および第２の入力用光ファイバを並列させて、相互作用
領域を与える。この相互作用領域は、信号とポンプ光と
のうち一方の波長においてファイバの結合長の偶数倍で
あり、かつ信号とポンプ光とのうち他方の波長において
ファイバの結合長の奇数倍である有効結合長を有する。
【００１０】好ましくは、光ファイバは、ポンプ光波長
での結晶材料の吸収長より小さい直径を有する。
【００１１】この発明はさらに、光ファイバによって伝
送される光信号を適用する方法を含む。この方法は、光
信号とポンピング・イルミネーションとを単一の光ファ
イバで組合せるステップと、単一の光ファイバとポンピ
ング・イルミネーションによりポンピングされたとき、
光信号の周波数で誘導輻射を放出する物質でドープされ
た結晶ファイバとを結合させる端部とを含む。好ましく
は、組合せステップは、波長に依存しない結合効率をも
つ光結合器内での光信号とポンピング・イルミネーショ
ンとの増倍（multiplexing）するステップを備える。
【００１２】この発明は、端部がＮＤ：ＹＡＧ物質をポ
ンピングすることを許容する。したがって、サイド・ポ
ンピング配置においては不可欠なこの結晶に対する大き
な直径という必要条件を完全に避けることができる。Ｎ
Ｄ：ＹＡＧファイバは、したがって、先行技術の増幅器
ロッドと比較して直径が極めて小さくされる。なぜな
ら、ポンピング・イルミネーションはファイバの幅方向
に沿って吸収されるというより、むしろその長さ方向に
沿って吸収されるからである。このことにより、ＮＤ：
ＹＡＧ結晶の小さな直径内の高濃度のポンピングイルミ
ネーションと、増幅器構造に対するより高いポテンシャ
ル利得とがもたらされる。
【００１３】上述の議論に基づいて、端部でのポンピン
グを実行するために、ＮＤ：ＹＡＧ材料は、好ましく
は、小さな直径のファイバとして形成され、かつ増幅さ
れるべき信号を伝送する光ファイバと直列に設置される
ことは理解されるだろう。
【００１４】ＮＤ：ＹＡＧファイバと隣接して、光ファ
イバは、好ましくは、増倍光結合器を通過する。この増
倍結合器内で、１対の光ファイバは、好ましくは、注意
深く選択された相互作用長を有するように配置され、ポ
ンピング源の波長において高いファイバーファイバ間結
合効率を与えるが、増幅されるべき信号の波長において
は低い結合効率を与える。このことは、ポンピング・イ
ルミネーションを、信号を伝送する光ファイバ，したが
って、ＮＤ：ＹＡＧファイバ，に結合させることにな
る。しかし一方では、増幅されるべき光信号に対する損
失を実質的に消滅させる。なぜなら、この信号は光ファ
イバから増倍結合器によって結合されていないからであ
る。
【００１５】この発明においては、ポンピング・イルミ
ネーションは、光信号ファイバに結合されてＮＤ：ＹＡ
Ｇファイバの端部へ導かれるので、ＮＤ：ＹＡＧファイ
バの直径は、ポンピング波長における吸収長を越える必
要はない。なぜなら、ポンピング・イルミネーション
は、好ましくは、ＮＤ：ＹＡＧファイバの軸の垂直方向
よりもむしろその軸に沿った方向で有効に吸収されるか
らである。
【００１６】この配置を用いれば、様々な特性を持つそ
の信号と相互干渉し合うことなく、増幅用ＮＤ：ＹＡＧ
ファイバに連続してポンピング・イルミネーションが与
えられる。したがって、４個のポートを持つ結合器は、
好ましくは、増幅用ファイバにポンピング・イルミネー
ションを増倍して与えるために用いられるので、増幅用
ファイバの端部は、好ましくは、常に光学システム内の
光ファイバに、直接、信号を結合させるために用いられ
ることができる。その結果、ポンピング・イルミネーシ
ョンの印加と増幅されるべき信号との間の注意深い時間
合わせを行なう必要がない。
【００１７】ＮＤ：ＹＡＧ結晶中での均一かつ双方向的
な増幅を行なうために、ポンピング・イルミネーション
がＮＤ：ＹＡＧファイバの両端に配置される増倍結合器
により与えられて、このファイバの長さ方向に沿って対
称的な反転分布を与える。
【００１８】
【好ましい実施例の詳細な説明】この発明のファイバ光
学増幅器の動作を詳細に理解するためには、第１の光の
周波数を選択的に結合させ、第２の光の周波数は結合さ
せないようにファイバ光結合器を構成する方法を理解す
ることが必要である。装置を構成する方法同様、このよ
うな選択的結合器に必要とされる装置は、１９８２年１
１月４日出願のヨーロッパ特許出願連続番号８２３０５
８５１．６、１９８３年５月１８日に公開番号０．０７
９，１９６で公開された“能動ファイバ光増倍器”に開
示されている。この出願は、この発明の承継人に承継さ
れている。この装置の基本的特性およびその製造方法が
以下に述べられる。
【００１９】この発明においては、ファイバ光結合器を
用いる能動増倍器が用いられる。この結合器１０は、図
１ないし図４に示されており、単一モードファイバ光学
物質である２つのストランド１２a および１２b を含
む。ファイバストランド１２a，１２b は、示される実
施例においては、２ミクロンのコア半径と、１．４６の
コア屈折率および１．４５６のクラッドの屈折率を有す
る。ストランド１２a および１２b は、矩形のベースま
たはブロック１６a および１６b のそれぞれの光学的に
平らな相対する面１４a および１４b 内にそれぞれ形成
される縦方向の弓形の溝１３a および１３b に、それぞ
れマウントされる。溝１３a にマウントされるストラン
ド１２a を有するブロック１６a は、カプラの片側（カ
プラハーフ）１０a として参照され、かつ溝１３b にマ
ウントされるストランド１２b を有するブロック１６b
はカプラの片側１０b として参照される。
【００２０】ストランド１２a および１２b の各々は、
中心のコアと外側のクラッドとを有するようにドープさ
れた光ファイバを備える。ストランド１２a および１２
b は入手の容易な、中心のコアと外側のクラッドとを有
するようにドープされた石英グラスファイバを備えても
よい。ファイバ１２a および１２b の屈折率はできる限
り同一に近いようにされるべきである。また、ストラン
ド１２a および１２bは共に、用いられる光の周波数に
おいて単一のモードの伝送を行なえるように十分小さい
中心部のコアを含むべきである。したがって、これらの
ストランド１２a および１２b は典型的には、１０ミク
ロンあるいはそれ以下のオーダーのコア直径と、１２ミ
クロンのオーダーのクラッドの直径とを有する。開示さ
れる実施例においては、ストランド１２の直径とそれぞ
れのコアは誇張される。以下の説明からさらに詳細に理
解されるように、ファイバ１２b は増幅されるべき信号
を伝送するのに用いられるが、一方、ファイバ１２a は
ポンピング・イルミネーションをファイバ１２b に結合
させるために用いられる。このため、ファイバ１２b は
信号ファイバとして参照され、一方、ファイバ１２a は
ポンピング・ファイバとして参照される。
【００２１】弓形の溝１３a および１３b はファイバ１
２の直径に比べて非常に大きな曲率半径を有し、かつそ
こにマウントされたとき、ファイバ１２の溝１３の底面
壁に決められた通路に一致させることができるように、
ファイバの直径より少し大きい幅を有する。溝１３a お
よび１３b の深さは、ブロック１３a および１３b のそ
れぞれの中心での最小値からブロック１３a および１３
b のそれぞれの端部における最大値まで変化する。この
ことにより、ファイバ光学ストランド１２a および１２
b がそれぞれ溝１３a および１３b にマウントされたと
き徐々に中心に向って収束し、ブロック１６a ，１６b
の端部に向って発散することが都合良く行なうことがで
き、そのことにより、ファイバ１２の方向における、モ
ード摂動を介してのパワー損失をもたらす急峻な曲がり
や急激な変化をなくすことができる。示される実施例に
おいて、溝１３は断面が矩形として例示されるが、ファ
イバ１２を収容できるなら、たとえばＵ字形またはＶ字
形の断面のような他の適当な断面形状であっても代わり
に用いることができる。
【００２２】示される実施例において、ブロック１６の
中心においてストランド１２をマウントする溝１３の深
さは、ストランド１２の直径より小さいが、一方、ブロ
ック１６の端部においては溝１３の深さは好ましくは、
少なくともストランド１２の直径と同じ大きさを持つ。
ファイバ光学物質は、ストランド１２a および１２bの
各々からたとえば研磨などによって除去され、それぞれ
相対する表面１４a ，１４b と同一面上にある楕円形の
平らな表面１８a ，１８b を形成する。これらの表面１
８a ，１８b は、ここでは、ファイバ“対向表面”とし
て参照される。したがって、除去されるファイバ光学物
質の量は、ブロック１６の端部における０からブロック
１６の中心部における最大値へと徐々に増加する。ファ
イバ光学物質のこのような勾配のある除去により、ファ
イバのコアが徐々に収束，発散することができ、後方へ
の反射および光エネルギの過剰な損失を避けるのに都合
が良い。
【００２３】示される実施例においては、結合器の片側
１０a および１０b は同一であり、ブロック１６a およ
び１６b の相対する表面１４a および１４b を結合させ
て、その結果、ストランド１２a および１２b の対向表
面が相対する関係になるように組立てられる。
【００２４】屈折率整合オイルのような屈折率整合物質
（図示せず）は相対する表面１４の間に与えられる。こ
の物質は、クラッドの屈折率と近似的に等しい屈折率を
有し、かつ光学的に平らな表面１４が永久に互いにロッ
クされるのを防止する機能を有する。このオイルは、毛
細管作用を用いてブロック１４の間に与えられる。
【００２５】相互作用領域３２は、ストランド１２の接
合部に形成され、その領域において光はエバネセント・
フィールド結合によってストランド間を転送される。適
正なエバネセント・フィールド結合を補償するために、
ファイバ１２から除去される物質の量は注意深く監視さ
れて、ストランド１２のコア間の距離が予め定められた
“臨界ゾーン”内になければならないことが見出されて
いる。エバネセント・フィールドはクラッド内に延びる
が、それぞれのコアの外部では距離とともに急速に減少
する。したがって、各々のコアが実質的に相手方のエバ
ネセント・フィールド内に位置するように十分な量の物
質が除去されるべきである。もし、極めてわずかな物質
が除去されただけならば、コアは、十分に近接せず、導
かれたモードの所望の相互作用をエバネセント・フィー
ルドが生じさせることができなくなり、このとき、不十
分な結合が結果するであろう。逆に、もし除去された物
質の量が多すぎるならば、ファイバの伝搬特性は別のも
のになり、モード摂動による光エネルギの損失が生ず
る。しかしながら、ストランド１２のコア間の距離が臨
界ゾーン内にある場合は、それぞれのストランドは相手
方のストランドからエバネセント・フィールドエネルギ
の有意な部分を受けて、問題となるエネルギ損失を生ず
ることなく、良い結合が得られる。このエバネセント・
フィールドの相互作用による結合をエバネセント・フィ
ールド結合と称す。エバネセント・フィールドとは、光
ファイバのコア外部に漏れ出る電磁場を示す。臨界ゾー
ンは、図５において、参照番号３３で表わされる領域を
含むように概略的に例示される。領域３３において、フ
ァイバ１２a および１２b のそれぞれに対し参照番号３
４a および３４b で表わされるエバネセント・フィール
ドが十分な強さで重なり合って結合を与える。すなわ
ち、この領域において、それぞれのコアは相手側のエバ
ネセント・フィールド内に位置する。
【００２６】ブロックあるいはベース１２は任意の適当
な剛性物質で作成される。１つの示される好ましい実施
例においては、ベース１２は、一般に、長さ約１イン
チ，幅約１インチ，厚さ約０．４インチの溶融石英ガラ
スからなる矩形ブロックを備える。この場合の実施例に
おいて、ファイバ光学ストランド１２はたとえばエポキ
シ接着剤のような適当な接合材３８により溝１３内に固
定される。溶融石英ブロック１６の１つの利点は、グラ
スファイバの熱膨張係数と類似した熱膨張係数を有する
ことである。ブロック１６とファイバ１２とが製造工程
において何らかの熱処理を受ける場合、この利点は特に
重要となる。溶融石英ブロックの他の利点は、ブロック
が光ファイバと同一の物質で形成されているため、光フ
ァイバと同じ速さで研磨されるので、研磨の間ファイバ
を連続して支えることができることである。ブロック１
６に対する他の適当な物質には、この応用においてすば
らしい熱特性を持つシリコンが含まれる。
【００２７】〔結合器１０の動作〕結合器１０は、図１
において、Ａ，Ｂ，ＣおよびＤで示される４つのポート
を含む。図１の全体から見られるように、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
が結合器１０の左側にあり、一方、ストランド１２Ａお
よび１２b にそれぞれ対応するポートＢおよびＤが結合
器１０の右側にある。議論の便宜上、入力光はポートＡ
に与えられると仮定する。この光は結合器を通過してポ
ートＢおよび／またはポートＤで、ストランド１２の間
で結合されるパワーの量に依存した出力となる。これに
関連して、“結合定数”という用語を全出力パワーに対
する結合されたパワーの比として定義する。上述の例に
おいては、結合定数は、ポートＢおよびＤにおける出力
パワーの合計に対するポートＤに対するパワーの比に等
しい。この比はまた、“結合効率”として引用され、こ
のように用いられたときは典型的にはパーセントで表わ
される。したがって、“結合定数”なる用語が本明細書
で用いられる場合、それに対応する結合効率は、結合定
数の１００倍に等しいことは理解されるべきである。こ
れに関連して、いくつかの試験は結合器１０が１００％
までの結合効率を有することを示している。しかしなが
ら、結合器１０は、結合効率が０から最大値までの間の
任意の所望の値になるように“調整”されることが見ら
れるだろう。このような調整は、たとえば、ファイバを
その長さ方向に対し垂直方向に相対的に横方向にスライ
ドさせることによって行なわれる。ファイバの相対的な
位置は、それらのオフセット、すなわち、表面１４に沿
ってそれらの長さ方向に垂直な方向に測定されたファイ
バのコアの中心軸間の距離を用いて定義される。したが
って、楕円形の表面１８が重ね合わされたときオフセッ
トは０であり、また、オフセットは、ファイバ１２が相
対的にブロック１６をスライドすることによって横方向
に離されるに従い増加する。
【００２８】結合器１０は強い方向性を有するので、結
合器の一方側に与えられるパワーのすべては実質的に結
合器の他方側に伝送される。結合器の方向性は、ポート
Ａに入力が与えられた場合、ポートＣにおけるパワーに
対するポートＤにおけるパワーの比として定義される。
方向的に結合されたパワー（ポートＤにおける）は逆方
向的に結合されたパワー（ポートＣにおける）よりも６
０db以上大きいことが試験により示されている。さら
に、結合器の方向性は対称的である。すなわち、結合器
は入出力がどちらの側で行なわれるかに関係なく、同一
の特性をもって動作する。またさらに、結合器１０は非
常に低いスループット損失をもって上述の結果を実行し
ている。スループット損失は入力パワー（ポートＡ）に
対する全出力パワー（ポートＢおよびＤ）の比を１から
引いたもの（すなわち、１−（ＰB＋ＰD ）／ＰA ）と
定義される。通常０．５dbのスループット損失である
が、実験結果によれば、０．２dbのスループット損失が
得られていることが示される。さらに、これらの試験に
よれば、結合器１０は、与えられる入力光の偏光と実質
的に無関係に動作することが示される。ストランド１２
の導かれたモードは、それらのエバネセント・フィール
ドを介して相互作用し、光がストランド１２の間を転送
されるというエバネセントフィールド法則に基づいて結
合器１０は動作している。既に示されているように、こ
の場合の光の転送は相互作用領域３２で生ずる。転送さ
れる光の量は、相互作用領域３２の有効長同様、コアの
近さおよび方向に依存する。以下に、詳細に示されるよ
うに、転送される光の量は、またその光の波長にも依存
する。逆に、相互作用領域３２の長さは、ファイバ１２
の曲率半径に依存し、かつ相互作用領域３２の有効長は
実質的にコア間の距離に無関係であることは示されてい
るが、極限においては、コア間距離にも依存する。しか
しながら、“結合長”、すなわち、光信号を一方のファ
イバ１２から他方のファイバへ単一にかつ完全に転送す
るために必要とされる相互作用領域３２内の長さは、波
長同様コア間の距離の関数でもある。模範的な実施例に
おいては、エッジからエッジへのコア間の距離が約１．
４ミクロンであり、かつ曲率半径が２５センチメートル
のオーダである場合、有効相互作用領域は、光信号の波
長が６３３nmであるとき、長さ約１ミリメートルであ
る。６３３nmにおける結合長は、このような結合器にお
いて１ミリメートルであるので、光は相互作用領域を通
過するとき、ストランド１２の間でただ１つの転送を行
なわれるだけである。しかしながら、相互作用領域３２
の長さが増大したとき、あるいは、コア間の距離が減少
したとき、本明細書において“過剰結合”と呼ばれる減
少が生じる。なぜなら、結合長は、有効相互作用長より
短いからである。これらの環境の下では、光は、それが
発生されたストランドへと送り返される。相互作用長が
さらに増大されるに従い、および／またはコア間の距離
がさらに減少するに従い、有効相互作用長は結合長に比
例して増大し、かつ少なくとも光の一部は他方のストラ
ンドに送り返される。したがって、光は領域３２を通過
する際、ストランド１２の間で前方と後方とへの多重転
送される。このような転送の数は相互作用領域３２の長
さ，光の波長（以下に述べられる）およびコア間の距離
に依存する。
【００２９】単一モードファイバ結合器における結合長
は、上述のように、信号長に強い依存性を示すので、上
で援用された同時継続中の出願おいて詳細に述べられて
いるように、結合器１０に対し幾何学的パラメータを適
正に選ぶことによって一方の信号波長を完全に結合さ
せ、かつ他方の信号波長を実質的に非結合とすることは
可能である。この現象により、結合器１０の一方側にあ
るポートに与えられた２つの信号を結合させることがで
きる。したがって、図１に示されるように波長λ 1 のポ
ンピング信号が結合器１０のポートＡに与えられ、かつ
信号波長λ2 の増幅されるべき信号がポートＣに結合さ
れ、さらに幾何学的なパラメータが適正に選択されるな
らば、２つの信号は、ポートＢにおいて実質的に全く光
を出力することなく、ポートＤにおいて組合せられるこ
とができる。
【００３０】この波長依存性を例示するために、図６は
特定の結合器の幾何学的形状に対し、可視および赤外の
スペクトルにおける結合されたパワーと信号波長との関
係を示す。この結合器の形状においては、結合器の有効
相互作用長は、波長７２０nmに対する結合長の奇数倍で
あるが、波長５５０nmに対する結合長の偶数倍であるの
で、波長７２０nmは１００％結合されるが、波長５５０
nmは事実上非結合となる。効率が異なるので、波長が異
なれば結合されたり分離されたりする。たとえば、５９
０nmと６５０nmは８０％の効率で分離されるかまたは結
合される。任意の対の波長（λ1 , λ2 ）は、有効相互
作用長が一方の波長に対する結合長の偶数倍であり、か
つ他方の波長に対しては奇数倍である限り、事実上効率
良く結合されるかまたは分離される。有効相互作用長内
の結合長の数が増加するにつれ、増倍器の分解能は増大
する。援用された参照文献において詳細に述べられてい
るように、増倍器の分解能は、ファイバ１２a ，１２b
の曲率半径が増加することによって増大する。結合器の
相互作用長が十分大きいとすると、波長がどのように近
接していようとも、事実上任意の２つの信号は正確に混
合されるかまたは分離されるだろう。
【００３１】相互作用長は波長の関数であり、また分解
能は近似的に（Ｒ）-1/2に比例する。Ｒが増加するにつ
れ、有効相互作用長は増加し、結合長のより大きな倍数
となり、分解能が改善される。この結果は図７に例示さ
れており、曲率半径が２００センチメートルに増加して
いる点を除いて図６のグラフと対応するものである。期
待されるように、この半径の増加により、結合器の分解
能は、図６の例の半径２５センチメートルにおいてλ＝
６００nm近傍の約１７０nmから、半径２００センチメー
トルの場合における約６０nmに改善される。
【００３２】増倍結合器の分解能は２つの独立パラメー
タ，Ｈ（ファイバ間の距離）およびＲ（ファイバの曲率
半径）に依存している。或る与えられた１対の信号波長
に対し、まず興味ある波長に対し大きな波長依存性を示
すように適正に結合器に対しファイバ間の距離Ｈを選択
（Ｈの選択）し、次に、波長の差に等しい分解能を与え
るように曲率半径を選択（Ｒの選択）することによっ
て、効率的な混合が行なえる。
【００３３】結合器の分解能が分離されるべき波長に一
致するようにされた後、有効相互作用長が一方の波長の
結合長の偶数倍となり、かつ他方の波長の結合長の奇数
倍となるように、結合器を調整して正確に興味ある波長
に対する結合長を調節する。このことは、ファイバ１２
a ，１２b の軸に対し垂直な方向に互いにブロック１６
a ，１６b を滑らせてファイバをオフセットすることに
より行なわれる。このようなオフセットは、最小のファ
イバ間の距離Ｈを増大させ、かつファイバの有効曲率半
径を増大させる効果を持つ。必要とされるオフセットが
十分小さい場合には、増倍器の分解能を逆転することは
ない。このことは、ファイバのオフセットに伴なう有効
曲率半径の変化に比べて、大きな半径の結合器の分離距
離Ｈはファイバのオフセットとともに急激に変化すると
いう事実から生ずる。
【００３４】増倍結合器のこの調整性を例示するため
に、図８は、ファイバのオフセットの３つの順に大きく
なる値（０ミクロン，０．５ミクロン，１．０ミクロ
ン）に対して相対的な結合されたパワーと波長との関係
のプロットを与える。曲線は、オフセットが増大するに
つれ、波長の増加する方向に移動することが見られる。
しかし、一方では、振動周期（または分解能）は実質的
に変化していない。この特定的な例（Ｒ＝２００cm，Ｈ
＝４ミクロン）において、１ミクロンのオフセットが曲
線を約４５nm移動させている。
【００３５】〔増幅器の全体の動作〕今、図９を参照し
て、この発明による増幅器が、結合器１０の波長増倍特
性を用いてポンピング・イルミネーションを与えて、Ｎ
Ｄ：ＹＡＧファイバを活性化する方法について述べる。
【００３６】ポンピング・イルミネーション源４２は結
合器１０のファイバ１２a に結合されて、増倍結合器１
０のポートＡにポンピング・イルミネーションを与え
る。また、増幅されるべき信号は結合器１０のポートＣ
においてファイバ１２b の一方端に結合される。
【００３７】光源４２からのポンピング・イルミネーシ
ョンと増幅されるべき信号は、上述のように、結合器の
増倍作用を介して結合器１０のポートＤにおいて結合さ
れる。したがって、結合器１０は、光源４２の波長に対
し１００％の結合効率を有し、かつポートＣへの信号入
力の波長に対し０％の結合効率を有するように調節され
る。この１対の信号波長は、以下に述べられる方法でフ
ァイバ１２b に結合されるＮＤ：ＹＡＧ結晶４４（レー
ジングファイバ）へ与えられる。ポートＣにおける信号
入力は、ＮＤ：ＹＡＧ結晶４４内で増幅され、増幅され
た信号は、光ファイバシステム内での伝送のために、こ
の結晶４４から光ファイバ４６へ結合される。ＮＤ：Ｙ
ＡＧ結晶４４の直径は、先行技術の増幅器に用いられて
いるＮＤ：ＹＡＧロッドの直径と比べて極めて小さい。
たとえば、結晶４４の直径が１００ミクロンであるよう
な増幅器が作成されていた。単一モードファイバ１２b
の直径に近いような、さらに小さな直径も可能である。
ファイバ１２b と結晶４４との間の結合は、結晶４４の
直径が減少し、信号利得が増大するにつれ強化される。
なぜなら、結晶４４内における、光源４２からのポンピ
ング・イルミネーション密度は結晶４４の直径が減少す
るに従い増加するからである。
【００３８】〔ＮＤ：ＹＡＧの増幅動作〕図１０は３０
０゜ＫにおけるＮＤ：ＹＡＧ結晶４２の吸収スペクトル
を示す図である。図１０を参照すれば、ＮＤ：ＹＡＧ物
質は相対的に高い光学密度と短い吸収長とを選択された
波長において持つことがわかる。このため、吸収長がで
きるだけ短くなるようにポンピング・イルミネーション
源４２の波長を選択するのがよい。このことにより、Ｎ
Ｄ：ＹＡＧ結晶４４の非常に短い長さの中で、ポンピン
グ・イルミネーションが実質的に完全に吸収されること
が可能となる。図１０から見られるように、０．７５お
よび０．８１ミクロンの波長も比較的よく適している
が、０．５８ミクロンの波長がポンピング・イルミネー
ションに最も適している。
【００３９】図１１の（ａ）はＮＤ：ＹＡＧ結晶４４の
エネルギ準位を示す図である。図１１の（ａ）を参照す
れば、理解されるように、上述の吸収波長のポンプ光が
ＮＤ：ＹＡＧ結晶４４により吸収されたとき、ネオジウ
ムイオンが基底状態からポンプバンドへと励起される。
ポンプバンドからイオンはフォノン相互作用を介して上
位のレーザ準位へすばやく緩和する。この上位のレーザ
準位からネオジウムイオンは比較的緩かな螢光過程を経
て下位のレーザ準位へ移る。この後者の準位から基底状
態への最後の急速なフォノン緩和が生じる。図１１の
（ａ）に示されるタイプの４準位レーザシステムにおけ
る後者の急速な緩和は都合が良い。なぜなら、下位のレ
ーザ準位と基底状態との間の急速なフォノン緩和により
現実に空の下位のレーザ準位が形成されるからである。
この特徴は図１１の（ｂ）に示される。図１１の（ｂ）
は連続ポンピング中のＮＤ：ＹＡＧ結晶４４におけるポ
ンプバンド，上位のレーザ準位，下位のレーザ準位およ
び規定状態における分布密度を示す図である。上位のレ
ーザ準位と下位のレーザ準位との間の螢光の発生率は、
下位のレーザ準位と規定状態との間と同様、ポンプバン
ドと上位のレーザ準位との間のフォノン緩和と比べて比
較的緩かなので、上位のレーザ準位における分布密度は
下位のレーザ準位のそれよりも実質的に高くなり、高い
反転比が生じる。上位のレーザ準位におけるネオジウム
イオンの平均寿命は自然螢光までは、３００゜ＫのＮ
Ｄ：ＹＡＧ結晶中では約２３０マイクロ秒である。増幅
されるべき信号は、その波長がレーザ遷移波長、すなわ
ち、レーザ準位の上と下との間の緩和中にＮＤ：ＹＡＧ
イオンによって放出される光の波長（１．０６４ミクロ
ン）となるように選択される。結合器１０によりこの信
号が結晶４４へ与えられたときは、信号と同一周波数で
あり、かつコヒーレントなフォトンの誘導放出が引起こ
され、そのことにより信号が増幅される。したがって、
この周波数を持つ光の通過により、図１１の（ａ）の上
位のレーザ準位と下位のレーザ準位との間のフォトン放
出緩和が、増幅されるべき光信号と同位相で生じ、入力
光信号に対する有効利得が得られる。
【００４０】この発明の増幅器において得られる利得
は、ＮＤ：ＹＡＧ結晶４４中のネオジウムイオンの反転
粒子分布密度に依存する。最初、究極の反転分布はＹＡ
Ｇ物質４４それ自体の結晶により限定される。なぜな
ら、ＮＤ：ＹＡＧ物質中においては、いくつかのイット
リウム原子は、結晶格子中でネオジウム原子に置換えら
れるからである。１００個のイットリウム原子のうち高
々１個のイットリウム原子だけがＮＤ：ＹＡＧ物質の結
晶構造に歪を与えずにネオジウムイオンと置換えられ
る。
【００４１】この発明の増幅器に対し、小利得信号（g
0 ）の理論計算をg 0 ＝σΔＮの関係を用いて行なう。
ここでσは誘導放出断面積であって、ＮＤ：ＹＡＧに対
しては、８．８×１０-19 cm2 であり、ΔＮは反転粒子
分布密度であって次式で与えられる： ΔＮ＝（ＰP ／Ｖ）・（η1 η2 ｔSP／ｈν） ここで、ＰP は吸収されたポンプパワー、Ｖは結晶体積
であり、したがって、ＰP ／Ｖはファイバの単位体積あ
たりの吸収されたポンプパワーとなる。また、t S P は
自然輻射の寿命、すなわち、ネオジウムイオンの２３０
マイクロ秒の螢光緩和時間であり、η1 は図１０に示さ
れるように、ＮＤ：ＹＡＧの吸収線を持つポンプ出力ス
ペクトルの有効重なりであり、η2 は１．０６ミクロン
の螢光の量子効率、すなわち、０．６３であり、h νは
１個のポンプフォトンのエネルギに等しい。上述の関係
を用いれば、 ｇ0 ＝σ・（ＰP ／Ｖ）・（η1 η2 ｔSP／ｈν） となり、利得のポンプパワーへの依存性が得られる。Ｐ
P の値は吸収されたポンプパワーであり、かつ結晶４４
の長さが増加しても、必ずしも利得は増加しないことが
認識されるべきである。したがって、光源４２からのポ
ンピング輻射が、完全にＮＤ：ＹＡＧ結晶４４に結合さ
れ、結晶４４がほぼ完全にポンピング輻射を吸収するこ
とができるのに十分な距離を結晶４４内で移動する場合
には、この方程式におけるＰP の値は入力パワーレベル
に置換えられる。総利得を得るには、しかしながら、g
0 からＮＤ：ＹＡＧ結晶４４内の１．０６ミクロンにお
ける伝搬損失を引かなければならない。２キロメートル
あたり１００dbの損失は利得を１センチメートルあたり
０．００１dbだけ減少させる。したがって、結晶４４の
全長が比較的短く保たれ、一方で、入力ポンプパワーの
実質的にすべてを吸収するならば、増幅器内での伝搬損
失は低レベルに保たれる。
【００４２】〔増幅器の詳細な動作〕再び図９を参照し
て、結合器１０のポートＡにおいてファイバ１２a に結
合されるポンピング源４２は、結合器１０の増倍作用を
介してポンピング・イルミネーションをＮＤ：ＹＡＧ結
晶４４へ与える。ポンピング源４２は、たとえば、入手
が容易で、電流密度が約１０００amps／cm2 で動作し、
かつ輝度が５watt／sr．cm2 であるような長寿命ＬＥＤ
である。事実、約５０watt／sr．／cm2 のＬＥＤがいく
つか報告されている。単一モードファイバ１２a とこれ
らのＬＥＤとは形状が異なるので、ＬＥＤ光源の出力を
ファイバ１２a へ集中させるのにはレンズが有用であ
る。
【００４３】また、これとは別に、ポンプ源４２は、よ
り強くポンプパワーをファイバ１２a 、したがって、Ｎ
Ｄ：ＹＡＧ結晶４４へ集中させることができるレーザダ
イオードである。
【００４４】用いられるポンピング源４２のタイプに関
係なく、この光源４２からの輻射波長が、図１０に示さ
れるＮＤ：ＹＡＧ結晶４４の吸収スペクトルのピークと
一致するなら、システムの効率は増大する。発光ダイオ
ードは、適当にドーピングされて室温でのＮＤ：ＹＡＧ
物質の吸収スペクトルに極めてよく一致する０．８ミク
ロン域のスペクトルを放出するものが容易に入手でき
る。たとえば、容易に入手できるＧa ＡｌＡs ＬＥＤは
０．８ミクロン領域で強い輻射スペクトルを与える。同
様に、０．８〜０．８５ミクロン領域にわたってエネル
ギを放射するレーザダイオード構造が容易に入手でき
る。さらに、全体のポンピング効率を最大にするため
に、ポンプ波長はＮＤ：ＹＡＧの分光学によって許され
るものと同じくらいに信号波長に近づけるべきである。
【００４５】結晶４４であるＮＤ：ＹＡＧ物質のレーザ
発振周波数が１．０６ミクロンであることが思い出され
るだろう。増倍結合器１０はしたがって、この発明にお
いては、上述の例において０．８ミクロンであるポンピ
ング源４２の波長において、事実上完全な結合を与え、
かつ同一の例において１．０６ミクロンであるＮＤ：Ｙ
ＡＧ結晶４４のレーザ発振周波数域において実質的に結
合を与えないために用いるように作成される。
【００４６】この選択結合は、適正にファイバ間の距離
Ｈを選択して０．８ミクロンと１．０６ミクロンとの間
の波長域で強い波長依存性を与えることと、波長１．０
６と０．８ミクロンとの差すなわち０．２６ミクロンに
等しい分解能を与えるようなファイバ１２a ，１２b の
曲率半径を選択することとによって、上述の技法のとお
りに行なって実現される。カプラの分解能がこのように
して設定された後、結合器は前述のように調整されて、
結合長が波長０．８ミクロンおよび１．０６ミクロンに
対して調節される。その結果、有効相互作用長は、この
波長の対の一方に対する結合長の偶数倍となり、かつ他
方の波長に対しては結合長の奇数倍となる。図９に示さ
れる例において、ポンプ源４２の出力をファイバ１２b
に結合することが望まれるので、結合器に対する有効相
互作用長はポンプ源４２の波長、すなわち０．８ミクロ
ンに対する結合長の奇数倍であり、かつ信号波長１．０
６ミクロンに対して偶数倍となるように調節されるべき
である。この結果、ファイバ１２a からファイバ１２b
へと伝送されるポンプ源４２からのイルミネーションは
ほぼ完全に結合され、ファイバ１２b からファイバ１２
a への増幅されるべき信号はほとんど結合されない。も
ちろん、この場合の非結合は完全結合である場合の偶数
を意味し、したがって、たとえば、領域３２における有
効相互作用長が１．０６ミクロンでの結合長の２倍であ
るならば、増幅されるべき信号は、ファイバ１２b から
ファイバ１２a へのときと、ファイバ１２a からファイ
バ１２b へのときとの２度完全に結合される。このこと
は理解されるだろう。もし、この信号が図９の左側に示
されるポートＣにおいてカプラに与えられるなら、非結
合でポートＤから出ていく。しかしながら、ポートＤに
おいて、増幅されるべき信号はファイバ１２a からファ
イバ１２b へと完全に結合されるポンピング源４２から
の光と共存する。
【００４７】ポンピング源４２からの光は結合後、ファ
イバ１２b に沿って伝送されるので、このポンピング・
イルミネーションはＮＤ：ＹＡＧ結晶４４内のネオジウ
ムイオンを反転させる。したがって、ポートＣに与えら
れポートＤから非結合で出ていく信号は、結晶４４を通
過するときに前述の方法で増幅される。なぜなら、この
信号は、結晶４４のＮＤ：ＹＡＧ物質の自然レーザ緩和
を励起し、このレーザ緩和が、増幅されるべき信号とコ
ヒーレントな光を与えるからである。
【００４８】この発明の増幅器はそれゆえ、ポンプ源４
２からのポンピング・イルミネーションを、波長に依存
した結合によってＮＤ：ＹＡＧ結晶４４へ転送し、かつ
ファイバ１２b からファイバ１２a への増幅されるべき
信号の結合を禁止する便宜上の手段を提供する。この発
明において達せられた結果は、また、ポンピング・イル
ミネーション波長での結合効率が０％であり、かつ光信
号波長での結合効率が１００％である結合器を用いても
実現できる。この場合、ポンピング源は結合器１０のポ
ートＣに結合され、かつ増幅されるべき入力光信号がポ
ートＡに結合される。
【００４９】〔双方向的対称性〕増幅器を対称に双方向
的とするために、図１２に示されるように１対の増倍結
合器５０，５２とともに１対のポンプ源４２，４８が用
いられる。もし、このような双方向的対称性が必要でな
いならば、ポンプ源５０，５２のどちらかがＮＤ：ＹＡ
Ｇ結晶４４の一方端でイオンを反転させ、結晶４４中の
どちらか一方の方向に伝送される信号に利得を与えるこ
とは理解されるだろう。
【００５０】もし、ポンプ源４２，４８の一方だけが用
いられるならば、ＮＤ：ＹＡＧ結晶４４は均一には照射
されないことは認識されるべきである。したがって、ネ
オジウムイオンの反転粒子分布は、結晶４４の長さ方向
に均一に分布しなくなる。増幅器内のこの非均一または
非対称状態はファイバ５６に入力される信号に対するよ
りも、ファイバ５４に入力される信号に対し異なった利
得を与える（特定的には、これらの信号が同時に生じた
とき）ので、１対の光源４２，４８を用いることは利点
がある。
【００５１】ネオジウムイオンの非対称的反転分布を持
つファイバ結晶４４の異なる方向へ通過する信号に対す
る非類似の利得という現象は、次のようにして生ずる。
図１２の結晶４４において増幅されるべき信号が左から
右へ伝搬するとき、ＮＤ：ＹＡＧ結晶４４内の誘起され
たフォトンの放出を引起こすことは認識されるだろう。
このような引起こされた放出は、もちろん、結晶４４内
の反転分布粒子数を減少させる。たとえば、ジャイロス
コープにおいて、１対の波が同時に反対方向に結晶４４
を伝搬する場合、左端での信号入力は、図１２から見ら
れるように、右端の信号入力が結晶４４の左端に到達す
る前に左端に隣接する反転分布粒子をなくしてしまう。
ポンプ源４２のみが用いられている場合に起こるよう
に、結晶４４の左端での反転分布粒子数が右端における
それよりも多いならば、左側の信号入力はより大きく増
幅される。なぜなら、右端の入力である信号が高密度の
左端へ到達する前に、左側信号入力は反転分布粒子をな
くしてしまうからである。
【００５２】ポンピング源４２，４８により与えられる
ポンピングイルミネーションは、信号が増幅されるとき
生じる結晶４４内の欠乏した粒子を補うのに連続的に十
分でなければならないことは認識されるだろう。したが
って、たとえば、パルス信号がファイバを１キロメート
ルにわたって周回するジャイロスコープにおいては、反
対方向に伝搬する信号は、図１２に示される増幅器を約
５マイクロ秒毎に１回横切る。連続発振のポンプ源４
２，４８が用いられるなら、それらは十分な出力を与
え、５マイクロ秒の周期ごとに、信号が続いて通過する
度ごとに緩和したネオジウムイオン粒子の分布を反転さ
せて、緩和したと同じ数の粒子を再反転することができ
る。
【００５３】上述の説明から認識されるように、ファイ
バ間の距離と曲率半径とを適正に選択することにより、
ポンピング源４２，４８が結晶４４を照射して、その内
部のネオジウムイオンの分布を反転させることができる
結合器を得ることができる。結合器のパラメータを適正
に選択するならば、増幅されるべき信号は、ファイバ５
４，５６からは結合されないので、結晶４４を横切り、
増幅されるべき信号とコヒーレントな光を与える結晶４
４内のネオジウムイオンの誘導緩和により増幅される。
【００５４】〔信号挿入〕図１３を参照する。図１３に
おいて、１対の結合器５８，６０の増倍特性が用いられ
て、ポンピング源４２がＮＤ：ＹＡＧ結晶を照射し、ま
た、信号が再循環ファイバ光学システムへ注入されるこ
とが可能となる。この場合、たとえば、ファイバ端部６
２，６４は再循環ループの一部であることと、また、こ
のシステムは結晶４４へのポンピング光を与えることに
加えて、この分布内を周回する信号を増幅するためにル
ープ内へ注入するための信号を与えなければならないと
いうことが仮定される。
【００５５】図１３に示されるシステムにおいて、結合
器５８は照光源４２からの光の波長を１００％の結合効
率で結合し、一方では、入力ファイバ６６における入力
信号を事実上非結合とするように配置される。このこと
により、光源４２からのポンピング光とファイバ６６か
らの入力信号とを含むファイバ領域６８において組合せ
信号が得られる。結合器６０の特性が上述の方法で適正
に選択され、かつ、この結合器６０が適正に調整される
ならば、結合器６０はポンピング源４２からの光波長を
１００％結合させるが、ファイバ領域６８からの信号入
力の波長の１％だけを結合するように配置されるだろ
う。したがって、ファイバ領域６６からの入力信号の１
％が再循環ファイバループに注入されて、初めに、結晶
４４を介して再循環のためにファイバ領域６４へと伝送
される。同時に、光源４２からのポンピング光の１００
％は結晶４４の端部へ注入され、再循環信号の増幅を与
える。
【００５６】この再循環信号がファイバ領域６２に現わ
れたとき、わずか信号の１％だけが結合器６０で損失さ
れ、この１％は再循環光を監視するためにセンサ７０へ
出力される。残りの９９％の再循環光信号はファイバル
ープ内での再増幅と再循環のために結合器６０から結晶
４４へ注入される。それゆえ、２つの結合器５８，６０
を用いるこのシステムにおいては、ファイバループ内を
周回する光の連続感知と、ループ内への信号注入と増幅
用結晶４４への連続ポンピングとが行なわれる。上で示
された結合効率は単なる模範的な一例であるが、結合器
６０の結合効率はループ内を伝搬する信号波長において
比較的低く保たれ、結晶４４において信号に加えられる
増幅よりも小さいごく一部が結合器６０によって再循環
信号から差引かれるようにすべきであることは認識され
るべきである。
【００５７】〔まとめ〕増倍結合器とＮＤ：ＹＡＧ増幅
用結晶との組合せにより、端部において増幅用結晶のポ
ンピングと同時にこのファイバの端部における信号注入
とが可能となり、ポンピング・イルミネーションは増幅
されるべき信号に対して注意深い時間合わせをされる必
要がない。対称的な双方向性増幅が可能となり、同一の
増倍結合器を用いて信号注入が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明において増倍器として用いられるファ
イバ光学結合器の断面構造図であり、それぞれのベース
上に与えられた曲率半径を持つ弓形の溝に各々マウント
された１対の光ファイバのストランドを示す図である。
【図２】図１の線２−２における結合器の断面図であ
る。
【図３】図１の線３−３における結合器の断面図であ
る。
【図４】図１の結合器の下側ベースの斜視図であり、そ
れに伴うファイバのマウント状態とファイバの楕円形の
対向面とを示すために他のベースから切離されている状
態を示す図である。
【図５】相互作用領域で重なり合う１対のファイバのエ
バネセント・フィールドを示す概略図である。
【図６】最小のファイバ間距離が４ミクロン，オフセッ
トが０ミクロン，ファイバの曲率半径が２５センチメー
トルであるファイバ結合器における相対的な結合された
パワーと信号波長との関係を示す図である。
【図７】ファイバの曲率半径が２００センチメートルで
あること以外は第６図と同一である場合の相対的な結合
されたパワーと信号波長との関係を示す図である。
【図８】最小のファイバ間の距離が４ミクロン、ファイ
バ半径が２００センチメートルであり、ファイバのオフ
セットが選択できるファイバ結合器における相対的な結
合されたパワーと信号波長との関係を示す図である。
【図９】この発明の方向性増幅器を示す概略図である。
【図１０】３００゜ＫにおけるＮＤ：ＹＡＧの吸収スペ
クトルを示す図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）はＮＤ：ＹＡＧなどのド
ーピング物質を用いる４準位レーザの単純化されたエネ
ルギ準位を示す図である。
【図１２】この発明に合致する対称的な双方向性増幅器
の概略図である。
【図１３】ファイバの閉ループにおける信号挿入および
信号感知を行なう増倍結合器を含む増幅器システムの概
略図である。
【符号の説明】
１０ ベース １２ 光ファイバ １８ 光ファイバの対向面 ３４ エバネセントフィールド ４２，４８，７０ ポンピング光源 ４４ 光増幅器 ５０，５２，５８，６０ 結合器
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成９年８月２９日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハーバート・ジョン・ショウ アメリカ合衆国、カリフォルニア州、スタ ンフォード、アルバラードゥ・ロウ、719 (72)発明者 ミシェル・ジェイ・エフ・ディゴネ アメリカ合衆国、カリフォルニア州、パ ロ・アルト、ハーバード・ストリート、 2307

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 信号源からの信号を増幅するファイバ光
    学増幅器システムであって、 増幅されるべき信号の周波数でレーザ遷移を生じるレー
    ジング物質がドープされた物質であるレージングファイ
    バを備え、前記レージングファイバはその端部で前記信
    号を受け取り、前記信号源からの前記信号は、前記レー
    ジング物質のレーザ発振周波数と実質的に同一の波長を
    有し、 前記ドープされた物質の一端に、前記信号の波長と異な
    る波長を有するポンプ光を入力して、前記レージング物
    質をポンピングしかつ前記ドープされた物質中に反転分
    布を起こさせる入力手段をさらに備え、これにより前記
    信号が前記レージングファイバを通過するときに誘導輻
    射により増幅される、ファイバ光学増幅器システム。
  2. 【請求項２】 前記入力手段は、前記信号の波長と前記
    ポンプ光の波長とで有意に相違する、波長に依存した結
    合効率を有する光結合器を含む、請求項１に記載のファ
    イバ光学増幅器システム。
  3. 【請求項３】 前記光結合器は、前記信号を伝送する信
    号用光ファイバポートと、前記ポンプ光を伝送するポン
    プ光用光ファイバポートと、前記信号および前記ポンプ
    光の両者を伝送する信号・ポンプ光兼用光ファイバポー
    トとを含み、前記信号・ポンプ光兼用光ファイバポート
    は、前記信号および前記ポンプ光が前記ドープされた物
    質の前記一端に入力されるよう前記レージングファイバ
    の一端に光学的に結合される、請求項２に記載のファイ
    バ光学増幅器システム。
  4. 【請求項４】 前記入力手段は、前記ポンプ光を与える
    ポンプ光源と、前記信号源と、前記レージングファイバ
    の前記一端と、前記光結合器のそれぞれのポートとを光
    学的に結合する光ファイバをさらに含む、請求項３に記
    載のファイバ光学増幅器システム。
  5. 【請求項５】 前記光ファイバの各々は単一モードの光
    ファイバを含む、請求項４に記載のファイバ光学増幅器
    システム。
  6. 【請求項６】 前記レージングファイバは前記単一モー
    ドの光ファイバの直径とほぼ同等の直径を有する、請求
    項５に記載のファイバ光学増幅器システム。
  7. 【請求項７】 前記レージングファイバは前記ポンプ光
    の波長における前記レージング物質の吸収長より小さい
    直径を有する、請求項１に記載のファイバ光学増幅器シ
    ステム。
  8. 【請求項８】 信号源からの信号を増幅する方法であっ
    て、 増幅されるべき信号の周波数でレーザ遷移を生じるレー
    ジング物質がドープされた物質であるレージングファイ
    バを与えるステップを備え、前記レージングファイバは
    その端部で前記信号を受け取り、前記信号源からの前記
    信号は、前記レージング物質のレーザ発振周波数と実質
    的に同一の波長を有し、 前記ドープされた物質の一端に、前記信号の波長と異な
    る波長を有するポンプ光を入力して、前記レージング物
    質をポンピングしかつ前記ドープされた物質中に反転分
    布を起こさせ、これにより前記信号が前記ドープされた
    物質を通過するときに誘導輻射により増幅されるように
    するステップをさらに備える、方法。
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