JPS60115274A - フアイバ光学装置 - 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】 ［発明の技術分野］ この発明はファイバ光学増幅器に関する。

［先行技術の説明］ 特に巨視的なレベルで、成る材料のレーザ作用能力に基
づいた、光学増幅器の概念はよく知られている。このた
め、たとえば、ボンピング光源と、径が数ミリメートル
で長さが数センチメートルの単結晶ネオジミウム−イツ
トリウム　アルミニウム　ガーネット（ＮＤ　：　ＹＡ
Ｇ）ロンドとを管状の反射する空洞に置くことは知られ
ている。たとえば、光源とＮＤ　：　ＹＡＧロッドは、
楕円形の断面を有する空洞の２つの焦点に沿って伸びる
ようにそれぞれ置くことができる。このような配置では
、光源によって発光されかつ空洞壁から反射される光は
、ＮＤ：ＹＡＧロッドに衝突する。光源は、好ましくは
、結晶のネオジミウムイオンのエネルギ状態が＾レーザ
作用準位以上のエネルギ準位に反転さ拮るように、Ｎｄ
　：ＹＡＧ結晶の吸収スペクトルに対応する波長を発光
するよう選択されると良い。反転後、光子放射によるネ
オジミウムイオンの初期緩和は、高レーザ単位でイオン
分布を生じる。高レーザ単位から、Ｎ（１：ＹＡＧ材料
の特性である波長の光を放射しながら、イオンは低エネ
ルギ単位に緩和する。都合の良いことに、この低エネル
ギ単位はイオンに対して基底単位以上であり、そのため
、急な、光子−援助緩和がこの低エネルギ単位と基底単
位間で起こり、ポンプされたイオンの範囲内で、高い反
転比が高レーザ単位とこの低エネルギ単位間で存在し続
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
転された分布に関して、Ｎｄ　：ＹＡＧはまた螢光、す
なわち、インコヒーレント光のランダム放射を与える。

この自然放射は、Ｎｄ：ＹＡ中 Ｇに対し２３０マイクロ秒反転された状態のイオンの平
均寿命に等しい時定数で起こる。

もし、Ｎｄ　：ＹＡＧロッドのネオジミウムイオンが反
転された後ならば、レーザ遷移周波数の光信号はロンド
を通って伝送され、信号光子はネオジミウムイオンの遷
移を低エネルギ準位にトリガし、誘導放射のコヒーレン
ト放出を引起こし、それは伝送される信号に有効に加わ
り、こういうふうにこの信号を増幅する。

ポンプ波長でのＮｄ：ＹＡＧ結晶の吸収長さくすなわち
、照明の６０％が吸収される前に、照明が横切らなけれ
ばならない材料の長さ）は、典型的には約２ミリメート
ルまたはこれ以上であり、このため、増幅構造に用いら
れるＮｄ　：ＹＡＧ結晶は、空洞壁からの初期反射およ
び結晶の通過中に、結晶がポンピング発光の実質的な部
分を吸収できるような少なくともこの大きさの径を有し
ていた。もし、結晶を通る初期横断中に、ボンピング照
明が吸収されないならば、空洞壁によって光源に戻って
反射されるらしく、そこではそれは再び吸収され、光源
に熱を発生し、増幅器の全体の効率を減じる。

そのような大きな径のＮｄ：ＹＡＧロッドがファイバ光
学システムで増幅器として用いられると　−ぎ、光学フ
ァイバからの光信号をＮｄ：ＹＡＧロッドに、かつＮｄ
　：ＹＡＧロッドからの増幅された光信号を他のファイ
バに戻って集光するように、レンズのような光学構成要
素を用いることが必要であると考えられた。このような
光学システムは注意深い調整を必要とし、振動や熱効果
のような周囲の変化に感じやすい。付加えるに、光学構
成要素とＮｄ：ＹＡＧロッドの寸法は、増幅システムを
比較的大きくし、このため、成る応用に対しては実用的
でない。さらに、Ｎｄ　：ＹＡＧロッドの大きな寸法は
、ロンド内で高いエネルギ密度を維持し、有効な光学利
得を許容するために、入力ポンプエネルギの大きな量を
必要とする。そのような大きなポンプパワーは、高出力
ポンプ光源を必要とし、典型的には空洞の液体冷却によ
って消散しなければならない実質的な熱を発生する。

このタイプの増幅器は、成る通信への応用のような多く
の応用に有益であるが、再循環ファイバ光学ジャイロス
コープでの使用は、増幅システムに厳しい制限を加える
。そのようなジャイロスコープに関して、典型的には長
さが１キロメートルまたはそれ以上の光学ファイバはル
ープに巻かれ、光信号は典型的に両方向にループ内で再
循環する。

ループの移動は、ジャイロスコープの回転を測定するた
めに用いることができる逆−伝搬光信号間に位相差を引
起こす。そのようなジャイロスコープでは、ファイバを
回る１回の信号の通過で誘発される位相差は比較的小さ
く、この位相差を増加するように光信号をループ内でで
きる限り多くの回数再循環させることは有利である。

光学ファイバを１キロメートル横切ると、光学信号は典
型的にはその強度の３０〜５０％失う。

もし増幅器がループと直列に置かれ、２方向性逆−伝搬
光信号を２〜３　ｄＢだけ増幅することができるならば
、光信号はループ内で多くの回数伝搬することができる
。

あいにく、上述のように、先行技術のＮｄ：ＹＡＧロン
ドは、比較的大型で高パワーであり、かつ冷却が必要な
ため、そのような増幅器は高精密のジャイロスコープに
対して比較的実用的でない。

もちろん、これらの７アクタはまた、通信ネラトワーク
のような他の応用でのそのような増幅器の実用を制限す
る。

［発明の要約］ この発明は、好ましい実施例において光学増幅器として
Ｉｌ能する、コヒーレント光を生じるファイバ光学装置
である。この増幅器は、増幅される信号に対して導波管
を提供する光学ファイバを備える。光学ファイバは、Ｎ
ｄ：ＹＡＧのようなレーザ材料て形成される。ジャケッ
トは、この光学ファイバの長さに沿ってその少なくとも
一部分を囲む。ジャケットは、ポンプ光を受ける第１の
端部と、第１の端部より小さい径を有する第２の端部を
含む。これらの端部間の移行部分は、第１の端部からの
ポンプ光を第２の端部に集光する。ジャケットの屈折率
は光学ファイバの屈折率より〜ｂ低く、集光されたポン
プ光がジャケットからファイバに屈折するようにし、こ
のため、光学信号がレーザ材料から光子の放出を誘導で
きるようにファイバ材料の電子の分布の反転を引起こす
。好ましくは、第２または小さい端部でのジャケラＩ−
の厚さは、光学ファイバの半径の約１／２より大きくな
いとよい。ジャケットは、ポンプ光がジ１７クツト内で
案内されるように、ジャケットの屈折率よりも低い屈折
率を有する、空気のような材料によって囲まれ、一方、
ジャケットは、光学ファイバ内で増幅される信号を案内
するクラツディングを提供する。好ましい実施例におい
て、ジャケツトはその中心の縦軸について対称的であり
、光学ファイバはそのような軸に沿って横たわる。

好ましい実施例において、ポンプ光は、レーザタイオー
ドのような光源によって生じ、好ましくは、たとえば、
コリメータレンズによって平行にされるとよい。光源は
、光学ファイバから半径方向にずれている位置でジャケ
ットの第１の端部に取付けるとよい。もし高パワーレー
ザダイオードが光源として利用されるならば、ダイオー
ドの発光領域の縦方向がジャケットの中心の縦軸を通過
Ｊる半径線に垂直となるように、ダイオードの発光領域
の縦方向を配向することは有利である。

レーザ材料から形成される光学ファイバをサイドボンピ
ングする方法においては、ファイバは、光学ファイバよ
り低い屈折率を有するジャケットで囲まれる。ジャケッ
トは、他方の端部の断面に比べて大きい一方の端部の断
面を有する。ポンプ光は大きい断面積を有するジャケッ
トの端部に導入され、そのようなポンプ光は他方の端部
に集光され、そのため、集光されたポンプ光はそれの周
囲に沿って増幅器ファイバに屈折され、電子の反転分布
を引起こす。好ましくは、小さい断面積を有する端部で
のジャケットの厚さは、光学ファイバの半径の１／２よ
り小さいと良い。

この発明のこれらおよび他の特徴は、図面を参照して最
も良く理解される。

［好ましい実施例の詳細な説明］ 最初に第１図〜第３図を参照して、この発明の好ましい
実施例は、ジャケット１４によって囲まれる信号または
増幅器ファイバ１２を含む。信号ファイバ１２はレーザ
材料からなり、それはＮｄ：ＹＡＧのようなイオンをド
ープした材料の単結晶として形成してもよく、それは、
増幅される周波数、すなわち、信号周波数でレーザ遷移
を有する。

例示の形態において、信号ファイバ１２ぽ約１００ミク
ロンの径を有してもよく、それはその長さに沿って一様
である。

周りのシャケ゛ット１４は、ガラス、結晶材料。

エポキシ、低損失プラスチック、または液体（もし適当
な予備成形または鋳型で含まれるならば）のような色々
な材料から形成してもよい。好ましい実施例において、
ジャケット１４は石英である。

このジトケツｉ〜１４は、円錐形であり、小さ＆Ｎ端部
１８に向ってテーバ状になっている太き（へ端部１６を
有し、それらの間に移行部分２０がある。

特別な例として、大きい端部１６は約３ミリメー１〜ル
の径を有してもよく、小さい端部１８は約２００ミクロ
ンの径を有してもよく、端部１６，１Ｅ３間の移行部分
２０の長さは約１センチメートルであってもよく、テー
バ角θは約８°であってもよい。図面は同一比率ではな
く、単なる図解にすぎないということが認識されるだろ
う。ジャケット１４は、好ましい実施例において、その
中心の縦軸４０（第２図）について対称的であり、ファ
イバ１２はジャケット１４の縦軸４０に沿って配置され
る。都合の良いことに、ジャケラｌ−１４ｔよファイバ
１２を囲むので、ファイバ１２の端部３０．３２は、た
とえば、伝送または搬送ファイバ（図示せず）への、た
とえば、突合せ結合のために容易に近づきやすい。

第２図で最もよくわかるように、ジャケット１４の大き
い端部１６は、ファイバ１２の径に比べて大きい径を有
する平らな面２２を有しており、複数個のポンプ光８Ｉ
２４をその上に取付【ノることができる。複数個のポン
プ光１１１２４は、ポンプ光を円錐形のジャケット１４
の大きい端部１６に入力するように面２２に取付けられ
る。好ましくは、光源２４による光入力は平行にされる
とよく、そのため、その伝搬方向は、最初円錐形のジャ
ク゛ット１４の中心軸に平行であり、信号ファイバ１２
に平行である。

次に続く記述に対して、増幅される入力光信号Ｓ、は、
信号ファイバ１２の一方の端部３０に入力され、増幅の
後、出力光信号Ｓ。としてファイバ１２の他方の端部３
２から出力されると仮定づる。しかしながら、通信や回
転検知への応用のような多くの応用において、信号はフ
ァイバ１２の両端部３０．３２に入力され、ファイバ１
２を通る伝搬方向にかかわらず一様に増幅されるべきで
あるということを認識すべきである。

ジャケット１４は、ボンピング源２４からの光の波長に
対して透明である。ジャケット１４が、この周波数でで
きる限り低損失特性を有することは好ましく、それゆえ
に、この周波数でＮｄ：ＹＡＧファイバ１２の吸収長さ
をできる限り短くすることは有利である。第１図〜第３
図かられかるように、ジャケット１４は都合の良いこと
にファイバ１２との３６０６の境界面を与え、このため
、ジ１１ケット１４からのポンプ光をファイバ１２に伝
達するためのファイバとジャケットとの大きい接触領域
を与える。

ファイバ１２とジャケット１４の屈折率は、信号ファイ
バ１２がその端部３０での信号８１人力を案内できるよ
うに選択される。このため、ジャケット１４はファイバ
１２に対しタラッディングを提供し、そのことは、特に
もしジャケット１４の屈折率がファイバ１２の屈折率に
接近しているが少しそれより低いならば、ファイバ１２
の伝搬損失を減少するのに有利である。たとえば、Ｎｄ
：ＹＡＧファイバと組合わせてジャケット１４に高屈折
率のガラスを使用すると、ファイバ１２で比較的低伝搬
損失を生じる。

ジャケット１４とファイバ１２の屈折率はまた、ポンピ
ング源２４からの光がジャケット１４からファイバ１２
に入り、ファイバ１２によって少なくとも部分的に吸収
され得るように選択される。

このため、好ましい実施例では、Ｎｄ　：ＹＡＧフ１イ
バ１２は、約１，８２に等しい屈折率ｎ１を有する。他
方、石英ジャケット１４は、約１．４５の屈折率ｎ２を
有する。最後に、ジャケット１４を囲む材料の屈折率ｎ
８は、ジャケット１４の屈折率ｎ２より小さい。このた
め、屈折率は１１゜＞ｎ　２　＞ｎ　８のように選択さ
れる。第１図に示される例において、ジャケット１４で
の表面の凹凸や結果として生じる散乱によって、ジャケ
ット１４と周囲の空気間の境界面で別なふうに起こる損
失を減じるように、第２のタラッディングがジトケット
１４を囲んでもよいということを理解１べきであるけれ
ども、屈折率０ｓは空気によって形成される。

光ポンプが円錐形のジャケット１４に入るとき、それは
、光が小さい端部１８に向って伝搬づるときに光を集光
し圧縮するように多重内部全反射を受りる。図解を明確
にづ−るために、第１図において、円８１を形のジャケ
ットに入る１本の光線２６のみが示されている。円錐形
のジャケット１４のテーパ形状によって、光線２６は、
円錐形のジャケラ１〜１４の壁に関して次々とより大き
い入射角で多重内部全反射する。先行技術でよく知られ
ているように、゛°入射角゛′という言葉は、光線（た
とえば、光線２６）と、反射面（たとえば、ジャケラ１
〜１４の壁）への光線の入射点でその面に垂直に引かれ
た線間の角を定義する。入射角が、ジャケット１４と周
りの媒体間の屈折率の差に依存する、゛臨界角″と普通
言われる角にりも大きい限りは、光線は皆ジ１７ケツト
１４の壁で反射される。

好ましい実施例において、ジャケットは非晶質の石英（
融解シリカ）で形成され、これに対して、周りの媒体は
空気であり、約４３．６°の臨界角を生じる。したがっ
て、円錐角θと円錐体の長さは、光が端部１６から端部
１８に向かってジトケット１４を通過するとき、入射角
が臨界角よりも小さく、そのため、ジャケット１４の大
きい端部１６に入る光の実質上ずべてが小さい端部１８
に結合されるように選択されるべきである。一般に、必
要とされる円錐角は、ジャケット１４と周りの媒体（た
とえば、空気）間の屈折率の差のみならず、入力面２２
の断面積の端部１８の断面積に対する比に依存する。円
錐角を計粋する数学的方法は先行技術でよ（知られてお
り、たとえば、△Ｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ　（１９
６７）、　１８〜２２頁のＮ。

Ｓ、　ＫａｔｌａｎＶ著によるＦ光学：原理と応用に記
述されている。光がジャケット１４を通って伝搬すると
き、入射角は次々と増加する【プれども、ジトケット１
４または他の案内構造の径が、たとえば、端部１８で一
様となり、ファイバ１２を囲むジャケット１４の厚さが
、相互作用領域２８と呼ばれる艮手部２７に渡って一般
に一様になるとき、入射角は結局固定する。

このため、円錐形のジャケット１４は、実際には、光源
２４によって人力され平行にされたポンプ光を小さい端
部１８に集光し、ポンプ光を圧縮し、そのため、ポンプ
光の光学密＊（すなわち、単位面積あたりの強度）は小
さい端部１８で増加する。この集光された光は、Ｎｄ　
：ＹＡＧ材料の長手部２７に沿って吸収され、このこと
は増幅を可能とするように相互作用領域２８で電子の反
転分布を引起こす。当業者は、光線２６がジャケラｔ−
１４／ファイバ１２境界面で屈折されることを理解する
だろう。図解を明確にするために、そのような光線２６
の屈折は第１図で示されていないが、第４図を参照して
以下の詳述で議論する。

上述のことから、ファイバ１２の屈折率ｎ、はジャケッ
ト１４の屈折率ｎ２よりも大きいので、システムによっ
て増幅されるべき、ファイバ１２の端部３０での信号入
力は、ファイバ１２内に適当に案内されるということが
理解される。ファイバ１２の屈折率ｎ、はジャケット１
４の屈折率ｎ２よりも大きいので、光源２４かうめボン
ピング光Ｓｔファイバ１２に屈折される。しかしながら
、円錐角θが適当に選ばれるならば、ジャケット１４の
屈折率ｎ２はまわりの材料（たとえば、空気）の屈折率
ｎ、よりも大きいので、第１図の例示の光線２６によっ
て示されるようなこのポンプ光は、ジャケット１４によ
って案内される。このため、ボンピング照明は、ファイ
バ１２によって最大限吸収されるようにジャケット１４
の範囲内に案内される。第１図に示されるように、光線
２６によって例示されるボンピング照明は、ファイバ１
２を通る光路長のファイバ１２とジャケット１４を通る
総光路長に対する比に比例する割合でＮｄ：ＹＡＧファ
イバ１２によって吸収される。この理由のため、特に相
互作用領域２８の長手部２７に渡って、Ｎｄ：ＹＡＧフ
ァイバ１２の単位長さあたりの吸収を増加するには、ジ
ャケット１４の寸法をできる限り小さくすることは有利
である。第１図および第３図で最もよくわかるように、
ジ１νケット１４は相互作用領域２８で事実上薄く、た
とえば、ファイバ１２の半径と同じオーダの大きさであ
る。

第４図は、光線が相互作用領域２８の縦の距離ｄを通っ
て伝搬するとき、信号ファイバ１２を通る光線２６の１
回の通過を示す概要図である。図解を明確にするために
、光線２６は軸光線、すなわち、ファイバ１２の縦軸４
０（第２図）を通過する平面内に連続的に横たわる光線
であると仮定する。第４図に示されるように、ポンプ光
線２６は、信号ファイバ１２に向って伝搬するために、
石英ジャケット１４とまわりの空気間の境界面で各θＰ
で内部全反射を受ける。ジャケット１４と信号ファイバ
１２間の境界面で、光線２６　ｔ、ｔ、それが角θ礼で
信号ファイバ１２に入るように屈折される。光線２６は
、信号ファイバ１２を横切って伝搬し後、それが再び角
ｏｒで石英ジャケット１４に入るように再び屈折される
。石英ジャケット１４と周りの空気間の境界面に到達す
るや否や、光１２６は角θＰで再び内部全反射される。

この連続は、相互作用ｉ域２８に沿ってそれ自身多数回
繰返す。

相互作用領域２８の距離ｄに渡る上述の光線２６の伝搬
中に、光線２６は、最初にボンアノ１イドまたはジャケ
ット１４の上部を通る光路長Ｐを横切り、それから信号
ファイバ１２を通る光路長Ｐｌを横切り、最後にポンプ
ガイドまた１よジャケット１４の下部を通る光路長Ｐを
横切る。しＩＣがって、増幅器ファイバ１２の光線２６
の総光路艮番よＰ′であり、これに対して、ポンプガイ
ド１４の総光路長は２Ｐである。ポンプガイド１４を通
るポンプ光線２６の通過は、ファイバ増幅器を２１ζン
ビングするのに寄与しないので、増幅器の相互ｆＬ用領
領域８の長さしに沿って吸収される４（ンブｌくワー量
は、信号ファイバ１２のポンプ光路長σ）　ＭＵ離りに
渡る総光路長に対する比に依存Ｊる。長さしあたりのそ
のような吸収されるポンプ／＜ワ一番よ次のように定義
される。

Ｐａｂｓ＝　ｅｘｐ（−ａ、　７７Ｌ）　・（１）ここ
で、α良はポンプ周波数での増幅器媒体の吸収係数であ
り、ηはポンプ構造の効率ファクタである。効率ファク
タは、増幅器の光路長の距離りに渡る総光路長に対する
比として定義される。

ここでＬはｄ　（第４図）と比較して大きい。このため
、効率ファクタηが１．０ならば、ポンプ光は（ｇ号フ
ンシイバ１２でその時間のすべてを費し、これに対して
、効率）１クタが０ならば、ポンプ光は信号ファイバ１
２で何も時間を費さない。

第４図の概要図において、ηは単純に次式で示される。

η−Ｐ’　／（Ｐ’　＋２Ｐ）　・・・（２）簡単な三
角法から、それは次式で示すことができる。

η（θ）＝εｃｏｓθｒ　／　［εｃｏｓθＰ＋［１−
（ｎ　２　／　（ｎ　＋　ｓｉｎθＦ　））’　］”　
］　−（３）ここでεは、信号ファイバ１２の半径ｒｔ
の、全体構造の半径ｒ、と信号ファイバの半径ｒＪＬ間
の差に対′する比である。別の見方で述べると、εは信
号ファイバの半径ｒ＆のジャケット厚さｒ、に対する比
に等しく、ｏ２およびｎ、はジャケット１４およびファ
イバ１２のそれぞれの屈折率である。

したがって、εは次式で示される。

ε＝ｒ入　／（ｒｃ　ｒ久）　・・・（４）もし増幅器
ファイバ１２の屈折Ｉｎ＋がジャケット１４の屈折率ｎ
２より少しだけ高いならば、式（２）は次式に帰する。

η（θ）−Ｓ：ｒａ　／ｒ　ｃ　−（５）このため、増
幅器の効率は、パワー吸収によって、相互作用領域２８
の全体構造の半径と比較してファイバ１２の半径に高く
依存する。したがって、ジャケット１４を相互作用領域
２８にわたってできる限り薄くすることは好ましく、フ
ァイバ１２が相互作用領域２８にわたってクラッドされ
ないようにジャケット１４をテーバ状にＪることはなお
さらもっと好ましい。しかしながら、当業者は、ファイ
バ１２の寸法に依存Ｊるので、ポンプ光のエネルギのは
“とんどがクラッドされないファイバ１２に残るよう十
分しっかりとポンプ光を集光することは困難であること
を認識するだろう。

典型的には、集光がしっかりしていればいるほど、光が
円錐形のジャケット１４を通って集光されるとき、その
損失は高くなる。

θｒがθＣに等しい（すなわち、ポンプ光線の入射角が
臨界角に等しい）と仮定する第５図かられかるように、
効率ファクタは、εを０．５から２に増加することによ
って約２倍になるが、εをさらに増加しても、効率ファ
クタは比較的少ししか増加しない。さらに、第５図は、
ジャケット１４の屈折率を１．４５から１．８０（それ
は、Ｎｄ：ＹＡＧファイバ１２の屈折率１．８２に接近
している）に増加することによって、効率ファクタは少
ししか増加しないことを示す。さらに、第６図に示され
るように、効率ファクタηは、εの１べての舶に対して
臨界角θ。の近くの角の広い範囲にわたってかなり一定
であり、効率ファクタは、θＰがθ。に等しいときに最
大になる。第５図および第６図から、εの値は好ましく
は２よりも大きく１べきであり、このため、増幅器ファ
イバ１２の半径隨は、好ましくは相互作用領域２８にお
けるジ！ｌケッＩ〜の厚さ「Ｐの少なくとも２倍にすべ
８であることがそれゆえに認識されるだろう。別の見方
で述べると、全体の半径「。は増幅器ファイバ１２の半
径「よの１・（１／２）倍よりも小さくすべきである。

第５図および第６図に示される値は、屈折率１．８２を
有するＮｄ：ＹΔＧ増幅器ファイバに対して、式（２）
を用い（ｎ１棹された。第６図に示される値は、屈折率
１．４５を有する石英ポンプガイドまたはジャケラｉ−
を仮定し、これに対して、第５図は、屈折率１．４５の
みならず、屈折率１．８０のジＩ７ケツ］−に対してプ
ロットされている。

より高次のモードを励起するために、光源２／１は、第
２図に示されるように、面２２の中心から周囲に向って
ずれているその面の位置に取（＝Ｊ　ＧＪてもよい。第
１図の光線図から、大きい端部１〔３の周囲に近い面２
２に入る光線（たとえば、光線２６）は、それらが端部
１８に到達する時まで、面２２の中心により接近して入
力される対応する光線（図示せず）よりも大きい入射角
を有りることが理解される。光線理論によれば、そのよ
うな増加した入射角はより高次のモードを表わしている
。

そのようなより６次のモードはファイバレー１Ｆ材料の
励起に有利であるかもしれない。なぜなら、光線（たと
えば、光線２６）は反射数を増加し、このＩこめ、それ
らが信号ノンイバ１２の長手部２７に沿って伝搬すると
き、信号ファイバ１２を通る通過数を増加し、それによ
って、相互作用領域２８の７ノ・イバ１２によるポンプ
光の実質的な吸収のために必要とされる長さを最小化す
るからである。酋替えれば、たとえＮｄ：ＹＡＧファイ
バ１２を横方向に通る１本の光線の光路は、その材１１
３１の吸収長さよりも実質的に短くてもよく、複数回の
通過は、Ｎｄ　：ＹＡＧファイバ１２内でポンプ光源照
明の実質的な部分の吸収を可能に覆る。

付加えるに、増幅器構造の端面２２と２９は、信号周波
数で光に透明であるが、ポンプ光を反射する高反射コー
ディングで被覆してもよく、そのため、増幅器構造を通
る最初の横断中に、Ｎｄ：ＹＡＧによって吸収されない
どんなポンプ光も反射され、さらにそれを通過する。

第７図に示されるように、各光源２４は、好ましくは、
ミクロレンズ５０と小型化された発光素子５２かうなる
とよく、この素子は、好ましくは、第８図に示されるよ
うなＮｄ：ＹＡＧの８００１１ｍ領域のような、高吸収
領域の１つで光を生じる高パワーレーザダイオードであ
るとよい。先行技術でよく知られているように、ミクロ
レンズは、中心から周囲への屈折率勾配によって集光特
性を有する非常に小さい光学ガラスロンドである。それ
らは、ニュージャージ州、クラーク、セントラルアヴエ
ニュ１３６の日本板ガラス（株ンのニュージャージ州支
店から商標名３　ｅｌｆｏｃ　Ｍ　１ｃｒｏＩｅｌｌｓ
ｅｓで販売されており、色々な長さ、径、焦点距１１１
゜および受入れ角で商業的に入手可能である。好ましい
実施例において、ミクロレンズ５ｏは約１ｍｒｃｌの焦
点距離を有する。レーザダイオード５２はミクロレンズ
５ｏ上に取付けられ、レーザダイオード接合はレンズ５
ｏの入力面に接近している。レンズ特性は、レーザダイ
オードによって生じる光を平行にするために選択される
。レンズ５ｏ土へのレーザダイオード５２の取付は、接
着または機械的取付のような何か適当な方法によって完
成してもよい。レンズは、次々に、円錐形のジャケット
１４の而２２に、たとえば、光学セメントによって取付
けてもよい。もし望まれるならば、数個のレーザダイオ
ード５２が、パワーをさらに増加するために１個のレン
ズ５０上に゛積重ね°′られてもよい。このような場合
、ダイオードは、一方が他方の上部になるように置かれ
てもよく、このときには、ダイオードの縦の側面は互い
に接触する。さらに、図面は、面２２に取付けられる３
つのイのような光源２４を示しているが、もつと多くの
またはもつと少ない光８！２４が利用されてもよいとい
うことが理解される。

当業者は、もしレーザダイオード５２として用いられる
特別なダイオードが、不十分な空間的コヒーレンスの度
合を有し、または多重モードであるならば、発光領域の
長さくすなわち、レーザダイオード接合に平行な１法）
を相互作用領域２８における増幅器の全体の半径「、（
第４図）よりももつと大きく作ることは一般に実用的で
ない。

他の点では、空間的インコヒーレンスによって引起こさ
れる回折によって、またはより高次のモードが案内され
ないようになることによって、ｔＩｉ射損失が起こる。

あいにく、現在商業的に入手可能な高パワーレーザダイ
オードは、典型的には多重モードであるか、または相対
的に不十分な空間的コヒーレンスを有するか、またはそ
れら両方である。この状況は、レーザ技術が進歩づると
き緩和されるだろうと期待されている。

第１図、第２図および第７図を参照して、レーザダイオ
ード５２は、コリメータレンズ５０なしに利用されても
よく、そのため、光はダイＡ−ド５２から直接面２２に
入力される。しかしながら、このような場合、伝送損失
は、典型的にはコリメータレンズがある場合よりも大き
い。なぜなら、レーザダイオードは一般に光を発敗り−
るパターンで発光し、発散する光線のあるものは円錐形
の移行部分２０の壁に関して臨界角を越え、てれにＪ、
って放射損失を引起こす。試験は、平行にされなかった
入力ビーム（ミクロレンズなし）ｅは、円錐体を通る伝
送（すなわち、相互作用領ＩＩｉ！２８に結合される入
力光の小部分）は、約１０％より人さくなく、一方、平
行にされた光（ミクロレンズあり）に対しては、伝送は
７０％またはこれ以上に増加することを示す。このため
、レーザダイオード５２と組合せてコリメータミクロレ
ンズ５０を使用することは非常に右利である。

平行にされなかった光（ミクロレンズなし）に対して、
円錐形の移行部分２０を通る伝送は、面２２のレーザダ
イオードの位置から実質的に独立しているように見える
。しかしながら、１つの実験において、平行にされた光
（ミクレンズ５０あり）に対して、円錐形の移行部分２
０を通る伝送は、光源２４を軸４０（第２図および第３
図）から離れＣ面２２の周囲に向って移動したとき、最
大に増加したことが見出された。最適な伝送位置は、パ
ワー伝送が、端面２９で測定されるとき、最大になるま
で、光源２４の１つを面２２の円錐軸４０から半径方向
に外側に滑動（ることによって見出１ことができる。こ
の光源２４は、そのときこの位置に永久に取付番）られ
るとよい。同じプロセスは、他の光源２４を取付けるの
に利用できる。付加えるに、最適な伝送に対して、ダイ
Ａ−ド５２が軸４０（第２図および第３図）７’＋１１
５ずれているとき、その発光領域の最大寸法（寸なわら
、長さ）が、第２図に示されるように、軸４０を通過す
る平らな面２２上の想像上の半径線６８に垂直となるよ
うに、各ダイオード５２を配向づることは好ましいこと
である。

このため、円錐形のジャケット１４は、特に高パワーレ
ーザダイオードとコリメータミクロレンズを組合わせて
用いるとき、高い光学パワー吊が相互作用領域２８に、
したがってファイバ１２に結合されるのを可能にする。

そのような高い光学ポンプパワーはＮｄ　：ＹＡＧファ
イバ１２の励起を増大し、それによって増幅を高める。

今、３００°にでのＮｄ：ＹＡＧ結晶の吸収スペクトル
図である第８図を参照すると、Ｎｄ：ＹＡＧ材料は比較
的高い光学密度を有し、このため、選択された波長で短
い吸収長さを有することがわかる。この理由のため、Ｎ
ｄ　：ＹＡＧファイバ１２でボンピング照明の吸収を最
大化するために、したがって、増幅器構造内でボンピン
グ照１１１１の実質上完全な吸収をなお可能としながら
、ファイノ＼１２の艮手部２７をできる限り短くするこ
とｈ−できるように、これらの周波数の１つで放射線を
／ｉ欠出りるようボンピング照明ｍ２４（第１図）を選
ＩＪＩ！ｉｊることは賢明である。当業者＆よ、ファイ
ノ＜１２を通る信号Ｓ、の伝搬損失を減じるよう、ファ
イバ１２をできる限り短く作ることＧよ右手りて・ある
ということを理解するだろう。第８図ｈ）られｈＸるよ
うに、波１ｕ０．７５ミクロンと０．８１ミクロンは照
明源２４に比較的よく適Ｊ゛る【Ｊれども、波長０．５
８ミクＤンはよく適する。

今、Ｎｄ　：ＹＡＧ結晶のエネルギ準位図である第９Δ
図を参照すると、上述の吸収波長ｒのｉｆｓンブ光がＮ
・（１：ＹＡＧ結晶によって吸１反さ１’Ｌるとき、ネ
オジミウムイオンは基底状態カーらポンプｌベン１ζに
励起されることが理解さｉする。ン１ζンプノ＼ンドｈ
＼ら、イオンは、光子相互作用によって、高レーザ卑（
＜ｌへ急速に緩和する。この高レーザ準位ｈ＼ら、ネＡ
ジミウムイＡンは低レーザ準位へ螢光を発する。この後
者の単位から、最後の急速光子緩和ｈ（基底状態へ起こ
る。第９ＡＥ４こ示さｌＬるタイプの４準位レーザシス
テムにおＩｆるこの（殺者の急速緩和は、都合の良いこ
とである。と（＼うの【ま、そ１１は実際上空の低エネ
ルギ準位を与えるｈＸらである。

この特徴は第９Ｂ図に示されており、そこ−ぐ１１；ン
ブバンドの分布密僚、高レーザ単位、（代し−１ｆ　ｌ
ｉｔ；位、そして基底状態が、連続ポンピング１１１の
Ｎｄ：ＹＡＧファイバに対して示されて（洩る。高し−
蚤ノ゛準位と低レーザ単位間の螢光の速１ｔま、低レー
デ単位と基底状態間のみならず、４；ンブノ＼ン１ｚと
高レーザ単位間の光子緩和と比べて１Ｌ較的遅り、烏レ
ーザ準位の分布密度は低レーザ準（ηのそれよりも実質
的に高く、高い反転比を生じる。高し−１）単位の平均
寿命は、誘導放出に先立って２３０マイクロ秒である。

第１０図は、次の議論で例としてＩｌｌ　ｕＸらｉｔ　
７．、）　Ｎｄ：ＹＡＧ材料のレー→ｆ遷移のみならず
、この材料の多重エネルギ状態を非常に詳細に図解して
一しする。

励起されたレーザファイバ１２（第１図）を通って進む
、レーザ遷移波長（１，０６４ミクロンに等しい）、す
なわち、高レーザ単位と低レーザ単位間の緩和中にＮｄ
　：ＹＡＧイオンによって放射される光の波長の１つ、
の入力光信号は、信号と同じ周波数で、コヒーレントで
光子の誘導放出をｌ−リガし、信号はそれによって増幅
される。このため、この周波数での光の通過は、第９Ａ
図の高レーザ作用単位と低エネルギ単位間の光子放出緩
和を、増幅される光信号と位相が一致して引起こし、入
力光信号に対して有効な利得を生じる。

この発明の増幅器で達成することができる利得は、Ｎｄ
：ＹＡＧ結晶内で反転されたネオジミウムイオン分布の
密度に依存する。

この発明の増幅器の単位長さあたりの小さい信号和１り
Ω。の理論的計算は、す。＝σΔＮという関係を用いて
行なうことができる。ここで、σは右動誘導放出断面積
であり、Ｎｄ　：ＹＡＧについて１．０６ミクＯメータ
の遷移に対して約３．０×ｉ　Ｑ　−１９ｃｌｅ２であ
り、ΔＮは次式によって与えられる反転分布密度である
。

ΔＮ＝　（Ｐｒ　／Ｖ）　・　（ｔｆ　／ｈ　νｒ）＝
（６）ここで、Ｐｒは信号ファイバ１２によって吸収さ
れる総吸収ポンプパワーであり、■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
の総吸収ポンプパワーであり、ｔｆは第９Ａ図の高レー
ザ準位■の螢光寿命であり、すなわち、ネオジミウムイ
オンについて２３０マイクロ秒の螢光緩和時間であり、
ｈνｒはポンプ光子エネルギに等しい。

長さＬの増幅器ファイバの利得γ。は次式で表わされる
。

γｏ＝ＯｏＬ　・・・（７） 上の関係を組合わせて、利得γ。は次式になることがわ
かる。

γ０＝σ・（Ｐｒ　／Ａ）　・（ｔｆ　／ｈνｒ）・・
・（８） ここでＡは増幅器ファイバの断面積である。

値ＰＰは吸収ポンプパワーであり、ファイバ１２の長さ
の増加は必ずしも利得を増加しないということを認識す
べきである。このため、もしファイバ１２の長さが、Ｎ
ｄ　：ＹＡＧファイｌ＼を通過するポンピング発光が本
質的に完全に吸収されるほど十分であるならば、そのと
き、この式の１１１［ＰＰは入力ポンプパワーによって
置換えることができる。０．８１ミクロメータの典型的
なポンプ光子波長に対して、ｒｏの値は、１２０ミクロ
ンの仔を右するファイバで１１　Ｗａｔｔに等しいＰｒ
に対して０．０１ｄＢに等しい。しかしながら、正味列
１りを得るには、γ。から、信号がファイノ＼１２を通
って伝搬するときに信号によって受（Ｊる１゜０６ミク
ロンでのファイバ伝搬損失を引かな番〕ればならない。

１ＫＩＩｌあたり１００ｄＢの７アイノ＼損失は、１ｃ
ｍあたり０．００１ｄＢだけの利得ということになる。

このため、増幅器全体の長さが、！ことえばポンプパワ
ーのほとんどがファイバの知い艮ざにわたって実質的に
吸収されるように配置することによって、比較的短く維
持することがでさるならば、増幅器内の伝搬損失（よ低
レベルに維持することができる。

相互作用領域２８に入る光源２４からのｊＪｃンピング
光は、最初接近した端部１８に吸収される傾向があり、
このため、ファイバ１２の相互作用領域の長手部２７は
、光源２４によって一様に照明されないかもしれないと
いうことがｍｌされる。

このため、ネオジミウムイオンの反転された分布は、長
手部２７に沿って対称的に分布しない力）もしれない。

この非一対称を補償するために、反転されたネオジミウ
ムイオン分布が、ファイバ１２の長手部２７に沿って対
称的であることを確実にするために、石英ジャケット１
４を両端部で同時にポンプすることは有利である。また
、両端部ｈｔらのボンピングは、ジャケット１４でもつ
と多くのポンプパワーを生じ、したがって、もつと多く
の利得を生じる。

したがって、第１１図に示されるように、ジｔ！ケット
１４は、複数個の光ｍ２４′が取ｆりけられる大きい端
面２２′を有する第２の円錐形の移？ｊ部分２０′を含
んでもよい。円錐形の移行部５）２０′は円錐形の移行
部分２０と同一であってもよく、光源２４゛′　は光Ｗ
Ａ２４と同一であってもよい。

このため、第１１図の配置について、ポンプ光はジ１ｒ
ケット１４の両端部２２．２２’　に入力され、円錐形
の移行部分２０．２０’　は、それの向い合った端部か
ら相互作用領域２８への導入のためにこのポンプ光を集
光する。ポンプ光源２４と２４′からＮｄ：ＹＡＧファ
イバ１２に供給されるボンピング照明は、連続の原則に
基づいて、信号が増幅されるときに起こるファイバ１２
内のすっかり空になった分布を埋め合わせるのに十分で
なければならないということもまた認識されるべきであ
る。このため、たとえば、パルス信号がＩＫｍのファイ
バを通って循環するジャイロスコープにおいては、逆−
伝搬信号は各５マイクロ秒に約１回増幅器を横切る。も
し連続ポンプ源が用いられるならば、信号によって受け
る増幅器利得が比較的一定のままであるように、緩和し
た分布に等しい分布を再反転するために、各５マイクロ
秒の期間中に、連続ポンプ源が、信号の各連続する横断
中に緩和したネオジミウムイオン分布を再反転すること
ができるよう、連続ポンプ源は十分な出力を与えるべき
である。

第１図または第１１図に示される構造は、しし端部（た
とえば、第１図の端部３０と３２、または第１１図の端
部３０と３０′　）が適当に反射づるようにされている
ならば、Ｎｄ：ＹＡＧファイバのレーザ周波数で照明用
の発振器または光沢；を与えるということもまた認識す
べきである。このため、ファイバ１２の端部３０（第１
図および第１１図）にレーザ周波数で照明のはと／Ｖど
１００％を反射する反ｔＪＪ鏡を置くことによって、か
つファイバ１２の他の端部（たとえば、第１図の端部３
２および第１１図の端部３０′）に同じ周波数で照明の
低パーセントを反射する第２の反射鏡を置くことによっ
て、第１図および第１１図に示される構造はファイバレ
ーザ光源として用いることができ、コヒーレント光波は
、ファイバ１２を通って後方および前方に反射され、フ
ァイバに対してレーザ周波数で光のコヒーレント波面と
して、端部３２の部分反射鏡を通って放射される。

第１図Ｊ５よび第１１図に示される構造がレーザ光源と
して用いられるとき、ボンピング源２４（第１図および
第１１図）と２４′　（第１１図）は、ボンピング波長
で定常状態の光出力を与えることができ、その場合、定
常状態の連続光出力は、ファイバ光源によって与えられ
る。もし、他方では、光源２４と２４′からのポンピン
グ光が変調されるならば、変調された出力を第１図およ
び第１１図の構造内で生じることができる。

円錐形のジャケット１２は、大きい端部１６の径に等し
い径を有する中空の石英ロッドを用いて製作することが
できる。ロッドは高温炎で加熱され、ファイバ１２がそ
こに適合するようにロッドの経を減少しながら、急速に
引き離される。それか−うロッドの端部はへき開面にさ
れ、ロッドの中空部は、それから石英ロッドの屈折率に
等しい屈折率を＠づる屈折率整合材料で充填される。傾
面２２．２９は、たとえば、伯の適当な方法によってロ
ッドの端部に接着されまたは取イ１番ノられる小型の光
学ガラス板を利用して形成される。当業者は、前述のプ
ロセスが研究所段階の技術Ｃあり、もつと高度に洗練さ
れた製作技術もまた利用でさるということを認識するだ
ろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、円錐形のジャケットに埋め込まれたＮｄ：Ｙ
ＡＧ光学ファイバを示す、この発明の増幅器の好ましい
実施例の物理的配置を示１図である。 第２図は、円錐形のジャケットの人ぎい端面に取付けら
れたレーザダイオードとコリメータレンズを示す、第１
図の配置の一方の端部の正面図であり、レーザダイオー
ド接合に平行な司法（すなわら、接合の縦の寸法）が、
円錐形のシトグツトの縦軸を通過する半径線に垂直に配
置される、レーザダイオードの好ましい配向を図解して
いる。 第３図は、相互作用領域でジャケットの減少した厚さを
図解している、第１図の配置の他方の端部の正面図であ
る。 第４図は、例示の光線が、相互作用領域の長さｄにわた
って、増幅器構造の一方の側の空気／ジトグット境界か
ら、増幅器構造の他方の側の空気／ジャケット境界に伝
搬するときのその光線の光路を示づ概要図である。 第５図は、ジャケットの屈折率の２つの例示の範囲値、
ずなわら、１．４５および１．８０に対しで、ファイバ
の半径のジャケットの厚さに対する比の関数であるポン
ピング効率のグラフである。 第６図は、増幅器ファイバおよびジャケットの屈Ｆｉ率
の例示の値、すなわち、それぞれ１．８２ａ３よび１．
４５に対して、ファイバの半径のジャケットの厚さに対
づる比の色々な値に対してポンプ光線伝搬角の関数Ｃあ
るポンピング効率のグラフである。 第７図は、第１図および第２図の光源の１つの拡大斜視
図である。 第８図は、３００’　Ｋｒ（７）Ｎｄ　：　ＹＡＧ（７
）吸収スペクトルを示す図である。 ｆｆｌＱＡ図、ｆ４ＴＱＢ図は、Ｎｄ：ＹＡＧのような
４準位レーザ材料の単純化されたエネルギ単位図である
。 第１０図は、Ｎｄ：ＹＡＧのエネルギ単位図である。 第１１図は、増幅器ファイバが向い合った方向からポン
プされる、この発明のファイバ増幅器の代わりの実施例
の物理的配置を示づ図である。 図において、１２は信号または増幅器ファイバ、１４は
円錐形の石英ジャケット、１６は大きい端部、１８は小
さい端部、２０．２０’　は移行部分、２２．２２’　
、２９は端面、２４．２４’　はボンピング照明源また
はポンプ光源、２６は光線、２７は長手部、２８は相互
作用領域、３０．３０’。 ３２はファイバの端部、４０は縦軸または円錐軸、５０
はミクロレンズ、５２は発光素子またはレーザダイオー
ド、６８は半径線、Ｓｌは入力光信号、Ｓｏは出力光信
号である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）コヒーレント光を生じるファイバ光学装置であっ
   て、 レーザ材料で形成され、かつ第１の屈折率を有する、光
   学信号を案内する光学ファイバを備え、前記光学ファイ
   バの少なくとも一部分を囲む、かつ第２の屈折率を有す
   るジャケットとを備え、前記ジャケットは、ポンプ光を
   受ける第１の端部と、前記第１の端部より小さい径を有
   する第２の端部と、前記第１および第２の端部間の、前
   記第１の端部からの前記ポンプ光を前記第２の端部に集
   光する移行部分とからなり、前記集光されたポンプ光を
   前記ジャケットから前記ファイバに屈折するようにし、
   前記レーザ材料の電子の分布の反転を引起こし、前記光
   学信号が前記レーザ材料から光子の放出を誘導すること
   ができるよう前記第２の屈折率は前記第１の屈折率より
   低く選ばれた、ファイバ光学装置。
2. （２）　前記第２の端部の前記ジャケットの厚さは、前
   記光学ファイバの半径の１／２より大きくない、特許請
   求の範囲第１項記載のコヒーレント光を生じるファイバ
   光学装置。
3. （３）　前記ポンプ光を生じる光源をさらに備える、特
   許請求の範囲第１項記載のコヒーレント光を生じるファ
   イバ光学装置。
4. （４）　前記ポンプ光源は平行にされた光を生じる、特
   許請求の範囲第３項記載のコヒーシン１〜光を生じるフ
   ァイバ光学装置。
5. （５）　前記光源は、前記ポンプ光を、前記光学ファイ
   バから半径方向にずれている位置の前記第１の端部に導
   入する、特許請求の範囲第３項記載のコヒーレント光を
   生じるファイバ光学装置。
6. （６）　前記ポンプ光源は、発光領域の縦方向が、前記
   ジャケットの中心の縦軸を通過フる半径線に垂直となる
   ように配向された高パワーレーＩＪ’ダイオードからな
   る、特許請求の範囲第５項記載のコヒーレント光を生じ
   るファイバ光学装置。
7. （７）　前記平行にされるポンプ光源は、高パワーレー
   ザダイオードとコリメータミクロレンズとからなる、特
   許請求の範囲第４項記載のコヒーレント光を生じるファ
   イバ光学装置。
8. （８）　前記ジャケットはその中心の縦軸について対称
   的であり、前記光学ファイバは前記ジャケットの中心の
   縦軸に沿って横たわっている、特許請求の範囲第１項記
   載のコヒーレント光を生じるファイバ光学装置。
9. （９）　前記ジャケットは、前記光学ファイバ内に前記
   光学信号を案内するクラツディングを特徴する特許請求
   の範囲第１項記載のコヒーレント光を生じるファイバ光
   学装置。
10. （１０）　前記材料の電子の分布の反転を引起こすよう
    にレーザ材料で形成される光学ファイバをサイドボンピ
    ングする方法であって、前記光学ファイバを、前記光学
    ファイバより低い屈折率を有するジャケットで囲むステ
    ップを含み、 前記ジャケットは、他方の端部の断面に比べて大きい一
    方の端部の断面を有し、 ポンプ光を前記ジャケットの前記一方の端部に導入する
    ステップと、 前記ジャケットの前記一方の端部からの前記ポンプ光を
    前記他方の端部に集光するステップと、前記反転分布を
    引起こすように、前記他方の端部からの前記集光された
    ポンプ光を、その周囲に沿って前記光学ファイバに屈折
    するステップとを含む、光学ファイバをサイドボンピン
    グする方法。
11. （１１）　前記他方の端部の前記ジャケットの厚さは、
    前記光学ファイバの半径の１／２より小さい、特許請求
    の範囲第１０項記載の光学ファイバをサイドボンピング
    する方法。