JPS59114883A - フアイバ光学装置および光信号増幅方法 - Google Patents
フアイバ光学装置および光信号増幅方法Info
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
この発明はファイバ光学増幅器に関するものである。ア
メリカ合衆国政府はこの発明に関し、アメリカ合衆国空
軍科学研究局によって付与された、認可番号Ａ’ＦＯ８
Ｒ−７’６−３０７０による権利を有している。
メリカ合衆国政府はこの発明に関し、アメリカ合衆国空
軍科学研究局によって付与された、認可番号Ａ’ＦＯ８
Ｒ−７’６−３０７０による権利を有している。
一定の物質のレーザ放射能力に基づき、特に、巨視的レ
ベルにおける光学増幅器の概念はよく知られている。こ
のように、たとえば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・ガーネット（ＮＤ
： ＹＡＧ）のロッドを数１１１ｍの直径かつ数Ｃｍの
長さで管状反射空洞内に配置することが知られている。
ベルにおける光学増幅器の概念はよく知られている。こ
のように、たとえば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・ガーネット（ＮＤ
： ＹＡＧ）のロッドを数１１１ｍの直径かつ数Ｃｍの
長さで管状反射空洞内に配置することが知られている。
たとえば、光源およびＮＤ ： ＹＡＧＯツドは各々、
楕円形状の断面を有づる空洞の２つの焦点に沿って延び
るように位置している。そのような配置において、光源
によって放出され、空洞壁から反射された光は、ＮＤ：
ＹＡＧロッドと衝突する。光源は好ましくは、結晶のネ
オジムイオンのエネルギ状態が上部レーザ放射レベル以
上のエネルギレベルに反転されるように、ＮＤ ： Ｙ
ＡＧ結晶の吸収スペクトルに相当する波長を放出するよ
うに選択される。反転後に、フォノン放射を介するネオ
ジムイオンの初期緩和は、上部エネルギレベルにおける
イオン分布を生じる。上部レーザ放射レベルから下部エ
ネルギレベルへ、イオンはＮＤ ： ＹＡＧ材料の特性
である波長の放１光をレーザ放射する。右利なことに、
この下部エネルギレベルは、イオンに対するアースレベ
ル以上であり、急速なフォノン放出緩和がこの下部エネ
ルギレベルとアースレベルとの間で発生し、ボンピング
されたイオン内にＪ３ける上部レーザ放射レベルとこの
下部エネルギレベルとの間で高反射率が存在し続けるこ
とを可能にする。
楕円形状の断面を有づる空洞の２つの焦点に沿って延び
るように位置している。そのような配置において、光源
によって放出され、空洞壁から反射された光は、ＮＤ：
ＹＡＧロッドと衝突する。光源は好ましくは、結晶のネ
オジムイオンのエネルギ状態が上部レーザ放射レベル以
上のエネルギレベルに反転されるように、ＮＤ ： Ｙ
ＡＧ結晶の吸収スペクトルに相当する波長を放出するよ
うに選択される。反転後に、フォノン放射を介するネオ
ジムイオンの初期緩和は、上部エネルギレベルにおける
イオン分布を生じる。上部レーザ放射レベルから下部エ
ネルギレベルへ、イオンはＮＤ ： ＹＡＧ材料の特性
である波長の放１光をレーザ放射する。右利なことに、
この下部エネルギレベルは、イオンに対するアースレベ
ル以上であり、急速なフォノン放出緩和がこの下部エネ
ルギレベルとアースレベルとの間で発生し、ボンピング
されたイオン内にＪ３ける上部レーザ放射レベルとこの
下部エネルギレベルとの間で高反射率が存在し続けるこ
とを可能にする。
レーザ技術からよく知られているように、そのように反
転された分布によって、ＮＤ：ＹＡＧはまた、非常にゆ
つ（つとしたけい光、すなわらコヒーレントでない光の
ランダム放出を提供する。
転された分布によって、ＮＤ：ＹＡＧはまた、非常にゆ
つ（つとしたけい光、すなわらコヒーレントでない光の
ランダム放出を提供する。
しかしながら、反転された状態におけるイオンの平均ス
ミ命は２３０マイクロ秒なので、この自然放射は増幅ロ
ッドに最小の影響を与える。
ミ命は２３０マイクロ秒なので、この自然放射は増幅ロ
ッドに最小の影響を与える。
もしも、ＮＤ：ＹＡＧロッドのネオジムイオンが反転さ
れた後に、レーザ放射周波数の光信号がロッドを介して
伝送されるならば、光信号はネオジムイオンのレーザ放
射遷移をトリガし、Ｍ導放則コヒーレント放出を引き起
こし、それは伝送された信号に効果的に加えられ、この
ようにこの信号を増幅する。
れた後に、レーザ放射周波数の光信号がロッドを介して
伝送されるならば、光信号はネオジムイオンのレーザ放
射遷移をトリガし、Ｍ導放則コヒーレント放出を引き起
こし、それは伝送された信号に効果的に加えられ、この
ようにこの信号を増幅する。
ＮＤ：ＹＡＧ結晶内のボンピング照射の吸収長（すなわ
ち、照射の６０％が吸収される前に照射がそれを介して
通過する物質の長さ）は、典型的には２および３ｍｍの
間の範囲にあり、このように、増幅構造において使用さ
れるＮＤ：ＹＡＧ結晶は、空洞壁からの初期反射中およ
び結晶を通過中にボンピング放射の実体部分を結晶が吸
収することができるように、少なくともこの大きさの直
径を有している。もしも、結晶を介するこの初期通過期
間中に、ボンピング照射が吸収されないならば、それは
空洞壁によって反射されて光源に戻され、そこで再吸収
され、光源で熱を発生し、そして増幅器の全体的な動帯
を減少させる。
ち、照射の６０％が吸収される前に照射がそれを介して
通過する物質の長さ）は、典型的には２および３ｍｍの
間の範囲にあり、このように、増幅構造において使用さ
れるＮＤ：ＹＡＧ結晶は、空洞壁からの初期反射中およ
び結晶を通過中にボンピング放射の実体部分を結晶が吸
収することができるように、少なくともこの大きさの直
径を有している。もしも、結晶を介するこの初期通過期
間中に、ボンピング照射が吸収されないならば、それは
空洞壁によって反射されて光源に戻され、そこで再吸収
され、光源で熱を発生し、そして増幅器の全体的な動帯
を減少させる。
そのような増幅器がファイバ光学システムに使用された
ときに、光学ファイバからの光をＮＤ：ＹＡＧロッドに
焦点合わせし、そしてＮＤ：ＹΔＧロッドからの増幅さ
れた光信号を使方のファイバに戻す、レンズのような光
学構成要素を使用することが必要であると考えられる。
ときに、光学ファイバからの光をＮＤ：ＹＡＧロッドに
焦点合わせし、そしてＮＤ：ＹΔＧロッドからの増幅さ
れた光信号を使方のファイバに戻す、レンズのような光
学構成要素を使用することが必要であると考えられる。
そのような光学システムは注意深いアライメントを必要
とし、そして振動や熱のような環境の変化の影響を受（
プやすい。さらに、光学構成要素およびＮＤ：ＹΔＧロ
ッドのサイズは、増幅システムを相対的に大きくし、そ
のため一定の応用に対しては非実用的である。さらに、
ＮＤ：ＹＡＧロッドの相対的に大きなサイズはロッド内
のビームのふらつきを引き起こす。このように、入力フ
ァイバ光学要素からの信号は、出力ファイバは小さな受
光角度内での光のみを受けるという事実のために出力光
が消失するように、温度に関連しかつ時間によって変化
する特性のロッドを介して異なる経路を通過する。この
ように、ＮＤ：ＹＡＧロッド内のビームがふらつくにつ
れて、出力信号は制御不可能な態様で変化する。さらに
、ＮＤ：ＹＡＧロッドの大きなサイズは、ロッド内の高
エネルギ密度を維持するために莫大な入力エネルギを必
要とづる。そのような大きなボンピングパワーは、典型
的には空洞の液体冷却によって消散される多量の熱を発
生する高出力ボンピング光源を必要とする。
とし、そして振動や熱のような環境の変化の影響を受（
プやすい。さらに、光学構成要素およびＮＤ：ＹΔＧロ
ッドのサイズは、増幅システムを相対的に大きくし、そ
のため一定の応用に対しては非実用的である。さらに、
ＮＤ：ＹＡＧロッドの相対的に大きなサイズはロッド内
のビームのふらつきを引き起こす。このように、入力フ
ァイバ光学要素からの信号は、出力ファイバは小さな受
光角度内での光のみを受けるという事実のために出力光
が消失するように、温度に関連しかつ時間によって変化
する特性のロッドを介して異なる経路を通過する。この
ように、ＮＤ：ＹＡＧロッド内のビームがふらつくにつ
れて、出力信号は制御不可能な態様で変化する。さらに
、ＮＤ：ＹＡＧロッドの大きなサイズは、ロッド内の高
エネルギ密度を維持するために莫大な入力エネルギを必
要とづる。そのような大きなボンピングパワーは、典型
的には空洞の液体冷却によって消散される多量の熱を発
生する高出力ボンピング光源を必要とする。
このタイプの増幅器がいくつかの通信応用のような多く
の応用において有用である一方で、再循環ファイバ光学
ジ、１フィロスコープにおける使用は、増幅システムに
厳密な制限を設けている。そのようなジャイロスコープ
において、光学ファイバは典型的には１ ｋｌｌｌまた
はそれ以上の長さでループ状に構成され、そして光信号
はループ内で典型的に双方向に再循環される。ループの
動きは、ジャイロスコープの回転を計測するのに使用さ
れる対向して伝播する光信号間の位相差を生じさせる。
の応用において有用である一方で、再循環ファイバ光学
ジ、１フィロスコープにおける使用は、増幅システムに
厳密な制限を設けている。そのようなジャイロスコープ
において、光学ファイバは典型的には１ ｋｌｌｌまた
はそれ以上の長さでループ状に構成され、そして光信号
はループ内で典型的に双方向に再循環される。ループの
動きは、ジャイロスコープの回転を計測するのに使用さ
れる対向して伝播する光信号間の位相差を生じさせる。
１回転につき起こる位相ずれは相対的に小さくかつ回転
に一関連する周期的な出力が必要なので、ループ内で入
力光をできるだけ多い回数で再循環させることが有利で
ある。
に一関連する周期的な出力が必要なので、ループ内で入
力光をできるだけ多い回数で再循環させることが有利で
ある。
１に１）の光学ファ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％を消失する。も
しも増幅器がループ内に直列に配置され、２ないし３ｄ
ｂの利得が与えられたならば、増幅器は双方向性の対向
して伝播する光信号を増幅することができれは、光信号
をループ内で何回も伝播させる。
典型的にはその強度の３０ないし５０％を消失する。も
しも増幅器がループ内に直列に配置され、２ないし３ｄ
ｂの利得が与えられたならば、増幅器は双方向性の対向
して伝播する光信号を増幅することができれは、光信号
をループ内で何回も伝播させる。
あいにく、上述のような先行技術のＮＤ：ＹＡＧロット
増幅器の相対的に大きなサイズ、相対的に効率の悪い性
能によって引き起こされる大電力の要求、ビームのふら
つきの影響、そして冷却の必要性は、そのような増幅器
を高度に正確なジャイロスコープにとっては比較的実用
性のないものにしている。これらの原因は、もちろん通
信回路網のような他の応用におけるそのような増幅器の
利用も制限する。
増幅器の相対的に大きなサイズ、相対的に効率の悪い性
能によって引き起こされる大電力の要求、ビームのふら
つきの影響、そして冷却の必要性は、そのような増幅器
を高度に正確なジャイロスコープにとっては比較的実用
性のないものにしている。これらの原因は、もちろん通
信回路網のような他の応用におけるそのような増幅器の
利用も制限する。
発明の概要
結晶ロンド増幅器に関するこれらの欠点はこの発明にお
いて軽減された。この発明はポンピング光源ファイバお
よびドープされた増幅媒体の双方を小さな直径の光学フ
ァイバにする。これらのファイバは、外被に極めて接近
してともに配置され、光学結合器を形成する。ポンピン
グファイバ、増幅器ファイバ、および外被の屈折率は、
ドープされたファイバを通過する増幅されるべき信号が
良好に案内される一方で、ポンピングファイバを通過す
る、ポンピングに使用される光がそのファイバ自体の中
を良好に案内されず、しかし結合器システム全体の内部
のみを案内するように選択される。この信号はポンピン
グファイバに結合されず、一方で、ポンピングファイバ
からドープされたファイバに結合するようにポンピング
信号は故意に不十分に案内されるので、結合器はこのよ
うにドープされたファイバを通過する信号の損失を制限
する。
いて軽減された。この発明はポンピング光源ファイバお
よびドープされた増幅媒体の双方を小さな直径の光学フ
ァイバにする。これらのファイバは、外被に極めて接近
してともに配置され、光学結合器を形成する。ポンピン
グファイバ、増幅器ファイバ、および外被の屈折率は、
ドープされたファイバを通過する増幅されるべき信号が
良好に案内される一方で、ポンピングファイバを通過す
る、ポンピングに使用される光がそのファイバ自体の中
を良好に案内されず、しかし結合器システム全体の内部
のみを案内するように選択される。この信号はポンピン
グファイバに結合されず、一方で、ポンピングファイバ
からドープされたファイバに結合するようにポンピング
信号は故意に不十分に案内されるので、結合器はこのよ
うにドープされたファイバを通過する信号の損失を制限
する。
好ましい実施例において、この結合特性は、第１の屈折
率を有するＮＤ：ＹＡＧのようなドープされたファイバ
と、第２の屈折率を有する水晶のようなポンピングファ
イバとを、双方のファイバを取り巻き第３の屈折率を有
する結合器本体内部において並列の関係に設けることに
Ｊ：って達成される。この結合器本体は、第４の屈折率
を有する空気または他の適当な物質によって順番に取り
囲まれる。
率を有するＮＤ：ＹＡＧのようなドープされたファイバ
と、第２の屈折率を有する水晶のようなポンピングファ
イバとを、双方のファイバを取り巻き第３の屈折率を有
する結合器本体内部において並列の関係に設けることに
Ｊ：って達成される。この結合器本体は、第４の屈折率
を有する空気または他の適当な物質によって順番に取り
囲まれる。
増幅されるべき信号を伝えるドープされたファイバの第
１の屈折率は、結合器本体の第３の屈折率よりも高く、
このように増幅されるべき信号はドープされたファイバ
内で案内される。ポンピング水晶ファイバの第２の屈折
率は、結合器本体の第３の屈折率よりも低く、そしてこ
のように水晶ファイバにおけるポンピング照射は水晶フ
ァイバによって案内されず、しかし結合器本体内で屈折
させられる。結合器本体の第３の屈折率は、結合器本体
を取り囲む物質あるいは空気の第４の屈折率よりも大き
く、これらの物質量のインターフェイスは、（ａ ）結
合器本体、（ｂ）水晶ポンピングファイバ、または（Ｃ
）案内されｌζ人ツノ信号に対する増幅器を形成するド
ープされたファイバのいずれかによる吸収に対するポン
ピング照射を案内する。もしも外被の直径がファイバの
直径よりもわずかに大きいならば、ポンピングファイバ
から屈折され１ｃポンピング照剣の重要な部分は、ＮＤ
： ＹＡＧ結晶ファイバに吸収され、それが伝送する
光学信号の増幅をもたらずＮＤ：ＹＡＧ結晶ファイバ内
における高エネルギ密度および高反転率をもたらす。
１の屈折率は、結合器本体の第３の屈折率よりも高く、
このように増幅されるべき信号はドープされたファイバ
内で案内される。ポンピング水晶ファイバの第２の屈折
率は、結合器本体の第３の屈折率よりも低く、そしてこ
のように水晶ファイバにおけるポンピング照射は水晶フ
ァイバによって案内されず、しかし結合器本体内で屈折
させられる。結合器本体の第３の屈折率は、結合器本体
を取り囲む物質あるいは空気の第４の屈折率よりも大き
く、これらの物質量のインターフェイスは、（ａ ）結
合器本体、（ｂ）水晶ポンピングファイバ、または（Ｃ
）案内されｌζ人ツノ信号に対する増幅器を形成するド
ープされたファイバのいずれかによる吸収に対するポン
ピング照射を案内する。もしも外被の直径がファイバの
直径よりもわずかに大きいならば、ポンピングファイバ
から屈折され１ｃポンピング照剣の重要な部分は、ＮＤ
： ＹＡＧ結晶ファイバに吸収され、それが伝送する
光学信号の増幅をもたらずＮＤ：ＹＡＧ結晶ファイバ内
における高エネルギ密度および高反転率をもたらす。
この発明の増幅器を双方向性にするために、すなわちド
ープされたファイバを介して反対方向に通過する信号に
等しい利得を導入づ“るために、反転弁イ１１がこのフ
ァイバの長さくこ沿って対称に分布されるように両端に
おいて水晶ボンピングファイバを照射（ボンピング）す
ることｈｌｙｒｌＩである。
ープされたファイバを介して反対方向に通過する信号に
等しい利得を導入づ“るために、反転弁イ１１がこのフ
ァイバの長さくこ沿って対称に分布されるように両端に
おいて水晶ボンピングファイバを照射（ボンピング）す
ることｈｌｙｒｌＩである。
もしもボンピングファイバが十分に長く製造されるなら
ば、ボンピングファイバの両端（こ与えられた実質的に
ずべてのボンピングパワー（（Ｌ、空洞村４造内におい
て吸収され、このパワーの実質１１＋９な］く−セント
は結合器内のドープされたフッイノ＼内で吸収される。
ば、ボンピングファイバの両端（こ与えられた実質的に
ずべてのボンピングパワー（（Ｌ、空洞村４造内におい
て吸収され、このパワーの実質１１＋９な］く−セント
は結合器内のドープされたフッイノ＼内で吸収される。
これに代わる実施例において、ボンピングファイバおよ
びドープされたファイノ＼（よ双方ともにクラッド型の
ファイバであり、そしてタラツデイングは、ブレーナ外
部クラツディング表面を１１９成するように各々のファ
イバの一側面上てＵＪＩ Ｉｆｆされる。
びドープされたファイノ＼（よ双方ともにクラッド型の
ファイバであり、そしてタラツデイングは、ブレーナ外
部クラツディング表面を１１９成するように各々のファ
イバの一側面上てＵＪＩ Ｉｆｆされる。
もしもブレーナ表面が並列に配置さｆし、結合器本体を
形成するならば、ファイバのクラップ゛イングは、結合
器本体内でボンピング光学信号を案内するのに必要な第
３の屈折率を形成する。さらに他の選択として、水晶お
よびＮＤ ： ＹＡＧのクラッド型でないファイバは、
もしも平行に配置されたならばボンピングパワーを案内
づる第３の屈折媒体として周囲の空気と必要な結合をす
るブレーナ表面を設けるために研磨される。
形成するならば、ファイバのクラップ゛イングは、結合
器本体内でボンピング光学信号を案内するのに必要な第
３の屈折率を形成する。さらに他の選択として、水晶お
よびＮＤ ： ＹＡＧのクラッド型でないファイバは、
もしも平行に配置されたならばボンピングパワーを案内
づる第３の屈折媒体として周囲の空気と必要な結合をす
るブレーナ表面を設けるために研磨される。
さらに他の選択された配置においで、この発明による複
数の増幅器は、発光ダイオードのような比較的小さな光
源が各々のそのような増幅器において増幅された信号に
小さな利得を与える♀に使用され、付加的な効果を介し
て全体的に必要とされる利得を与えるように、ＮＤ ：
ＹＡＧファイバ要素の長さに沿って配置される。この
実施例においてさえ、均一な双方向性増幅が達成される
ように各々のボンピングファイバの両端に発光ダイオー
ドを配置することが望ましい。
数の増幅器は、発光ダイオードのような比較的小さな光
源が各々のそのような増幅器において増幅された信号に
小さな利得を与える♀に使用され、付加的な効果を介し
て全体的に必要とされる利得を与えるように、ＮＤ ：
ＹＡＧファイバ要素の長さに沿って配置される。この
実施例においてさえ、均一な双方向性増幅が達成される
ように各々のボンピングファイバの両端に発光ダイオー
ドを配置することが望ましい。
この発明のこれらのそして他の長所は、図面を参照する
以下の説明によってより一層理解されるであろう。
以下の説明によってより一層理解されるであろう。
釘ましい実施例の詳 なｇ♂ｌ
まず第１図および第２図を参照すると、この発明の好ま
しい実施例はボンピングファイバ１２および信号ファイ
バ１４を含んでいる。ボンピングファイバ１２は典型的
にはほぼ２００ミクロンの直径を有し、典型的な形状の
水晶ファイバである。
しい実施例はボンピングファイバ１２および信号ファイ
バ１４を含んでいる。ボンピングファイバ１２は典型的
にはほぼ２００ミクロンの直径を有し、典型的な形状の
水晶ファイバである。
このファイバ１２は、はぼ２ｃｍの距離１６を介して信
号ファイバ１４に平行にかつ極めて接近して延ばされる
。信号ファイバ１４は、増幅されるべき周波数でレーザ
放射するイオンドープされた物質の単結晶である。第１
図において、そして以下の説明によって、増幅されるべ
き入力光信号は、信号ファイバ１４の第１の端部１８へ
の入力であり、ファイバ１４の第２の端部２０からの増
幅後の出力であることが推測される。しかしながら、通
信および回転センサの応用のような多くの応用において
、信号はファイバ１４の両端１８．２０における入力で
あり、そしてファイバ１４を介する伝播の方向にかかわ
らず均一に増幅されるということは認識されるべきであ
る。
号ファイバ１４に平行にかつ極めて接近して延ばされる
。信号ファイバ１４は、増幅されるべき周波数でレーザ
放射するイオンドープされた物質の単結晶である。第１
図において、そして以下の説明によって、増幅されるべ
き入力光信号は、信号ファイバ１４の第１の端部１８へ
の入力であり、ファイバ１４の第２の端部２０からの増
幅後の出力であることが推測される。しかしながら、通
信および回転センサの応用のような多くの応用において
、信号はファイバ１４の両端１８．２０における入力で
あり、そしてファイバ１４を介する伝播の方向にかかわ
らず均一に増幅されるということは認識されるべきであ
る。
この典型的な実施例におけるファイバ１４は１００ミク
ロンの直径を有している。ファイバ１ンおよび１４の平
行に延ばされた長さ１６を通じて、これらのファイバは
、以下に説明されるようにファイバ１４をボンピングす
るのに使用される照射のための導波管を提供する外被２
２内にカプセル封じされる。これらのファイバ１２．１
４の双方は、外被２２がタラッディングを提供する範囲
を除いて、クラッド型ではない。
ロンの直径を有している。ファイバ１ンおよび１４の平
行に延ばされた長さ１６を通じて、これらのファイバは
、以下に説明されるようにファイバ１４をボンピングす
るのに使用される照射のための導波管を提供する外被２
２内にカプセル封じされる。これらのファイバ１２．１
４の双方は、外被２２がタラッディングを提供する範囲
を除いて、クラッド型ではない。
ファイバ１４はＮＤ ： ＹＡＧ材料の単結晶として形
成される。１対の光源２４．２６はボンピングファイバ
１２の反対側の端部に結合され、そして、たとえば光エ
ネルギすなわちボンピング光を与工、ＮＤ：ＹＡＧ結晶
１４内でネオジムイオンを反転させ、増幅させるレーザ
光源である。
成される。１対の光源２４．２６はボンピングファイバ
１２の反対側の端部に結合され、そして、たとえば光エ
ネルギすなわちボンピング光を与工、ＮＤ：ＹＡＧ結晶
１４内でネオジムイオンを反転させ、増幅させるレーザ
光源である。
各々のファイバ１２．１４および外被２２は、ボンピン
グ光源２４．２６からの光の波長に対しては透過性であ
る。外被２２はこの周波数においテテきるだけ低い損失
特性を有することが好ましく、一方でＮＤ ： ＹＡＧ
ファイバ１４においてこの周波数の吸収長をできるだけ
短くすることが有利である。
グ光源２４．２６からの光の波長に対しては透過性であ
る。外被２２はこの周波数においテテきるだけ低い損失
特性を有することが好ましく、一方でＮＤ ： ＹＡＧ
ファイバ１４においてこの周波数の吸収長をできるだけ
短くすることが有利である。
ファイバ１２．１４および外被２２の屈折率は、信号フ
ァイバ１７１にその端部１８におりる信号入力を案内さ
せるように選択される。しかしながら、屈折率はまた、
ポンピング光源２４．２６からの光かファイバ１２から
外被２２に入り、そしてその後ファイバ１４に入り吸収
されるように選択される。このように、第２図の例に示
されているように、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４は１．８
に等しい屈折率Ｎ１を有している。一方で、水晶フッフ
ィバ１２は、１．５の屈折率Ｎ２を有している。外被２
２の屈折率Ｎ３は、１．５から１．８の間に選択され、
その結果Ｎ１＞Ｎｓ ＞Ｎ２となる。最後に、外被２２
を取り巻く屈折率Ｎ４は、外被２２の屈折率Ｎ３以下で
ある。第２図に示ザ例においで、第２のクラツディング
は外被２２を取り巻ぎ、外被２２にお（プる表面の不規
則さとそのために起こる散乱のために、外被２２と周囲
の空気との間のインターフェイスにおいて、さもなけれ
ば発生する損失を除去するということが理解されるべき
であるが、屈折率Ｎ４は空気によって形成される。
ァイバ１７１にその端部１８におりる信号入力を案内さ
せるように選択される。しかしながら、屈折率はまた、
ポンピング光源２４．２６からの光かファイバ１２から
外被２２に入り、そしてその後ファイバ１４に入り吸収
されるように選択される。このように、第２図の例に示
されているように、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４は１．８
に等しい屈折率Ｎ１を有している。一方で、水晶フッフ
ィバ１２は、１．５の屈折率Ｎ２を有している。外被２
２の屈折率Ｎ３は、１．５から１．８の間に選択され、
その結果Ｎ１＞Ｎｓ ＞Ｎ２となる。最後に、外被２２
を取り巻く屈折率Ｎ４は、外被２２の屈折率Ｎ３以下で
ある。第２図に示ザ例においで、第２のクラツディング
は外被２２を取り巻ぎ、外被２２にお（プる表面の不規
則さとそのために起こる散乱のために、外被２２と周囲
の空気との間のインターフェイスにおいて、さもなけれ
ば発生する損失を除去するということが理解されるべき
であるが、屈折率Ｎ４は空気によって形成される。
上述の説明から、ファイバ１４の屈折率Ｎ１は外被２２
の屈折率Ｎ３よりも大ぎいので、ファイバ１４の端部１
８における信号入力は、システムによって増幅されるべ
きであるが、ファイバ１４内で良好に案内されるという
ことは理解されるであろう。水晶ファイバ１２の屈折率
Ｎ２は外被２２の屈折率Ｎ３以下であるので、光源２４
．２６からのポンピング光はファイバ１２によっては案
内゛されず、しかじ外被２２の中で屈折される。しかし
ながら、第２図の典型的な光線２４および２６と、第１
図の２８とによって示されるように、外被２２の屈折率
Ｎ、は周囲の物質の屈折率Ｎ４よりも大きいので、この
光は外被２２によって良好に案内される。このように、
ボンピング照射は外被２２の範囲内で案内されファイバ
１４によって最終的に吸収される。第１図に示すように
、光線２８にＪ：つで例示されるボンピング照明は、こ
れらの要素の各々を介する経路の長さおよびこれらの要
素の各々のボンピング波長にお（プる吸収長に比例して
、ファイバ１２および１４と周囲の外被２２との各々に
よって吸収される。このため、外被２２を包む大ぎさを
できるだけ小さく維持して外被２２による吸収を最小に
しそしてそれによってＮＤ ： ＹＡＧファイバ１４に
おける吸収を最大に′１Ｊ−ることが有利であると理解
される。
の屈折率Ｎ３よりも大ぎいので、ファイバ１４の端部１
８における信号入力は、システムによって増幅されるべ
きであるが、ファイバ１４内で良好に案内されるという
ことは理解されるであろう。水晶ファイバ１２の屈折率
Ｎ２は外被２２の屈折率Ｎ３以下であるので、光源２４
．２６からのポンピング光はファイバ１２によっては案
内゛されず、しかじ外被２２の中で屈折される。しかし
ながら、第２図の典型的な光線２４および２６と、第１
図の２８とによって示されるように、外被２２の屈折率
Ｎ、は周囲の物質の屈折率Ｎ４よりも大きいので、この
光は外被２２によって良好に案内される。このように、
ボンピング照射は外被２２の範囲内で案内されファイバ
１４によって最終的に吸収される。第１図に示すように
、光線２８にＪ：つで例示されるボンピング照明は、こ
れらの要素の各々を介する経路の長さおよびこれらの要
素の各々のボンピング波長にお（プる吸収長に比例して
、ファイバ１２および１４と周囲の外被２２との各々に
よって吸収される。このため、外被２２を包む大ぎさを
できるだけ小さく維持して外被２２による吸収を最小に
しそしてそれによってＮＤ ： ＹＡＧファイバ１４に
おける吸収を最大に′１Ｊ−ることが有利であると理解
される。
次に、３００°ＫにおけるＮＤ：ＹＡＧ結晶の吸収スペ
クトルの図である第３図を参照するど、Ｎ ｌ） ：
ＹＡ Ｃｄ１ｌは、選択された波長において相対的に高
い光学密度を有し、そして短い吸収長を有していること
がわかる。この理由により、（ａ ）水晶ファイバ１２
ａ５よび外被２２に対向するＮＤ：ＹＡＧファイバ１４
におけるボンピング照射の吸収を最大にし、そして（ｂ
）増幅構造にお（プるボンピング照射の吸収を実質的に
完全にする一方で吸収長をできる限り短くしかつ吸収領
域の長さ１６（第１図）をできる限り短くするために、
これらの周波数において放射するボンピング照射光源２
４．２６（第１図）を選択することが賢明である。第３
図に示されるように、０，７５および０８１ミクロンの
波長が比較的よく適しているけれども、この典型的な実
施例における照射光源２４２６に対しては０．５８ミク
ロンの波長が最も適している。
クトルの図である第３図を参照するど、Ｎ ｌ） ：
ＹＡ Ｃｄ１ｌは、選択された波長において相対的に高
い光学密度を有し、そして短い吸収長を有していること
がわかる。この理由により、（ａ ）水晶ファイバ１２
ａ５よび外被２２に対向するＮＤ：ＹＡＧファイバ１４
におけるボンピング照射の吸収を最大にし、そして（ｂ
）増幅構造にお（プるボンピング照射の吸収を実質的に
完全にする一方で吸収長をできる限り短くしかつ吸収領
域の長さ１６（第１図）をできる限り短くするために、
これらの周波数において放射するボンピング照射光源２
４．２６（第１図）を選択することが賢明である。第３
図に示されるように、０，７５および０８１ミクロンの
波長が比較的よく適しているけれども、この典型的な実
施例における照射光源２４２６に対しては０．５８ミク
ロンの波長が最も適している。
次に、ＮＤ：ＹＡＧ結晶のエネルギレベル図である第５
ａ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結晶によって吸収されたときに、ネオ
ジムイオンはアース状態からボンピング帯へ励起される
ということは理解されるであろう。ボンピング帯からフ
ォノン干渉領域を介して上部レーザ放射レベルへイオン
は急速に緩和される。この上部レーザ放射レベルから、
ネオジムイオンは下部エネルギレベルへの比較的遅いけ
い光を生じる。この後者のレベルから、最後の急速なフ
ォノン緩和がアース状態に対して生じる。下部エネルギ
レベルおよびアース状態の間の急速なフォノン緩和は現
実に空の下部エネルギレベルを提供するので、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後
者の急速な緩和状態は有利である。この特徴は第５ｂ図
において示されており、連続ボンピング期間中にＪ５（
プるＮＤ ： ＹＡＧファイバに対するボンピング帯、
上部レーザ放射レベル、下部エネルギレベルおよびアー
ス状態における分布密度が示されている。
ａ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結晶によって吸収されたときに、ネオ
ジムイオンはアース状態からボンピング帯へ励起される
ということは理解されるであろう。ボンピング帯からフ
ォノン干渉領域を介して上部レーザ放射レベルへイオン
は急速に緩和される。この上部レーザ放射レベルから、
ネオジムイオンは下部エネルギレベルへの比較的遅いけ
い光を生じる。この後者のレベルから、最後の急速なフ
ォノン緩和がアース状態に対して生じる。下部エネルギ
レベルおよびアース状態の間の急速なフォノン緩和は現
実に空の下部エネルギレベルを提供するので、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後
者の急速な緩和状態は有利である。この特徴は第５ｂ図
において示されており、連続ボンピング期間中にＪ５（
プるＮＤ ： ＹＡＧファイバに対するボンピング帯、
上部レーザ放射レベル、下部エネルギレベルおよびアー
ス状態における分布密度が示されている。
上部レーザ放射レベルおよび下部エネルギレベルの間の
けい光の率は、下部エネルギレベルおにびアース状態の
間と同様に、ボンピング帯および−Ｌ部レーザ放射レベ
ルの間にお（プるフォノンの緩和と比較して相対的に遅
いので、上部レーザ放射レベルにお（プる分布密度は、
下部エネルギレベルにａ３けるそれよりも実質的に高く
、高反転率を生じる。自然けい光に先行する上部レーザ
放射レベルにお【プるネオジムイオンの平均寿命は２３
０マイクロ秒である。
けい光の率は、下部エネルギレベルおにびアース状態の
間と同様に、ボンピング帯および−Ｌ部レーザ放射レベ
ルの間にお（プるフォノンの緩和と比較して相対的に遅
いので、上部レーザ放射レベルにお（プる分布密度は、
下部エネルギレベルにａ３けるそれよりも実質的に高く
、高反転率を生じる。自然けい光に先行する上部レーザ
放射レベルにお【プるネオジムイオンの平均寿命は２３
０マイクロ秒である。
第４図はこの物質に対するレーザ遷移と同様に、ＮＤ：
ＹＡＧ材料の多重エネルギ状態をより詳細に示す図であ
る。
ＹＡＧ材料の多重エネルギ状態をより詳細に示す図であ
る。
励起されたレーザファイバ１４（第１図）を介して移動
するレーザ遷移波長（１，０６４ミクロン）、すなわち
上部１ノーザ放射レベルおよび下部エネルギレベルの間
の緩和期間中におけるＮＤ：ＹＡＧイオンによって放出
された光の波長における入力光信号は、信号とコヒーレ
ン１−な同一周波数にお（プる誘導された光子の放出を
トリガし、信号はそれによって増幅される。このように
、この周波数における光の通過は、増幅されるべき光信
号と同じ位相で、第５ａ図の下部レーザ放射レベルおよ
び下部エネルギレベルの間の光子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発生させる。
するレーザ遷移波長（１，０６４ミクロン）、すなわち
上部１ノーザ放射レベルおよび下部エネルギレベルの間
の緩和期間中におけるＮＤ：ＹＡＧイオンによって放出
された光の波長における入力光信号は、信号とコヒーレ
ン１−な同一周波数にお（プる誘導された光子の放出を
トリガし、信号はそれによって増幅される。このように
、この周波数における光の通過は、増幅されるべき光信
号と同じ位相で、第５ａ図の下部レーザ放射レベルおよ
び下部エネルギレベルの間の光子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発生させる。
この発明の増幅器において達成され１ｑる利得は、ＮＤ
：ＹＡＧ結晶内における反転されたネオジムイオ２分布
の密度に依存している。Ｊ：ず、最終的な反転分布は、
ＹＡＧ材料自体の格子構造によって制限される。ＮＤ
＋ ＹＡＧＵ料は結晶格子においてイツトリウム原子を
ネオジム原子で置ぎ換えるためである。１００個のイン
１〜リウム原子ごとにほぼ１つのイツトリウム原子がＮ
Ｄ：ＹＡＧ材料の格子構造を曲げることなく置換えられ
る。
：ＹＡＧ結晶内における反転されたネオジムイオ２分布
の密度に依存している。Ｊ：ず、最終的な反転分布は、
ＹＡＧ材料自体の格子構造によって制限される。ＮＤ
＋ ＹＡＧＵ料は結晶格子においてイツトリウム原子を
ネオジム原子で置ぎ換えるためである。１００個のイン
１〜リウム原子ごとにほぼ１つのイツトリウム原子がＮ
Ｄ：ＹＡＧ材料の格子構造を曲げることなく置換えられ
る。
この発明の増幅器の小さな利得の信＠ｇｏの理論上の尉
算は、９ｏ−σΔＮの関係を用いて行なわれ、ここで、
σはＮＤ ： ＹＡＧに対する誘導放出の断面、８．８
Ｘ １０． ｇ ｃｍ２であり、かつΔＮは、 △Ｎ−（Ｐｒ ／Ｖ） ’ （ｎ ＋ ｌｌｚ ｉ ｓ
ｒ ／ＩＩν）によって与えられる反転分布密度であり
、Ｐｒは、吸収されたボンピングパワーであり、■は結
晶の体積であり、ゆえにＰＰ／Ｖは、ファイバの１単位
体積あたりの吸収されたボンピングパワーであり、ｊｓ
Ｐは、自然放射寿命、すなわちネオジムイオンの２３０
マイクロ秒の（プい光緩和時間であり、１）１は、第３
図に示されているように、ボンピング出力の効果的なス
ペクトルのＮＤ：ＹＡＧ吸収線との重複であり、ｎ２は
１．０６ミクロンのけい光の量子効率、すなわち０．６
３に等しく、ｈ ｖは１つのポンピング光子のエネルギ
に等しい。
算は、９ｏ−σΔＮの関係を用いて行なわれ、ここで、
σはＮＤ ： ＹＡＧに対する誘導放出の断面、８．８
Ｘ １０． ｇ ｃｍ２であり、かつΔＮは、 △Ｎ−（Ｐｒ ／Ｖ） ’ （ｎ ＋ ｌｌｚ ｉ ｓ
ｒ ／ＩＩν）によって与えられる反転分布密度であり
、Ｐｒは、吸収されたボンピングパワーであり、■は結
晶の体積であり、ゆえにＰＰ／Ｖは、ファイバの１単位
体積あたりの吸収されたボンピングパワーであり、ｊｓ
Ｐは、自然放射寿命、すなわちネオジムイオンの２３０
マイクロ秒の（プい光緩和時間であり、１）１は、第３
図に示されているように、ボンピング出力の効果的なス
ペクトルのＮＤ：ＹＡＧ吸収線との重複であり、ｎ２は
１．０６ミクロンのけい光の量子効率、すなわち０．６
３に等しく、ｈ ｖは１つのポンピング光子のエネルギ
に等しい。
上述の関係を結合すると、
Ｑｏ ＝（Ｃ）’Ｐｒ／Ｖ）＋ （ｎ＋ ｎ２ｔ
５ｐ／ｈ ν）となり、利１りはボンピングパワーに
依存する。ＰＰの値は、吸収されたボンピングパワーで
あり、ファイバの長さの増大は必ずしも利得を増大させ
るものではないということは認識されるべきである。こ
のように、もしもボンピング放飼が、ＮＤ：ＹＡＧファ
イバを介して、このファイバに完全にボンピング放射を
吸収させるのに充分な距離を通過するためにファイバの
長さが十分であるならば、そのときはこの方程式におけ
る値ＰＰは入ツノパワーレベルで置換えられる。ｎｌの
典型的な値は０゜５であり、１２０ミクロンの直径を有
する単結晶ファイバ１４においてＰＰが１ ｍＷに等
しいのに対し！］ ｏ ＩｆｉＯ，０１ｄｂに等しいと
いうことを我々は発見した。しかしながら、正味利得を
得るために、ｇｏから１．０６ミクロンにｄ５りるファ
イバ伝播の損失を差し引かなければならない。１１（ｍ
あ１〔りのファイバの１００ｄｂの損失は、ｉｃｍあた
りわずか０．００１ｄｂずつ利得を減少させる。このよ
うに、増幅器（第１図）内における光線２８に対する高
い入射角度を維持することによって増幅器の全長が相対
的に短く維持され１（７るならば、づべての入力ボンピ
ングパワーを実質的に吸収りる一方で、増幅器内にａ３
ける伝播の損失は（１（レベルに維持され得る。
５ｐ／ｈ ν）となり、利１りはボンピングパワーに
依存する。ＰＰの値は、吸収されたボンピングパワーで
あり、ファイバの長さの増大は必ずしも利得を増大させ
るものではないということは認識されるべきである。こ
のように、もしもボンピング放飼が、ＮＤ：ＹＡＧファ
イバを介して、このファイバに完全にボンピング放射を
吸収させるのに充分な距離を通過するためにファイバの
長さが十分であるならば、そのときはこの方程式におけ
る値ＰＰは入ツノパワーレベルで置換えられる。ｎｌの
典型的な値は０゜５であり、１２０ミクロンの直径を有
する単結晶ファイバ１４においてＰＰが１ ｍＷに等
しいのに対し！］ ｏ ＩｆｉＯ，０１ｄｂに等しいと
いうことを我々は発見した。しかしながら、正味利得を
得るために、ｇｏから１．０６ミクロンにｄ５りるファ
イバ伝播の損失を差し引かなければならない。１１（ｍ
あ１〔りのファイバの１００ｄｂの損失は、ｉｃｍあた
りわずか０．００１ｄｂずつ利得を減少させる。このよ
うに、増幅器（第１図）内における光線２８に対する高
い入射角度を維持することによって増幅器の全長が相対
的に短く維持され１（７るならば、づべての入力ボンピ
ングパワーを実質的に吸収りる一方で、増幅器内にａ３
ける伝播の損失は（１（レベルに維持され得る。
ボンピングパワー密度は、現在使用可能な発光タイオー
ドによって比較的高いレベルに維持されている。実際、
はぼ１００ＯＡ／ｃｍ２の電流密度で動作し、はぼ５Ｗ
／ｓｒ−ａｍ２の放射輝度を有する寿命の長いＬＥＤが
使用可能であり、さらに、はぼ５０Ｗ／ｓｒ−ｃｍ２の
放射輝度が報告されている。前者は、はぼ１ ｍＷの
電力を１００ミクロンの直径のＹＡＧファイバに結合す
ることができ、後者は、はぼ１０ｍＷの電力を同一のフ
ァイバに結合することができる。ＹＡＧの大きな屈折率
の結果、５７° （すなわち２．８Ｓｒ）の半分の角度
で受は入れるので、この相対的に大きな電力が使用可能
である。これらのボンピングパワーの１１￥１によって
、利得はファイバ１４の長さの１ｃｍあたり０．０１な
いし０．１ｄｂとなる。上述の結果は空気中で動作させ
られるＹＡＧファイバに適用される。もしもファイバが
クラッド型のカラス（Ｎがほぼ１．５に等しい）ならば
、受光角度はほぼ１ｓｒとなり、ボンピングパワーおよ
び信号利得の上述の値は、２．８という要素によって減
少される。
ドによって比較的高いレベルに維持されている。実際、
はぼ１００ＯＡ／ｃｍ２の電流密度で動作し、はぼ５Ｗ
／ｓｒ−ａｍ２の放射輝度を有する寿命の長いＬＥＤが
使用可能であり、さらに、はぼ５０Ｗ／ｓｒ−ｃｍ２の
放射輝度が報告されている。前者は、はぼ１ ｍＷの
電力を１００ミクロンの直径のＹＡＧファイバに結合す
ることができ、後者は、はぼ１０ｍＷの電力を同一のフ
ァイバに結合することができる。ＹＡＧの大きな屈折率
の結果、５７° （すなわち２．８Ｓｒ）の半分の角度
で受は入れるので、この相対的に大きな電力が使用可能
である。これらのボンピングパワーの１１￥１によって
、利得はファイバ１４の長さの１ｃｍあたり０．０１な
いし０．１ｄｂとなる。上述の結果は空気中で動作させ
られるＹＡＧファイバに適用される。もしもファイバが
クラッド型のカラス（Ｎがほぼ１．５に等しい）ならば
、受光角度はほぼ１ｓｒとなり、ボンピングパワーおよ
び信号利得の上述の値は、２．８という要素によって減
少される。
レーザダイオードによって、ボンピングパワーのより大
きな値をファイバ１４に集中することが可能である。い
ずれにしても、はぼ３０ｍＷの平均電力を有し、１２０
ミクロンの直径のファイバにおける０、３ｄｂの信号利
得と、５ｏミクロンの直径のファイバにおける１、７ｄ
ｂの信号和１りとに応答するボンピング信号を、ファイ
バに注入することが考えられる。
きな値をファイバ１４に集中することが可能である。い
ずれにしても、はぼ３０ｍＷの平均電力を有し、１２０
ミクロンの直径のファイバにおける０、３ｄｂの信号利
得と、５ｏミクロンの直径のファイバにおける１、７ｄ
ｂの信号和１りとに応答するボンピング信号を、ファイ
バに注入することが考えられる。
上述の説明から明白なように、そして再び第１図を参照
すると、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４を適正にボンピング
するために、ボンピング光源２４゜２６が連続的に動作
ぎせられるが、あるいは入力信号がファイバ１４に与え
られる前に直ちに動作させられること、すなわちネオジ
ムイオンの２３０マイクロ秒のけい光緩和時間内におい
て良好であることのいずれかが必要である。ポンピング
光ＦＡ２４および２６からの波長は、短い吸収距頗でＮ
Ｄ：ＹＡＧファイバ１４内において吸収されるので、フ
ァイバ１４を介する信号伝播を干渉することなく、そし
てボンピング照射がそれ自体ファイバ１４を介して伝播
されることに関係なく、ボンピング光源２４．２６を連
続的に動作させることが可能である。再度第１図を参照
すると、屈折率Ｎ１は周囲の空気の屈折率よりも高いの
で、端部１８，２０に隣接し、しかじ外被２２の外側で
ある領域において、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４が増幅前
および増幅後の信号を案内するということが注目される
。
すると、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４を適正にボンピング
するために、ボンピング光源２４゜２６が連続的に動作
ぎせられるが、あるいは入力信号がファイバ１４に与え
られる前に直ちに動作させられること、すなわちネオジ
ムイオンの２３０マイクロ秒のけい光緩和時間内におい
て良好であることのいずれかが必要である。ポンピング
光ＦＡ２４および２６からの波長は、短い吸収距頗でＮ
Ｄ：ＹＡＧファイバ１４内において吸収されるので、フ
ァイバ１４を介する信号伝播を干渉することなく、そし
てボンピング照射がそれ自体ファイバ１４を介して伝播
されることに関係なく、ボンピング光源２４．２６を連
続的に動作させることが可能である。再度第１図を参照
すると、屈折率Ｎ１は周囲の空気の屈折率よりも高いの
で、端部１８，２０に隣接し、しかじ外被２２の外側で
ある領域において、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４が増幅前
および増幅後の信号を案内するということが注目される
。
同様に、その屈折率Ｎ２が周囲の空気の屈折率よりも高
いので、外被２２の下の領域において、水晶ファイバ１
２はボンピンク光源２４．２６から光を案内する。もち
ろん、外被２２の両端部の下の領域において使用される
クラツディングの屈折率が水晶の屈折率よりも低い限り
、表面の損失を減少させるためにこの領域における水晶
ファイバ１２をクラツディングすることもまた可能であ
る。
いので、外被２２の下の領域において、水晶ファイバ１
２はボンピンク光源２４．２６から光を案内する。もち
ろん、外被２２の両端部の下の領域において使用される
クラツディングの屈折率が水晶の屈折率よりも低い限り
、表面の損失を減少させるためにこの領域における水晶
ファイバ１２をクラツディングすることもまた可能であ
る。
光源２４からのポンピング光が増幅器システム内におい
て端部１８に隣接して最初に吸収ぎれる傾向があり、そ
してファイバ１４の長さは光源２４によって均一に照射
されないということが認識されるであろう。このように
、ネオジムイオンの反転分布は、長さ１６に冶って均一
には分布されていない。増幅器内部におけるこの不均一
なあるいは非対称的な状態は、端部２ｏにお１プる信号
入力と比べ、端部１８における信号入力に対して異なる
利得を生じるので（特にこれらの信号が同時に発生した
とき）、ポンピング光源２４．．２６によって水晶ファ
イバ１２を両端で同時にボンピングし、反転されたネオ
ジムイオン分布は長さ１６に沿って左右対称であり、端
部１８．２０のいずれかからの信号を均一に増幅するこ
とを保証することが有利であると判明した。
て端部１８に隣接して最初に吸収ぎれる傾向があり、そ
してファイバ１４の長さは光源２４によって均一に照射
されないということが認識されるであろう。このように
、ネオジムイオンの反転分布は、長さ１６に冶って均一
には分布されていない。増幅器内部におけるこの不均一
なあるいは非対称的な状態は、端部２ｏにお１プる信号
入力と比べ、端部１８における信号入力に対して異なる
利得を生じるので（特にこれらの信号が同時に発生した
とき）、ポンピング光源２４．．２６によって水晶ファ
イバ１２を両端で同時にボンピングし、反転されたネオ
ジムイオン分布は長さ１６に沿って左右対称であり、端
部１８．２０のいずれかからの信号を均一に増幅するこ
とを保証することが有利であると判明した。
ネオジムイオンの非対称的な反転分布を伴い異なる方向
にファイバ１４を通過する信号に対する類似していない
利得の現象は、以下のように発生する。増幅されるべき
信号がファイバ１４の端部１８から伝播されるときに、
それが長さ１６を通過するにつれてＮＤ：ＹΔＧファイ
バ内部において誘導された光子の放出をトリガするとい
うことは認識されるであろう。そのようなトリガされた
放出は、もちろんファイバ１４内における反転分布を低
くする。ｌことえばジ１フィロスコープにおいて、もし
も１対の波がファイバ１４を介して端部１８および２０
から反対の方向に同時に伝わるならば、第１図に示され
るように、端部２０にＪ５ける信号入力がファイバ１４
の左端部に到着する前に、端部１８における信号入力は
、端部１８に隣接する反転分布をなくづる。もしも反転
分布がファイバ１４の右端部にｄ５けるよりも左端部に
ｄ−３いてより高ければ、端部２０における入力である
信号が高密度の左端部に到着する前に反転分布をなくづ
るので、端部１８における信号入力はより大きな増幅を
受ける。
にファイバ１４を通過する信号に対する類似していない
利得の現象は、以下のように発生する。増幅されるべき
信号がファイバ１４の端部１８から伝播されるときに、
それが長さ１６を通過するにつれてＮＤ：ＹΔＧファイ
バ内部において誘導された光子の放出をトリガするとい
うことは認識されるであろう。そのようなトリガされた
放出は、もちろんファイバ１４内における反転分布を低
くする。ｌことえばジ１フィロスコープにおいて、もし
も１対の波がファイバ１４を介して端部１８および２０
から反対の方向に同時に伝わるならば、第１図に示され
るように、端部２０にＪ５ける信号入力がファイバ１４
の左端部に到着する前に、端部１８における信号入力は
、端部１８に隣接する反転分布をなくづる。もしも反転
分布がファイバ１４の右端部にｄ５けるよりも左端部に
ｄ−３いてより高ければ、端部２０における入力である
信号が高密度の左端部に到着する前に反転分布をなくづ
るので、端部１８における信号入力はより大きな増幅を
受ける。
ポンピング光源２４．２６からＮＤ：ＹＡＧファイバ１
４に与えられたボンピング照射は、連続するバイアスに
おいて、信号が増幅されたときに発生するファイバ１／
Ｉ内における消滅した分布を置換えるのに十分であると
いうこともまた認識されるべきである。このように、た
とえばパルス信号が１ｋＩｎのファイバを循環するジ１
１イロスコープにおいて、第１図に示されるように対向
して伝播する信号は、はぼ５マイクロ秒ごとに一度増幅
器を通過する。もしも連続するボンピング光源２４２６
が使用されれば、増幅器の増幅定数または利１ｑが相対
的に一定に保たれるような、緩和された分布に等しい分
布を再度反転するために、信号の各々の連続する通過期
間中に緩和されたネオジムイオン分布を、５マイクロ秒
の期間ごとに再度反転することができるように、それら
は十分な出力を提供する。
４に与えられたボンピング照射は、連続するバイアスに
おいて、信号が増幅されたときに発生するファイバ１／
Ｉ内における消滅した分布を置換えるのに十分であると
いうこともまた認識されるべきである。このように、た
とえばパルス信号が１ｋＩｎのファイバを循環するジ１
１イロスコープにおいて、第１図に示されるように対向
して伝播する信号は、はぼ５マイクロ秒ごとに一度増幅
器を通過する。もしも連続するボンピング光源２４２６
が使用されれば、増幅器の増幅定数または利１ｑが相対
的に一定に保たれるような、緩和された分布に等しい分
布を再度反転するために、信号の各々の連続する通過期
間中に緩和されたネオジムイオン分布を、５マイクロ秒
の期間ごとに再度反転することができるように、それら
は十分な出力を提供する。
第６図は、第２図に類似し、第２図の外被２２を利用せ
ず、しかしＮＤ ： ＹＡＧファイバ１４と水晶ファイ
バ１２との間の屈折率の差に依存し、一方で周囲の空気
の屈折率に依存し、さらに他方でシステム内のポンピン
グ光および信号光を案内する構造の他方の断面図を示し
ている。この実施例において、ファイバー１４およびフ
ァイバ１２の双方は、第１図の長さ１６のような必要と
される干渉の長さを介して隣接するプレーナ外部表面３
４および３６を設（）るように一方の表面に沿って研磨
される。
ず、しかしＮＤ ： ＹＡＧファイバ１４と水晶ファイ
バ１２との間の屈折率の差に依存し、一方で周囲の空気
の屈折率に依存し、さらに他方でシステム内のポンピン
グ光および信号光を案内する構造の他方の断面図を示し
ている。この実施例において、ファイバー１４およびフ
ァイバ１２の双方は、第１図の長さ１６のような必要と
される干渉の長さを介して隣接するプレーナ外部表面３
４および３６を設（）るように一方の表面に沿って研磨
される。
第６図において示されている構成によって、フ゛アイバ
ー空気の境界面およびファイバーファイバの境界面の双
方によって増幅されるべき信号がファイバ１４内で良好
に案内されるように、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４の屈折
率は水晶ファイバ１２の屈折率よりも高い。一方で、水
晶ファイバ１２内部のボンピング信号は、周囲の媒体と
接合するその周囲の部分を通じで案内され、しかし表面
３２において案内されず、そしてこのようにＮＤ：ＹＡ
Ｇファイバ１４に伝えられ、そのファイバ１４において
ネオジムイオンをボンピングする。もちろん、第６図に
示される実施例は、第２図の外被２２のような周囲の外
被内部に設（プられ、そこでは外被は、水晶ファイバ１
２またはＮＤ：￥ＡＧファイバ１４のいずれかよりも低
い屈折率を有しているということもまた認識さ蛛るであ
ろう。
ー空気の境界面およびファイバーファイバの境界面の双
方によって増幅されるべき信号がファイバ１４内で良好
に案内されるように、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４の屈折
率は水晶ファイバ１２の屈折率よりも高い。一方で、水
晶ファイバ１２内部のボンピング信号は、周囲の媒体と
接合するその周囲の部分を通じで案内され、しかし表面
３２において案内されず、そしてこのようにＮＤ：ＹＡ
Ｇファイバ１４に伝えられ、そのファイバ１４において
ネオジムイオンをボンピングする。もちろん、第６図に
示される実施例は、第２図の外被２２のような周囲の外
被内部に設（プられ、そこでは外被は、水晶ファイバ１
２またはＮＤ：￥ＡＧファイバ１４のいずれかよりも低
い屈折率を有しているということもまた認識さ蛛るであ
ろう。
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、しかし表面の不均一性によって生じる表面の散乱
を除去し、そしてこのに・うにファイバ１２および１４
の境界内でボンピングおよび信号光を維持するのを助け
る。
いが、しかし表面の不均一性によって生じる表面の散乱
を除去し、そしてこのに・うにファイバ１２および１４
の境界内でボンピングおよび信号光を維持するのを助け
る。
第１図の実施例において、光源２４Ｊ３よび２６から十
分な照射を与え、ファイバ１４内におりる高反転分布を
維持するために、ボンピング光源２４および２６はレー
ザ光源でなければならない。
分な照射を与え、ファイバ１４内におりる高反転分布を
維持するために、ボンピング光源２４および２６はレー
ザ光源でなければならない。
第７図の実施例は、直列の増幅器に対する、発光ダイオ
ード光源のような複数の低レベルの光源を適用させるが
、各々の増幅器は、第１図の増幅器によって与えられる
利得に等しい全体的な利得と、しかし発光ダイオードの
より低いコストおよび電力の要求とを、信号を伝える小
さな利得にもたらす。
ード光源のような複数の低レベルの光源を適用させるが
、各々の増幅器は、第１図の増幅器によって与えられる
利得に等しい全体的な利得と、しかし発光ダイオードの
より低いコストおよび電力の要求とを、信号を伝える小
さな利得にもたらす。
第７図に示すように、水晶ファイバｉ ２ａ −ｅおよ
び信号引き延ばしＮＤ：ＹＡＧファイバ１４の双方を取
り巻く２２ｅを介する外被２２ａによって、１２ｅを介
する複数の水晶）ｊイム１２ａは第１図に類似する態様
で配置される。この配置によって、発光ダイオード３８
ａ−ｅおよび３９ａ−ｅは、各々１２ｅを介して水晶フ
ァイバ１２ａの各々の向かい合う端部に結合され、直列
の低利得増幅器に対するボンピング光源を提供する。
び信号引き延ばしＮＤ：ＹＡＧファイバ１４の双方を取
り巻く２２ｅを介する外被２２ａによって、１２ｅを介
する複数の水晶）ｊイム１２ａは第１図に類似する態様
で配置される。この配置によって、発光ダイオード３８
ａ−ｅおよび３９ａ−ｅは、各々１２ｅを介して水晶フ
ァイバ１２ａの各々の向かい合う端部に結合され、直列
の低利得増幅器に対するボンピング光源を提供する。
第１図また第７図のいずれかの配置によって、はぼ２ｃ
ｍの全長にわたって、単一ポンピング光線をＮＤ：ＹＡ
Ｇファイバ１４を介してほぼｉｏ。
ｍの全長にわたって、単一ポンピング光線をＮＤ：ＹＡ
Ｇファイバ１４を介してほぼｉｏ。
の反射通過をさせ、高い空洞を形成する。このように、
ＮＤ ： ＹＡＧファイバ１４を横方向に介η−る単一
光線の経路は、実質的には物質における吸収長よりも短
いが、複数の通過光は、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４内に
おけるボンピング光源照射の実質的な割合を吸収させる
。
ＮＤ ： ＹＡＧファイバ１４を横方向に介η−る単一
光線の経路は、実質的には物質における吸収長よりも短
いが、複数の通過光は、ＮＤ：ＹＡＧファイバ１４内に
おけるボンピング光源照射の実質的な割合を吸収させる
。
もしも端部１８ａ５よび２０が適当に反射されれば、第
１図に示された構造は、発振器またはＮＤ：ＹＡＧファ
イバのレーザ放射周波数における照射のための光源を提
供Ｊるということもまた認識されるべきである。このよ
うに、ファイバ１４の端部１８上にレーザ放射周波数に
おいて照射のほぼ１００％を反射づるミラーを配置し、
かつファイバ１４の端部２０上に同一の周波数で照射の
より低い割合を反射する第２のミラーを配置することに
より、第１図に示された構造は、ファイバ１４内で長さ
１６を介して前後に反則されたコヒーレント光波を伴う
ファイバレーザ光源としＣ使用され、そしてファイバの
レーザ放射周波数における光に面するコヒーレント波と
して、端部２０における部分的な反射ミラーを介して放
出される。
１図に示された構造は、発振器またはＮＤ：ＹＡＧファ
イバのレーザ放射周波数における照射のための光源を提
供Ｊるということもまた認識されるべきである。このよ
うに、ファイバ１４の端部１８上にレーザ放射周波数に
おいて照射のほぼ１００％を反射づるミラーを配置し、
かつファイバ１４の端部２０上に同一の周波数で照射の
より低い割合を反射する第２のミラーを配置することに
より、第１図に示された構造は、ファイバ１４内で長さ
１６を介して前後に反則されたコヒーレント光波を伴う
ファイバレーザ光源としＣ使用され、そしてファイバの
レーザ放射周波数における光に面するコヒーレント波と
して、端部２０における部分的な反射ミラーを介して放
出される。
第１図に示され１ζ構造が照射光源として使用されると
きに、ポンピング光源２４．２６はボンピング波長にお
いて安定した光出力を提供し、その場合、安定し連続し
た光出力はファイバ光源によって提供される。もしも、
一方で光源２４．２６からのポンピング光が変調されれ
ば、変調された出力は第１図の構造内部において発生す
る。
きに、ポンピング光源２４．２６はボンピング波長にお
いて安定した光出力を提供し、その場合、安定し連続し
た光出力はファイバ光源によって提供される。もしも、
一方で光源２４．２６からのポンピング光が変調されれ
ば、変調された出力は第１図の構造内部において発生す
る。
上述の説明から認識されるように、信号ファイバ１／１
内で増幅されるべき信号を案内し、しかし増幅システム
の全体の外被２２内でのみポンピング光を案内する屈折
率を与える物質の適当な選択は、このファイバ１４の直
径が実質的にボンピング波長におりるＮＤ ： ＹＡＧ
材料の吸収長以下であっても、全体の空洞ｉ造内におけ
る複数の反射がＮＤ：ＹＡＧファイバ１４を側面にボン
ピングさせる、小さな比較的高い利得の増幅システムを
提供する。
内で増幅されるべき信号を案内し、しかし増幅システム
の全体の外被２２内でのみポンピング光を案内する屈折
率を与える物質の適当な選択は、このファイバ１４の直
径が実質的にボンピング波長におりるＮＤ ： ＹＡＧ
材料の吸収長以下であっても、全体の空洞ｉ造内におけ
る複数の反射がＮＤ：ＹＡＧファイバ１４を側面にボン
ピングさせる、小さな比較的高い利得の増幅システムを
提供する。
第１図はこの発明のファ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図の線２−２に沿った第１図の構成の断面
図である。 第３図は３０００ＫにおけるＮＤ：ＹＡＧの吸収スペク
トルを示す図である。 第４図はＮＤ：ＹＡＧのエネルギレベルを示す図である
。 第５ａ図および第５ｂ図はＮＤ ： ＹＡＧのようなド
ープされた物質を使用する４レベルレーザの簡略化され
たエネルギレベルを示す図である。 第６図は増幅器の他の形状を示ず、第２図に類似した断
面図である。 第７図は低レベルの光源を有する直列の光学増幅器を示
し、第１図に類似する第２の他の形状の図である。 図において、１２はボンピングファイバ、１４は信号フ
ァイバ、１８．２０は端部、２２は外被、２４．２６は
光源を示す。 特許出願人 ザ・ボード・オブ・トラステイーズ・オブ
・ザ・レランド・スタンフオ
物理的構成を示す図である。 第２図は第１図の線２−２に沿った第１図の構成の断面
図である。 第３図は３０００ＫにおけるＮＤ：ＹＡＧの吸収スペク
トルを示す図である。 第４図はＮＤ：ＹＡＧのエネルギレベルを示す図である
。 第５ａ図および第５ｂ図はＮＤ ： ＹＡＧのようなド
ープされた物質を使用する４レベルレーザの簡略化され
たエネルギレベルを示す図である。 第６図は増幅器の他の形状を示ず、第２図に類似した断
面図である。 第７図は低レベルの光源を有する直列の光学増幅器を示
し、第１図に類似する第２の他の形状の図である。 図において、１２はボンピングファイバ、１４は信号フ
ァイバ、１８．２０は端部、２２は外被、２４．２６は
光源を示す。 特許出願人 ザ・ボード・オブ・トラステイーズ・オブ
・ザ・レランド・スタンフオ
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 （１） コヒーレント光を発生づ−るファイバ光学装置
であって、 第１の屈折率を荷重る第１のファイバと、前記第１の屈
折率よりも高い第２の屈折率を有し、レーザを放射する
物質から形成された第２のファイバと、 前記第１のファイバに光を導入して、前記第２のファイ
バの前記物質をボンピングする光源とを備え、 前記第１および第２のファイバは、前記第１および第２
の屈折率が協働して前記光を前記第１のファイバから前
記第２のファイバへ移す干渉領域を形成するように相対
的に極めて接近して位置する、ファイバ光学装置。 （２） 前記第２のファイバにお（プる光信号を発生ず
る光源をさらに備え、 前記信号はレーザを放射する前記物質から自然コヒーレ
ント光の放出を誘導する、１４許請求の範囲第１項記載
のファイバ光学装置。 （３） 前記信号は前記第２のファイバの前記物質のレ
ーザ放射周波数に等しい周波数を右する、特許請求の範
囲第２項記載のファイバ光学装置。 （／１） 前記干渉領域において前記第１および第２の
ファイバを取り巻く透明な外被をさらに備え、 前記外被は、前記第１の屈折率よりも高くしかし前記第
２の屈折率よりも低い第３の屈折率を右づ−る、特許請
求の範囲第１項ないし第３項記載のファイバ光学装置。 （５〉 前記外被は、前記第３の屈折率よりも低い第４
の屈折率を右する物質によって取り巻かれ、前記第１の
ファイバに導入された前記光は前記外被内部で案内され
る、特許請求の範囲第４項記載のファイバ光学装置。 （６） 前記第２のファイバはＮ Ｄ ： ・Ｙ Ａ
Ｇ月料から形成される、特許請求の範囲第１項ないし第
５項記載のファイバ光学装置。 （７） 前記第１および第２のファイバは、各々１つの
外側のファイバ表面に沿って研磨され、かつ前記研磨さ
れた表面は前記干渉領域を形成するように並列に配置さ
れる、特許請求の範囲第１項ないし第６項記載のファイ
バ光学装置。 （８） 前記第１のファイバに光を導入する前記光源は
、前記第２のファイバの前記物質の吸収スペクトルビー
クに相当する波長を有する光を導入する、特許請求の範
囲第１項ないし第７項記載のファイバ光学装置。 （９） 前記第１のファイバに光を導入づ−る前記光源
は、前記第２のファイバの前記物質を均一にボンピング
するように前記第１のファイバに沿って双方の方向に光
を特徴する特許請求の範囲第１項ないし第８項記載のフ
ァイバ光学装置。 （１０） 第１の屈折率を有する第１のファイバと、 前記第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有し、レー
ザを放射する物質から形成された第２のファイバとを備
えたコヒーシン１−光を発生するファイバ光学装置にお
いて光信号を増幅する方法であって、 前記第１および第２のファイバは、前記第１ ｄ３よび
第２の屈折率が協働して前記光を前記第１のファイバか
ら前記第２のファイバへ移す干渉領域を形成するように
相対的に極めて接近して位置し、前記第１のファイバに
光を導入して前記第２のファイバの前記物質をボンピン
グするステップと、前記第２のファイバに光を導入して
前記第２のファイバにおいて前記光を増幅づるステップ
とを含む、方法。 （１１） 前記ファイバ光学装置は、前記第２のファイ
バにおける光信号を発生する光源をさらに備え、 前記信号はレーザを放射する前記物質から自然コヒーレ
ント光の放出を特徴する特許請求の範囲第１０項記載の
方法。 （１２） 前記信号は前記第２のファイバの前記物質の
レーザ放射周波数に等しい周波数を有する、特許請求の
範囲第１１項記載の方法。 （１３） 前記ファイバ光学装置は、前記干渉領域にａ
３いて前記第１および第２のファイバを取り巻く透明な
外被をさらに備え、 前記外被は、前記第１の屈折率よりも高くしかし前記第
２の屈折率よりも低い第３の屈折率を有する、特許請求
の範囲第１０項ないし第１２項記載の方法。 （１４） 前記外被は、前記第３の屈折率よりも低い第
４の屈折率を有する物質によって取り巻かれ、前記第１
のファイバに導入された前記光は前記外被内部で案内さ
れる、特許請求の範囲第１３項記載の方法。 （１５） 前記第２のファイバはＮＤ：ＹＡＧ月料から
形成される、特許請求の範囲第１０項ないし第１４項記
載の方法。 く１６） 前記第１および第２のファイバは、各々１つ
の外側のファイバ表面に沿って研磨され、かつ前記研磨
された表面は前記干渉領域を形成するように並列に配置
される、特許請求の範囲第１０項ないし第１５項記載の
方法。 （１７） 前記第１のファイバに光を導入づ−る前記光
源は、前記第２のファイバの前記物質の吸収スペクトル
ビークに相当する波長を有する光を特徴する特許請求の
範囲第１０項ないし第１６項記載の方法。 （１８） 前記第１のファイバに光を導入する前記光源
は、前記第２のファイバの前記物質を均一にボンピング
するように前記第１のファイバに沿って双方の方向に光
を特徴する特許請求の範囲第１０項ないし第１７項記載
の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/448,707 US4546476A (en) | 1982-12-10 | 1982-12-10 | Fiber optic amplifier |
| US448707 | 1989-12-11 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59114883A true JPS59114883A (ja) | 1984-07-03 |
| JPH0464197B2 JPH0464197B2 (ja) | 1992-10-14 |
Family
ID=23781356
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58233465A Granted JPS59114883A (ja) | 1982-12-10 | 1983-12-09 | フアイバ光学装置および光信号増幅方法 |
Country Status (11)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4546476A (ja) |
| EP (1) | EP0112090B1 (ja) |
| JP (1) | JPS59114883A (ja) |
| KR (1) | KR920001117B1 (ja) |
| AT (1) | ATE79493T1 (ja) |
| AU (1) | AU568827B2 (ja) |
| BR (1) | BR8306770A (ja) |
| CA (1) | CA1210483A (ja) |
| DE (1) | DE3382608T2 (ja) |
| IL (1) | IL70306A (ja) |
| NO (1) | NO834544L (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPH03127885A (ja) * | 1989-10-13 | 1991-05-30 | Mitsubishi Cable Ind Ltd | 光増幅器 |
| JPH055813A (ja) * | 1990-01-23 | 1993-01-14 | Carl Zeiss:Fa | 実質的にモード構造を保持して高出力レーザー放射線を伝送する可撓性グレーデツド型光フアイバー |
| JPH05129683A (ja) * | 1991-04-08 | 1993-05-25 | General Instr Corp | 低雑音，高出力の光フアイバ−増幅器とその駆動方法 |
| WO2010103764A1 (ja) | 2009-03-11 | 2010-09-16 | パナソニック株式会社 | ファイバレーザ装置と光増幅方法 |
| JP2010272827A (ja) * | 2009-05-25 | 2010-12-02 | Fujikura Ltd | 光ファイバカプラ及び光ファイバ増幅器 |
| JP2013522928A (ja) * | 2010-10-07 | 2013-06-13 | アイピージー フォトニクス コーポレーション | 高出力ネオジム・ファイバレーザおよび増幅器 |
Families Citing this family (81)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US4723824A (en) * | 1983-11-25 | 1988-02-09 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Fiber optic amplifier |
| US4674830A (en) * | 1983-11-25 | 1987-06-23 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Fiber optic amplifier |
| US4938556A (en) * | 1983-11-25 | 1990-07-03 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Superfluorescent broadband fiber laser source |
| GB2151868B (en) * | 1983-12-16 | 1986-12-17 | Standard Telephones Cables Ltd | Optical amplifiers |
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