JPS60115277A - フアイバ光学増幅器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １１因九匙 この発明は、ファイバ光学増幅器に関づ−る。アメリカ
合衆国政府は、この発明に関し、契冷勺番号Ｆ３３６１
５−７９−Ｃ−１７８９に従って、空軍省科学調査局に
よって付与された権利をイｊする。

この発明は、゛ファイバ光学増幅器″と題さｔし、１９
８２年１２月１０日に出願された同時係属中の特許出願
連続番号４４８．７０７　（欧州公１？ｉ１番号０１１
２０９０）において開示されているブを明の改良を含ん
でいる。

いくつかの材料のレーザ放射能力に基づく光学増幅器の
概念は、特に巨視的なレベル１こお０χ−よく知られて
いる。したがって、たとえば、管状の反射性空洞内に数
ミリメートルの直（￥Ｊ３よび数センチメートルの長さ
で、ボンピング光源お、ｌびｌｊ結晶ネオジム−イツト
リウム・アルミニラｔ＼・）ｆ−ネット（Ｎｄ　：ＹＡ
Ｇ）ロッドを配置りることが知られている。たとえば、
光源おにびＮｄ：ＹＡＧロッドは各々、市内形の断面を
０づる空洞の２つの焦点に沿って延びるように配置さｉ
する。−でのような構成において、光源によつ−Ｃ放射
さｔＬ　ｈｌつ空洞壁から反射された光は、Ｎｄ：ＹＡ
ＧＩ−１ツドと衝突する。光源は好ましくは、Ｎｄ：Ｙ
ΔＧ結晶の吸収スペクトルに対応する波長を放射するよ
うに選択され、このため、結晶のネオジムイオンのエネ
ルギ状態は上位レーザレベルより高いエネルギレベルへ
反転される。反転の後に、フォノン放射を介するネオジ
ムイオンの最初の緩和が、上位レーザレベルにイオン分
布を生じさせる。上位レーザレベルから下位レーザレベ
ルへイオンは緩和して、Ｎｄ：ＹＡＧ材料に固有の波長
の光をｂＪｌ躬する。有利なことに、この下位エネルギ
レベルは、イオンに対する基底レベルよりも上にあり、
このｔ＝め、この下位エネルギレベルと基底レベルとの
間でＤ速なフォノンに助けられた緩和が生じ、ボンピン
グされたイオン内で、高い反転率を上位レーザレベルと
この下位エネルギレベルとの間に存在させ続【ノること
を可能にプる。

分布がそのように反転されるとともに、レーザ技術から
周知のように、Ｎｄ　：ＹＡＧはまた、けい光、寸なわ
ちコヒーレントでない光のランダムな放射をもたらす。

この自然放射は、反転された状態の平均寿命すなわちＮ
ｄ：ＹＡＧに対する約２３０マイクロ秒に等しい時定数
を伴って光ｉする。

もしも、Ｎｄ：ＹＡＧロッドのネオジムイオンが反転さ
れた後に、レーザ遷移周波数にお【ノる光信号が、ロッ
ドを介して伝送されるならば、１１号フォトンは、下位
エネルギレベルへのネオジムイオンの遷移を１〜リガし
、誘導放射の一１ピーレン１〜な放出を引き起こし、こ
れは伝送されｌζ信２Ｊに効果的に加わり、したがって
この信号を増幅する。

ボンピング波長におけるＮｄ：ＹΔＧ結晶の吸収長（す
なわち、照射の６０％が吸収される前に照射がそこを介
して通過しなければならない４４　Ｉ＋の長さ）は、典
型的には約２ｍｌｌ１またはでれ以上（・あり、さらに
、増幅構造に用いられたＮｄ：ＹＡＧ結晶は、少なくと
もこの人ささの直ＩＹを４’ｉ　シ’１おり、このため
、結晶は、空洞壁からのＡ４初の反射および結晶を介す
る通過期間中にボンピング放射の実質的な部分を吸収す
ることが′Ｃきる。ししも、結晶を介するこの最初の通
過ＪＩＩＪ間中に、ボンピング照射が吸収されなければ
、それＧ；Ｌ　、空洞壁によって反射されて光源に戻さ
れ、そこで、再吸収されて光源に熱を生じさせ、かつ増
幅器全体の効率を低下させるであろう。

ファイバ光学システムにおける増幅器としてそのＪ：う
に大きな直径のＮ（１：ＹＡＧロッドが使用されたとき
に、光学ファイバからの光の焦点をＮｄ：ＹＡＧロッド
内に合わせ、かつＮｄ：ＹＡＧ［」ラドからの増幅され
た光信号の焦点を他方のファイバ内に合わせて戻Ｊため
に、レンズのような光学的構成要素を用いることが必要
であると考えられている。そのような光学システムは、
注意深い調整を必要とし、かう撮動や熱の影響など環境
の変化を受けやすい。さらに、光学構成要素と、Ｎｄ：
ＹＡＧ　＋］ラッド大きさとは、増幅システムを比較的
大きなものにし、したがっていくつかの応用例について
は非現実的なものとしている。さらに、ロッド内におけ
る高いエネルギ密度を帷持し、有意義な光学利１りを１
９るために、Ｎｄ：ＹＡＧロッドの大きなサイズは、多
量の入力ボンピング」−ネルギを必要とり゛る。そのよ
うに大きなボンピングパワーは、高出力ボンピング光源
を必要とし、典型的には空洞を液体で冷却づることによ
−）で消失されなければならない熱を実質的に発と１４
る。

いくつかの通信での応用のように、多くの応用例におい
てこのタイプの増幅器が有用て゛ある一万で、再循環フ
ァイバ光学ジャイＯス−１−１にＪ３　ＧＪる使用は、
増幅器システムに厳しい制限をＬノえている。そのよう
なジャイロスコープでは、光学ノ１イバは、典型的には
ｌ　ｋｍまたはイれ以」二の長さで、ループ状に巻かれ
ており、かつ光（＋ｊ　′Ｆ４　ｔ、ｔ、す（型的には
双方の方向にループ内を再循環さＵられる。ループの動
きは、ジャイＬ、Ｉスニ１−ブの回転を測定するために
用いられる対向し゛（伝Ｊｌｌｉ−Ｊる光１１１号の間
に位相差を引き起こり。イのよ・）４１ジトイロスコー
プにおいては、ファイバに沿った１回の信号の通過にお
いて誘起される位相差は比較的小さく、かつこの位相差
を大きくするために、ひきるだけ多い回数ループ内で入
力光を再循環さＵることが有利である。

ｌｋｍ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％を失う。もしも増
幅器が、ループに直列に配置されていれば、ぞして双方
向的に対向して伝播する光信号を２ないし３　（１Ｂだ
け増幅づることができれば、ループ内で光信号を何回も
伝播させることができる。

あいにく、上述のような先行技術のＮｄ：ＹＡＧロッド
増幅器の比較的大きな寸法、高出力および冷ｆＪ）の必
要性は、そのような増幅器を高精度のジャイ１コスコー
プについては非実用的なものにしている。もちろん、こ
れらの要素はまた、通信回路網のような他の応用例にお
けるそのような増幅器の利用をも制限している。

１１匹」Ｌ この発明は、第１の屈折率を有するボンピングファイバ
と、第１の屈折率よりも高い第２の屈折率を有する増幅
器ファイバとを含むファイバ光学増幅器に関Ｊるもので
ある。ボンピングファイバは、石英のような受動的材料
から形成され、一方で増幅器ファイバは、Ｎｄ：ＹＡＧ
のような能動的レーザ材料から形成されている。２つの
フッ・イバは極めて接近して配置されて干渉領域を形成
し、第１のファイバから第２のフ１イバヘ光を転送りる
。

円錐形状のロッドは、ボンピング光をボンピングファイ
バへ導入するために利用される。ｔＪＹましくは、ロッ
ドおよびボンピングファイバは、７．１英のような同一
の材料によって一体として形成される。このロッドは、
ファイバと同じ大ささに形成されてボンピングファイバ
の一方の端部に光を導入する第１の端部と、フ１イバと
同じ人ささの第１の端部よりも実質的に大きな直径を右
りる第２の端部とを含んでいる。複数の光源は、より人
さな第２の端部、に光を導入するように装杓され、かつ
円錐形状のロッドは、より小さなノフ・イバと同じ大き
さの第１の端部にこの光の焦点を合わけてボンピングフ
ァイバ内に導入づる。ボンピング光は、干渉領域におい
てボンビングツ７・イバがら増幅器ファイバへ転送され
、かつ増幅器ファイバによって吸収されてレーザ材料内
に電子反転分布を引き起こり。増幅器ファイバの単位長
さあたりの光の吸収を増大づるために、光源は、ロッド
の軸からずれた位置に８ｉ着されて上位モードの励起を
引き起こす。

好ましくは、光源は各々実質的に平行な光を生ずる。好
ましい実施例にＪ３いて、光源は、レーザダイオードと
、光を平行にするマイクロレンズ（以下、平行マイクロ
レンズ）とを含み、この平（ｊマイクロレンズ゛は、レ
ーザダイオードと、円錐形状のロッドの第２の端部との
間に配置される。

もしも望むならば、レーザダイオードａ３よび平行レン
ズの（＝Ｊ加的な紺が、入力パワーを増大づるために円
１１形状のロッドの第２の端部に加えられてムよい。レ
ーザダイオードは好ましくは、放射領域の縦方向の長さ
がロッドの軸を介して通過り゛る半径方向の線に対し垂
直となるように装着される。

ボンピングファイバに入力されたパワーは、ボンピング
ファイバの緘封側の端部に第２のボンピング光源を配置
づることによってさらに増大され、このため、ボンピン
グファイバは双方の方向からボンピングされる。サグナ
ックジャイ１」スフ１−ブのような、波が増幅器ファイ
バを介して対向８Ｉる方向に伝播するシステムにおいて
この発明の増幅器が用いられるときに、これは特に４１
刊ぐある。

そのような第２のボンピング光源は、上述のような、円
錐形状のロッドと、レーザダイオードと、平行マイクロ
レンズとを含んでいる。さらに、典型的には、空間的コ
ヒーレンス性に乏しくまＩこはマルチモードである、現
在利用可能な高出力レーザダイオードのためには、その
ようなレーザダイオードの放射領域の長さは、円錐形状
のロッドのＪ：り小さなファイバと同じ大きさのＱｉ：
部のｉ仔Ｊ、りも大きいことが好ましい。

この発明はまた、光学増幅器をボンピングする方法を含
み、この方法は、円錐形状のロッドの中央の軸から離れ
た個々の位置に、複数の光源を装着することによって、
円錐形状のロッドの−Ｈの端部にボンピング光を与えて
円錐形状のＬ１ツドの他方の端部において上位モードを
励起するスうツプを含む。この方法はまた、０ツドの他
方の端部を光学的に結合して増幅器ファイバをボンピン
グづるステップを含んでいる。ポンピング光を与えるス
テップは好ましくは、レーザ光源とロッドとの間に平行
マイクロレンズを配置するステジブを含み、このため、
入力ポンピング光は平行にされる。

この発明のこれらのおよび他の利点は、図面を参照づる
以下の説明を通じて最もよく理解されるであろう。

好ましい実施例の１細な普１ まず、Ｉ！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　ａ３よび
信号ファイバ１４を含むサイドボンピングされた増幅器
を備えている。ボンピングファイバ１２は、賎型的には
石英ファイバであり、典型的な形状では、はぼ２００ミ
クロンの直径を有している。このファイバ１２は、はぼ
１２０１１の長さ１６を通じて信号ファイバ１４と平行
に、かつ極めて接近して延びており、このような長さ１
６に沿って干渉領域をもたらしている。信号ファイバ１
４は、レーザ材料であり、これはたとえば、ボンピング
されたときに、増幅されるべき信号の周波数における光
学利得を与えるイオンドープされた材料の単結晶を含ん
でいる。第１図において、そしてそれに続く説明を参照
して、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、かつ増幅器後におい
ては、ファイバ１４の第２の端部２０からの出力である
ということが推測されるであろう。しかしながら、通信
および回転感知の応用のような、多くの応用例において
は、信号はファイバ１４の双りの端部１８および２０に
入力され、かつファイバ１４を介する伝播の方向に関係
なく増幅されるということが認識されるべきである。

この典型的な実施例においては、ファイバ１４は１００
ミクロンの直径を有している。ファイバ１２および１４
の平行な伸張部分の長さ１６を通じて、これらのファイ
バは外被２２内にカプセル封じされ、この外被２２は、
後述するように、ファイバ１４をボンピングするために
用いられる照射に対Ｊる導波管を提供する。好ましい実
施例にＪ３いて、これらのファイバ１２４３よび１４の
双方は、外被２２がクラッドをもたら１範囲を除いて、
クラッド型ぐはない。

ファイバ１４は、Ｎｄ：ＹＡＧ月料材料結晶で形成され
る。１対の光ｉｔ！　２４および２６は、ボンピングフ
ァイバ１２の対向する端部に結合されて光エネルギまけ
たポンピング光を与え、Ｎｄ：Ｙ△Ｇ帖晶１４内でネオ
ジムイオンの電子分イＩを反転して増幅を行なう。

外被２２と同様に、フフイバ１２は、ボンピング光源２
’ｌおＪ：び２６からの光の波長に対し透過１！Ｌ（あ
る。外被２２は、この周波数においてできるだ（ノイバ
い損失特性を有することが好ましく、−〕ｊで、この周
波数に３３いてできだけ知いＮｄ：ＹΔＧファイバ１４
の吸収長を右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、信号ノ
１イバ１４に、その端部１８に信号入力を導かせるよう
に選択されている。しかしながら、屈折率はまた、ポン
ピング光源２４Ｊ３よび２６からの光を、ファイバ１２
から外被２２内に入れさせ、さらにその後、周期的に入
ってきてかつファイバ１４によって吸収されるように選
択され−（いる。したがって、第２図の例に示されてい
るように、Ｎｄ：ＹＡＧファイバ１４は、はぼ１．８に
等しい屈折率ｎ、を有している。一方Ｃ゛、？ｊ矢）１
イバ１２は、約１，４６の屈折率１１２を右している。

外被２２の屈折率口。は、１．４６と１゜８との間にな
るように選択さており、したがってｎ　、　＞ｎ　、＞
ｎ　２となる。最後に、外被２２を取り囲む屈折率ｎ４
は空気によって形成されているが、第２のクラッドが外
被２２を取り聞ｌυぐもＪ、く、さもなければ外被２２
におＧＪる表面の不規ＩＩ＋さおよびその結果もたらさ
れる散乱にＪ、−、）−’Ｃ外被２２と周囲の空気との
接合面にＪ３いて生じるであろう損失を取りのぞくとい
うことがＬ！ｌ解されるべきである。

以上の説明から、ファイバ１４の屈折率１１．が外被２
２の屈折率ｎ、よりも大きいので、このシステムによっ
て増幅されるべき、ファイバ１４の端部１８にａ３ける
信号入力は、ファイバ１４内を案内されるということが
理解されるであろう。石英ファイバ１２の屈折率ｎ２は
外被２２の屈折率ｎ、よりも小さいので、光源２４およ
び２６からのボンピング光は、ファイバ１２によって案
内されないが、外被２２内へ屈折されるであろう。しか
しながら、外被２２の屈折率＋１　、は周囲の物質の屈
折率ｎ４よりも大きいので、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
、この光は、外被２２によって良好に案内されるであろ
う。したがって、ボンピング照射は、外被２２の領域内
で案内されてファイバ１４によって最終的に吸収される
。第１図に示されるように、光線２８によって典型的に
示されたボンピング照射は、ファイバ１４を介する経路
の長さの経路全体の長さに対する比率に比例する割合で
ファイバ１４によって吸収されるであろう。このため、
外被２２の包みの大きさをできるだけ小さく維持して、
Ｎｄ　：ＹＡＧフ？イバ１４における単位長さあたりの
吸収を増入りることが有利であるということが理解され
るであろう。

次に、３００’ＫにおけるＮｄ：ＹΔＧ結晶の吸収スペ
クトルの図である第３図を参照４ると、Ｎｄ　：ＹＡＧ
材料が比較的高い光学密度をイｉしており、したがって
、選択された波長において短い吸収長を有しているとい
うことがわかる。このため、（ａ　）Ｎｄ　：　ＹＡＧ
７フイバ１４におけるボンピング照射の吸収を最大にす
るためにこれらの周波数において放出するようにボンピ
ング照Ｑ＝１光１２４．２６　（第１図）を選択し、し
たがって、増幅器構造内においてボンピング照射の吸収
を実質的に達成しながら吸収領域の長さ１６（第１図）
をできる限り短くすることが賢明゛である。当業省は、
ファイバ１４をできるだ番ノ知くしで７ノ・イバ１４を
介する信号の伝播損失を減少させることが有利であると
いうことを理解づるであろう。第３３図かられかるよう
に、この典型的な実施例にＪ３いて、０．５８ミクロン
の波長が照射光源２４．２６として最も適しているが、
０．７５および０゜８１ミクロンの波長もまた比較的適
している。

次に、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶に対重るエネルギ単位図Ｃある
第５ａ図を参照すると、上述の吸収波長にお（）るボン
ピング光がＮｄ　：ＹＡＧ結晶にょっＣ吸収されるとき
に、ネＡジムイＡンが基底状態からボンピングバンドへ
と励起されるということが理解されるであろう。ボンピ
ングバンドから、イオンは、フォノン干渉を介して上位
レーザレベルへと急速に緩和する。この上位レーザレベ
ルがら、ネＡジムイＡンは下位レーザレベルへとけい光
を発する。この後者のレベルから、最後の急速なフォノ
ン緩和が基底状態に向がって生じる。第５ａ図に示され
たタイプの４レベルレーザシステムにｉＪ３４Ｊるこの
後者の急速な緩和は、実際には空白の下位エネルギレベ
ルをもたらづので、有利である。この特徴は第５ｂ図に
示されており、そこでは連続ボンピング期間中における
Ｎｄ：ＹＡＧファイバに対づるボンピングバンド、上位
レーザレベル、下位レーザレベル、および基底状態にお
ける分布密度が示されている。上位おにび下（Ｏレーザ
レベルの間のけい光の速度は、ボンピングバンドと上位
レーザレベルとの間の）Ａノン干渉、および下位レーザ
レベルと基底状態との間のフォノン干渉と比較しても比
較的遅いので、上位レーザレベルにおける分布密度は実
質的に上位レーり一レベルにおける分布密度よりも高く
、高い反転率を生じる。誘導放出に先行する、上位レー
リ゛レベルの平均寿命は、２３０マイクロ秒である。

第４図は、以下の議論において例として用いられる、Ｎ
ｄ：ＹＡＧ材料のレーザ遷移とともに、この材料の多重
エネルギ状態をより詳細に１１？１いている。

レーザ遷移波長（たとえば、１．０６４ミクロン）、す
なわち、上位および下位レーザレベルの間における緩和
期間中にＮｄ：ＹＡＧイＡンによって放出される光の波
長の１つにおける人力光１３号は、励起されたレーザフ
ァイバ１４（第１図）を通じて移動するが、信号とコヒ
ーレン１−な同一周波数における誘導されたフ第１〜ン
の放出をトリガし、さらにこれによって信号が増幅され
る。したがって、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位相で、第５ａ図の上位レーザ放
射レベルおよび下位エネルギレベルの間にフォトン放出
緩和を引き起こし、入力光信号に対する効果的な利得を
生じさせる。

この発明の増幅器にＪ３いて達成され得る利得はＮｄ：
ＹΔＧ結晶内における反転されたネオジムイオン分布の
密度に依存している。

この発明の増幅器の単位長さｇｏあたりの小さな信号和
（りＳ１数の理論的計算は、１Ｊｏ−δへＮという関係
を用いて行なうことができ、ここでδはＮｄ：ＹＡＧに
対丈る効果的な誘導放出断面積、ηなわら約３．０ｘｌ
Ｏ−”　ｃｍ２であり、ΔＮは、次の式によって与えら
れる反転分布密度である。

ここで、Ｐｐは、４ａ号ファイバ１４によって吸収され
る全ボンピングパワーであり、■は、結晶の体積であり
、したがってＰＰ／Ｖは、ファイバの単位体積あたりの
吸収された全ボンピングパワーであり、ｔチは第５ａ図
の上位レーリ゛レベル２のけい光寿命すなわちネオジム
イオンの２３０マイクロ秒のけい光緩和時間であり、１
１νＰは、ボンピングフォトンエネルギに等しい。

長さしの増幅器ファイバから得られる利１！ＩＧよ、次
のように表わされる。

ＹＯ＝　３０Ｌ　（２ン 上述の関係を結合すると次の式が１０られる。

ここで、△は増幅器ファイバの断面積Ｃある。

値ＰＰは、吸収されたボンピングパワーであり、かつフ
ァイバの長さの増加は必ずしも利１！７ヲ増人させない
ということが認識されるぺさである。したがって、Ｎｄ
：ＹＡＧ〕？イバを介して通過づるボンピング放射が本
質的に完全に吸収されるようにファイバの長さが十分で
あれば、そのときはこの方程式における値ＰＰは入力ボ
ンピングパワーによって置き換えることができる。８１
０ｎｍの典型的なボンビングフＡトン波長のために、１
２０ミクロンの直径を有する里結晶ファイバにおいてＴ
ｏは０．０１ｄＢに等しく、Ｐｐ　ｌよ１　ｍＷに等し
い。しかしながら、正味の利１すを得るためには、信号
がファイバ１４を介して伝播するときに１８号によって
経験される１、０６ミクロンにおけるファイバ伝播損失
をＴｏから減算しなければならない。１　ｋｍあたり１
００ｄＢのファイバ損失は、１Ｃｆｆｌあたり０．００
１ｄＥ３だけ利得を減少させる。

したがって、ボンピングパワーのほと／υどをファイバ
の短い距離にわたって実質的に吸収されるように溝成り
ることによって、もしも増幅器の全体の長さが比較的短
く維持され得るならば、増幅器内における伝播損失は低
レベルに維持され得る。

前述の説明より明らかなように、そして再度第１図を参
照づると、Ｎｄ　：　ＹＡＧ７フイバ１４を適正にボン
ピングづるために、ボンピング光＃！２４および２６の
いずれがが、入力信号をファイバ１４に与える直前、寸
なわら好ましくはネオジムイオンの２３０マイクロ秒の
けい光緩和時間内に連続的に動作されることが好ましい
。

再度第１図を参照すると、屈折率ＩＩ　、が周囲の空気
の屈折率よりも高いので、端部１Ｂおよび２０に近接す
るがしかじ外被２２の外側にある領域において、Ｎｄ：
ＹＡＧファイバ１４が増幅の前後に信号を案内するとい
うことに注β、リベさぐある。もちろん、表面の損失を
減少するＩ、：めにこれらの領域においてＮｄ：ＹＡＧ
ファイバ’ｌ　、ｌ　ｔ、：クラツドを設けることも有
利である。

同様に、屈折率ＩＩ　２は周囲の空気の屈４Ｊｒ逢“、
Ｊ、りも高いので、外被２２の範囲を越える領域におい
て石英ファイバ１２はボンピング光源２４　Ｊ３　Ｊ、
ひ２６から光を案内覆る。もちろん、外被２２の端部の
範囲を越える領域に用いられるクラッドの屈折率が′Ｆ
ｉ矢の屈折率よりも低い限り、人血損失６減少するため
にこの領域にＪ３いて石英ファイバ１２にクラッドを炭
番ノることも可能である。

光源２４からのボンピング光は、最初に増幅システム内
において端部１８の近くで吸収される傾向があり、した
がってファイバ１４の全長は、光源２４によっては均一
に照射されないことは認識されるであろう。したがって
、ネオジムイオンの反転分布は長さ１６に沿っては均一
には分布されないであろう。したがって、ボンピング＃
ｌＡ２４および２６によって双方の端部において同時に
石英ファイバ１２をボンピングし、反転されたネオジム
イオン分布が長さ１６に沿って対称形になることを保ｆ
ｆｉ［１”ることが有利である。また、両端がらのボン
ピングは外被１４においてより大きなボンピングパワー
を生じ、したがってより大きな利得を生じる。

ボンピング１ｌ１２４および２６がらＮｄ　：ＹＡＧフ
ァイバ１４に与えられたボンピング照射は、連続するベ
ース上に、１３いて、信号が増幅されたときに生じる、
ファイバ１４内にＪ５ける空白にされた分布を置き換え
るのに十分であるべきであるということもまた認識され
るべきである。したがって、たとえば、パルス信号が１
　ｋｍのファイバを介して循環するジャイロスコープに
おいて、対向して伝１ｆＩプる信号は、ばぼ５マイクロ
秒ごとに一瓜、第１図に示された増幅器を通過する。も
しも、連続的なボンピング光源２４．２６が用いられる
と、それらは十分な出力をもたらし、このため、５マイ
クロ秒の期間ごとに、それらは、信号の各々の連続する
通過期間中に緩和したネオジムイオン分布を反転するこ
とができ、信号によって軒験された増幅器判御が一定に
留まるような、Ｍ和した分布に等しい分布を再反転する
ことができる。

外被２２は、高いＱの空洞を形成し、これは、単一のボ
ンピング光線を、はぼ２ｃｍの長さにわたって、Ｎｄ：
ＹＡＧファイバ１４を介しＵ　４１ぽ１００回反射的に
通過させる。したがって、Ｎｄ　：ＹＡＧファイバ１４
を横方向に介りる信す光線の経路はその材料における吸
収長より６実質的に短いが、複数の経路は、Ｎｄ：ＹＡ
Ｇ）７・イム１４内のボンピング光源照射の実質的に一
部分を吸収させる。

第１図に示された構造は、もしもその端部１８および２
ｏにおいて適正に反射されるならば、発振Ｒｇプなわら
、Ｎｄ：ＹＡＧフ１イバのレーザ放射周波数における照
射源を提供する。したがって、レーザ周波数において照
射のけば１００％を反射づるミラーをファイバ１４の端
部１８上に配置することによって、および同一の周波数
における照射のより低い割合を反ＱＩ　Ｔる第２のミラ
ーをファイバ１４の端部２０上に配置することによって
、？ｌＸ１図に示された構造はファイバレーザ光源とし
て使用され、コヒーレントな光波をファイバ１４内の長
さ１６を介して前後に反射させ、かつファイバ用のレー
ザ周波数でのコヒーレントな波面として、端部２０にお
（プる部分的に反射づ−るミラーを介しで放出させる。

第１図に示された構造が、レーザ光源として使用される
ときに、ボンピング源２４Ｊ３よび２６は、ボンピング
波長において一定状態の光出力を供給し、この場合、一
定状態の連１ｆｃ：　ｉる光出力はファイバ光源によっ
て与えられる。もしも、一方で、光源２４および２６か
らのボンピング光が変調されると、第１図の構造内にお
いて、変調された出力が便じる。

上述の説明から認識されるように、増幅されるべき信号
を信号ファイバ１４内で案内するが、増幅器システムの
容器２２全体の中でのみボンピング光を案内する屈折率
をもたらす材料の適ｉ１な選択は、小さな、比較的高い
！ＩＪ冑の増幅器システムをもたらし、そこでは、この
ファイバ１４の１°ｌ（Ｙがボンピング波長におけるＮ
ｔｌ：ＹＡＧＩ４Ｖ１の吸収長よりも実質的に小さいと
きでさえ、全体的な空洞構造内における複数の反射がＮ
（１：ＹＡＧ］１イバ１４のザイドボンビングを許容づ
る。

第６図に示されるように、ボンピング源２４および２６
（第１図）は各々、たとえば、無定形イ」英（溶融シリ
カ）から形成された円Ｉｔ形状の目ツド５０を含んでＪ
ゴリ、これ８４１人きな端部５２から小さな端部５４へ
向かって次第に細くされ（いる。小さな端部５４から突
出しているの（、Ｌｌ　ツノ・イドと同じ大きさに形成
された［１ツ］・部分ぐあり、これは、好ましい実施例
においては、ボンピングファイバ１２（第１図）を含ん
でいる。代わりに、小さな端部５４は、ファイバ１２と
して機能する別のファイバに接して結合されてもよい。

特定の例によると、大きな端部５２は、約２１１Ｉｍの
、直径を有しており、小さな端部５４（およびファイバ
１２）は、約２０Ｑミクロンの直径を有しており、端部
５２および５４の間の先細にされた部分５６の長さは約
１ｃｍであり、傾斜角度θは、約５°である。この図面
は正しい比率では描かれておらず、単に図解的に示すだ
番ノであるということが認識されるであろう。

円錐形状のロッド５０は、大ぎな端部５２の直径に等し
い直径を有する石英ロットを用いて製造される。このロ
ットは高湿の炎の中で加熱され、その後素早く引き離さ
れて、ロッドの一部分を７ノ・イバリイズの直径まで減
少さμてボンビングフ７フイバ１２を形成する。ロッド
の大きい端ｄＳはその後、割られて端部５２に平坦な表
面５８を形成し、かつこの表面５８は研磨される。した
がって、この工程は、ピペットを製造するために一般的
に用いられる工程に類似している。当業者は、より精巧
な製造技術が利用できるということを認識りるであろう
。

第６図に示されるように、複数の光源６０が、ロッド５
０の平坦な端部表面５８上に装着されている。第７図を
参照づると、光源６０の各々は、マイクロレンズ６２＆
３よび小型化された〉℃放出装置６４とを含んでおり、
この装置６４【よ好ましくは高出力レーザダイオードで
あり、これは、８０Ｑｎｍ領域のような、第３図におい
て示された＾い吸収領域の１つに光を生じる。先行技術
におい１周知のように、マイクロレンズは、中心から周
辺に至る屈折率の勾配による焦点合わＵのＩＭ　ｆｔを
（ｉする極端に小さな光学ガラスロットである。イれら
は、Ｎｉ１ｌｌ）ｏｎ　５ｈｅｅｔ　Ｑｌａｓｓ　Ｃｏ
ｍｐａｎｙ、　１−Ｌ（＋、、Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ　
ｏＨｉｃｅ、１３６　ＣｅｎｔｒａｌＡｖｅｎｕｅ　、
　Ｃ１ａｒｋ、　Ｎｅｗ　Ｊｅｒｓｅｙ　、の商標名“
セルフォックマイクロレンズ（３ｅｌｆｏｃ　Ｍ　１ｃ
ｒｏｌｅｎｓｅｓ）の下に、梗々の長さ、直径、焦点距
離、および受光角度で利用することができる。レーザダ
イオード６４は、レーザダイオード接合をレンズ６２の
入力表面に近づけながらマイクロレンズ６２上に装着さ
れ、さらにレンズの特性は、レーザダイオード６４によ
って生じる光を平行にするように選択される。レーザダ
イオード６４のレンズ６２上への装着は、粘着剤または
機械的なマウン１〜のような適当な手段によって実行さ
れる。レンズは、たとえば光学セメン］−によって、円
錐形状のロツｌ〜′５０の表面５８上に順番に装着され
る。

もしも望むならば、いくつかのレーザダイオード６４が
甲−のレンズ６２上に°“積み重ね″されて出ツノをさ
らに増大させてもよい。そのような場合には、ダイＡ−
ドはその縦方向の側面を互いに接触させながら、一方が
他方の最上部上に配置される。さらに、図面は、円錐形
状のロッド５０上に装着された３つのそのような光源６
０を示しているが、一方で、より多くのまたはより少な
い光源６０が利用され得るということが理解されるであ
ろう。

第８図に示されるように、光が円錐形状のロット５０に
入るにつれて、光は多数の全白反射を受けて光の焦点を
合わせて圧縮し、フ？イｌ＼１２内へ結合する。図から
明らかなように、甲−の光線６８のみが、ロット５０へ
入って（１くものとして第８図に示されている。円錐形
状の１コツト５０の先細りの幾何学形状のために、）？
イノ＜１２へ）を線６８が入るまで、光線６８は、円＆
Ｉｔ　Ｅ５０の壁に関して連続的により大きくなる入射
角度で仝内反射を行ない、ファイバ１２では入射角１ａ
　／Ｊ’　ｕ　＞？　Ｌ／ていくということが第８図か
ら理解さｔしる（・あろう。入射角度のそのような安定
性は、フッ・イノ＜１２の直径が均一であるという事実
ににるしぐある。

当業者は、゛入射角度″という用語は、光線と、光線の
入射地点において円錐壁に巻（＝ｊ　ＩＪらｆＬ　／、
：Ｊ、うに描かれた直線との間の角度を定義りるもσ）
として認識するであろう。円錐の角１良ＯＪ３Ｊ：びＩ
ｌｌε１１の長さは、端部５２から端部５４へ光が円錐
５）０を通過するときに、入射角度が常にｇ＆界角１狂
（すなわら、光線がもはや全白反射されなり４【るｆり
磨）よりも大きいように好ましくは選択され、このＩこ
め、円ｌｌ５０の大きな端部５６に入ってくる）乞の実
質的にづべては、ファイバ１２へ結合される。

一般に、必要とされる円錐の角度は、円錐５０と周囲の
媒体（たとえば空気）との間の屈折率の差と同様に、フ
ァイバと同じ大きさの端部５４の断面積に対するへカ端
部表面５８の面積の比率に依存している。円錐の角度を
計鋒するための数学的手法は、先行技術において周知で
あり、たとえば、”　Ｆ　１ｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃｓ　；
　Ｐ　ｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ａｎｄ　Ａ　ＤＦＩｌｉｃ
ａｔｉｏｎｓ　、ｂｙ　Ｎ、　Ｓ、　Ｋａｐａｎｙ　、
　Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ（１９６７）、ｐ、１
８−２２．”において説明されている。

したがって、円錐形状のロッド５ｏは、事実上、光源６
０（第７図）によって入力された平行な光の焦点を小さ
な端部５４の巾に合わせ、したがって、レーザダイオー
ドによって生じた光をボンピングファイバ１２の中へと
圧縮し、それによってファイバ１２内におけるボンピン
グパワー密度を増大させる。

もしも、レーザダイオード６４として用いられる特定の
ダイオードの空間的なコヒーレンス性の程度が貧弱であ
りまたはダイオードがマルチモードである場合には、一
般的に、放出領域の長さくｉｌｉなわち、レーザダイオ
ード接合部に平行な大きさ）をファイバと同じ大きさの
端部５４の半径よりもはるかに大き（することは非実用
的であり、さもなければ、空間的な非コヒーレンス性に
Ｊ：って引き起こされる回折のためにまたは案内されな
くなるより高位のモードのために、放射損失が生じる。

あいにく、現在では、商業的に利１１１されている、高
出力のダイオードレーザは、す１！型的にはマルチモー
ドであるか、または比較的に乏しい空間的なコヒーレン
ス性を有しているかのいずれがであり、あるいはその双
方であるウレーザ技術が進歩するにつれて、この状況が
緩和されることが期待されている。

第６図および第７図を参照すると、レーザダイオード６
４は、平行レンズ６２なしで利用づることができ、この
ため、光はダイオード６４がら直接円錐５０に入力され
るということが理解されるであろう。しかしながら、そ
のような場合には、レーザダイオードは一般的に発散す
るパターンで光を放出し、かつ発散する光線は円錐５ｏ
の壁に関Ｊる臨界角度を越え、これによって放ｔＪＪ損
失を引き起こすので、伝送損失は典型的には平行レンズ
を伴う場合よりも大きくなる。平行でない入力ビーム〈
マイクロレンズを伴わないンの場合には、円錐を介する
伝送（づ゛なゎち、ファイバと同じ大きさの端部５４に
結合された入力光の一部分）は約１０％もなく、一方で
平行な光（マイクロレンズを伴う）の場合には、伝送は
約７５％まで増大されるということをテストは示してい
る。したがって、レーザダイアｊ−−−ドロ４と組合わ
された平行マイク［」レンズ６２の使用は、非常に有利
である。

より上位のモードを励起するために、表面５８上の、円
８１ｉ形状のロッド５ｏの中央の軸７２がらずれた位置
に光源６０’ｔ３＠することもまた好ましい。第８図の
光線の図から、大きな端部５６の周辺付近で表面５８に
入ってくる光線（たとえば、光線６８）は、中火の軸７
２により接近して入力される対応づる光線（図示せず）
よりも、それらがファイバと同じ大きさの端部５４に到
達１８時間だけより高い入射角度を有しているというこ
とが理解されるであろう。光線の理論によると、イのよ
うな増大された入射角度は、より上位の七−ドを示して
いる。光線（たとえば光線２８）は、より多い回数だけ
反射を行ない、したがって、−ぞれが増幅器構造の一方
の端部から他方へ伝播するときに増幅器ファイバ１４を
介Ｊる通過の回数を増大させるので、そのようなより上
位のし一部（ま、第１図のＮｄ　：ＹＡＧファイバの励
起の！、：めに（ｊ利である。

平行でない光〈マイクロレンズを伴わない〉に対しては
、円錐形状のロッド５０を介りる伝送ｔま、表面５８上
のレーザダイオードの位ｉ６にＧ、Ｌ　’Ｉｔ、：　？
’ｆ的に依存しないように思われる。しかしながら、１
つの実験において、平行にされた光（、’−（り■レン
ズ６２を伴う）に対して、光源６０が円釦の軸７２から
離れて、端部５２の周辺に向かつζ動かされたときに円
錐形状のロッド５０を介りる伝送が最大に増大するとい
うことが発見され／、：。光源６０の１つを表面５８上
の円錐の軸７２から端部５４において測定されるパワー
伝送が最大限になる・まで半径方向に外側に向かってす
べらせることによって最適の伝送位置が発見され得る。

この光源６０はその後この位置に永久に固定される。他
の光源６０を位置決めするために同一の工程が利用され
得る。さらに、ダイオード６４が軸７２がらずれたとき
の最適な伝送のためには、その放射領域の最大の大きさ
くすなわち長さ）が、軸７２を介して通過ずる、平坦な
表面５８上の想像上の半径方向の線８０に対して垂直に
なるように、各々のダイオード６４を配向することが好
ましい。

したがって、円錐形状のロッド５ｏは、特に、そのよう
なロッド５０が高出力レーザダイオードおよび平行マイ
クロレンズと組合わされて用いられるときには、大規模
な光学パワーをボンピングファイバ１２へ結合させる。

そのような高い光学ボンピングパワーは、Ｎｄ　：ＹＡ
Ｇ結晶１４の励起を増大させ、これによって増幅度を高
める。

この発明によるサイドボンピングされた増幅器の他の実
施例において、ファイバ１２は、外被２２なしで、入力
光を増幅器ノア・イム１４内へ直接結合するように用い
られてもよい。したがって、第９図および第１０図は増
幅器構造の他の実施例を概略的に示しており、これは、
第１図および第２図の外被２２を用いないが、しかしそ
の代わりに、一方ではＮｄ　：ＹＡＧファイバ１４と石
英ファイバ１２との屈折率の差、および他方では周囲の
空気の屈折率に依存し、ポンピング光および信号光をシ
ステム内で案内する。この実施例において、円錐形状の
ロッド５０のファイバ１４およびファイバ１２の双方は
、一方の表面に沿って研磨され、（これは第９図に最良
に示されている）、所望の干渉の長さ９０（第１０図）
を通して接する平坦な外部表面３４および３６をもたら
し、（第１図の長さ１６に対応する）、そのような長さ
９０に沿った干渉領域を提供する。

第９図および第１０図に示された構成によって、Ｎｄ　
：ＹＡＧフ１イバ１４の屈折率は、石英ロッド５０の屈
折率よりも高く、このため、増幅されるべき信号は、フ
ァイバー空気の境界面およびファイバー石英ロッドの境
界面の双方によって、ファイバ１４内で良好に導かれる
。他方で、ファイバ１２内のボンピング信号は、周囲の
空気と接するその周辺部分を介して案内されるが、表面
３６においては案内されず、したがってＮｄ：ＹＡＧフ
ァイバ１４内へと伝播して、そのファイバ１４内でネオ
ジムイオンをボンピングする。もちろん、第９図および
第１０図に示された実施例は、第２図の外被２２のよう
な周囲の外被内に設けられてもよく、ここでは、外被は
石英ロッド５０またはＮｄ　：ＹＡＧファイバ１４のい
ずれかよりも低い屈折率を有している。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、表面の不
規則性によって引き起こされる表面散乱を取り除くこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

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図の構成の線２−２に沿う断面図である
。 第３図は、３００’　ＫのＮｄ　：ＹＡＧの吸収スペク
トルを示す図である。 第４図は、Ｎｄ　：ＹＡＧのエネルギ単位図である。 第５ａ図および第５ｂ図は、Ｎｄ　：ＹＡＧ（７）よう
な４レベルレーザの簡略化されたエネルギ準位図である
。 第６図は、第１図の増幅器構造に対する好ましいポンピ
ング光源の斜視図であり、これは、平行にされた光を円
錐形状のロッドに入力するために装着された複数のレー
ザダイオードと平行マイクロレンズとを示している。 第７図は、第６図のレーザダイオードおよび平行レンズ
の１つの拡大された斜視図である。 第８図は、円錐形状のロッドに入力された典型的な光線
の経路を示す概略図であり、かつそれが円錐の一端から
他端へ伝播するときに光線の多数の全白反射を示してい
る。 第９図は、第１０図の線９−９に沿う断面図であり、増
幅器の他の形状を示している。 第１０図は、この発明のファイバ増幅器の他の実施例の
物理的な構成を示す図である。　図において、１２はボ
ンピングファイバ、１４はＮｄ　：ＹＡＧファイバ、２
２は外被、２４，２６はポンピング光源、５０は円錐形
状のロッド、６０は光源、６２はマイクロレンズ、６４
はレーザダイオードを示す。 特許出願人　デ・ボード・オブ・トラスティーズ・オブ
・ザ・レランド・スタッフォ ード・ジュニア・ユニバーシティ ４交、ｆｙ　−Ｆ２ｙ−５ノ 第１頁の続き ０発　明　者　ミツシェル・ジエイ・　アメエフーデイ
ゴネ　バー ０発　明　者　ロパート・エイ・レイ　アメシイ　ツ・ リカ合衆国、カリフォルニア州、パロ・アルド　ハード
・ストリート、２３０７ リカ合衆国、カリフォルニア州、パロ・アルド　キーコ
ート、６２０

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）　第１の屈折率を有する第１のファイバと、 レーザ材料から形成され、前記第１の屈折率よりも高い
   第２の屈折率を有する第２のファイバとを備え、前記第
   １および第２のファイバは、極めて接近して配置されて
   干渉領域を形成し、前記第１のファイバから前記第２の
   ファイバへ光を転送し、 円錐形状のロッドをざらに備え、前記ロッドは、光を前
   記第１のファイバの一方の端部へ導入するための、ファ
   イバと同じ大きさの第１の端部と、前記第１の端部Ｊ：
   り実質的に大きな自任を右Ｊる第２の端部とを含み、 ボンピンク光を前記第２の端部へ導入するように装着さ
   れた複数のボンピング光源をさらに備え、前記円錐形状
   のロッドは、前記第２の端部がらのボンピング光の焦点
   をファイバと同じ大きさの前記第１の端部へ合わせ、前
   記第１のファイバの中ｌ＼導入しかつ前記第１のファイ
   バを介しく　ｉｌｉ＋記十渉領域へ伝播し、前記第２の
   ファイバをボンピングしかつ前記レーザ材料に電子反転
   弁（１ｉを引き起こし、 前記複数のボンピング光源は、前記円錐形状のロッドの
   軸からずれて、前記第１の７）・イバに上位のモードを
   励起し、ｌＦｉ記Ｗ５２のファイバの前記レーザ材料に
   よってボンピング光の吸収を＾める、ファイバ光学増幅
   器。
2. （２）　前記円錐形状のロッドおＪ、ひ前記第′１のフ
   ァイバは同一の材料から一体に形成される、特許請求の
   範囲第１項記載のファイバ光学増幅器。
3. （３）　前記第１のファイバＪ３よび前記第２のファイ
   バは各々、少なくともそれらの長さの部分に沿って各々
   平坦な表面を含み、前記平坦４１表面は前記干渉領域を
   形成するように並置される、特許請求の範囲第１項記載
   のファイバ光学増幅器。
4. （４）　前記光源は、実質的に平行にされた光を発生す
   る、特許請求の範囲第１項記載のファイバ光学増幅器。
5. （５）　前記光源は、 レーザダイオードと、 前記レーザダイオードと前記第２の端部との間に配置さ
   れた、光を平行にするマイクロレンズとを含む、特許請
   求の範囲第４項記載のファイバ光学増幅器。
6. （６）　第２の円錐形状のロッドを含み、前記［］ツド
   は、 前記第１のファイバの他端に光を導入するための、ファ
   イバと同じ大きさの第１の端部と、前記第２のロッドの
   前記第１の端部よりも実質的に大きな直径を有する第２
   の端部とを備え、ボンピング光を前記第２のロッドの前
   記第２の端部へ導入７るための複数の第２のボンピング
   光源をさらに備え、前記第２の円錐形状のロッドは、前
   記第２のロッドのファイバと同じ大きさの前記第１の端
   部に前記光の焦点を合わばて前記第１のファイバの前記
   他端に導入しかつ前記第１のファイバを介して前記干渉
   領域に伝播し、前記第２のファイバをボンピングしてか
   つ前記レーザ材料に電子反転分布を引き起こす、特許請
   求の範囲第２項記載のファイバ光学増幅器。
7. （７）　前記レーザダイオードは、その長手方向の長さ
   が前記円錐形状のロッドの軸を介して通過づ゛る半径方
   向の線に対して垂直になるように配向される、特許請求
   の範囲第５項記載のファイバ光学増幅器。
8. （８）　前記ロッドはガラスで形成され、かつ前記第２
   の光学ファイバはＮｄ：ＹＡＧで形成される、特許請求
   の範囲第１項記載のファイバ光学増幅器。
9. （９）　前記レーザダイオードの放射領域の長さは前記
   第１のファイバの半径よりも大きくはない、特許請求の
   範囲第５項記載のファイバ光学増幅器。
10. （１０）　レーザ材料から形成された光学ファイバをボ
    ンピングする方法であつＴ、 円錐形状のロッドの中心軸から離れた各々の位置に複数
    の光源を装着することによって前記円１１１形状のロッ
    ドの一方の端部にボンピング光を与えて前記円錐形状の
    ロッドの他方の端部に上位のモードを励起づるステップ
    と、 前記円錐形状のロッドの他方の端部を光学的に結合して
    前記光学ファイバのレーザ材料をボンピングＪるステッ
    プとを含む、光学ファイバを４くンピング覆る方法。
11. （１１）　前記ボンピング光を与えるステップは、 レーリ゛光源と、前記ロッドの前記一方の端部との間に
    光を平行に覆るマイクロレンズを配置して前記ボンピン
    グ光を平行にづるステップをさらに含む、特許請求の範
    囲第１０項記載σ）光学１曽幅器をボンピングづる方法
    。