JPS62219678A - 光フアイバレ−ザ - 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】 〈発明の背景〉 本発明は光放射源、特には光通信システムに用いるのに
適したレーザに関する。

光ファイバに沿って伝送される光電磁放射による通信は
過去２５年間にわたる信頼し得るコヒーレント光源、低
損光通信ファイバ、および適当な検波器の開発によって
今や可能となり実施が確立されている。

この急速な発展をもたらしたのは１９５８年、Ａ、　Ｌ
、５ＣｈａＷＩＯＷとＣ，Ｉｌ、ＴＯＶＴｎＯ８による
光メーザの提案、およびそれに続き１９６０年、Ｔ、Ｈ
，Ｈａｉｍａｎがルビーも用いて実際にレザーをつくる
のに成功したという発表であった。］ヒレント、もしく
は準コヒレントな光源の実現により、適度に減衰の低い
ガラスの光ファイバによるレーザ光源からの放射エネル
ギーの効率的な伝送性は従来の金属ケーブルよりすぐれ
た大きな利点を与える通信システムを提供し得ることが
認識された。その利点のうち最も重要なのは、著しく多
量の情報搬送能力をもって中継器なしでより長い距離を
伝送し得ることであった。さらに、コンパクトであるこ
とと実質的に重量が軽量化できることがより低い製造コ
ストや布設コストと共にこの進歩を促進させる刺激とな
り、現在設備を検討中のシステムは光学波長帯域光たり
の信号検波および情報量が理論的限界に近づきつつある
状態である。

通信分野に用いる光源の基本的特性の中にはスペクトル
放射、パワ出力、物理的な大きさ、および効率が含まれ
る。

光源パワの効率的な利用のためには、光源のスペクトル
放射が光ファイバの減衰特性および分散特性を補足する
ようにしなければならない。光フアイバ導波路の減衰特
性は波長の関数として変化し、該して１．５ミクロンよ
り短い波長に関しては波長の増大に伴って減少する。０
．８ミクロンないし１．６ミンロンの領域ではすぐれた
低損失伝送になる。より短い波長帯域では多くの利用分
野に関して損失は十分に低いけれども、中継器間の最大
距離にわたるべき所では１．４ミクロン付近の水吸収帯
域を除いて１．２ミクロンないし１．６ミクロンのより
長いスペクトル領域がより適している。

光源のスペクトル幅もまた考慮すべき重要な問題である
。ファイバの情報容量を最大にするためには単一モード
ファイバが用いられる。ファイバ材料の屈折率もまた波
長によって変化する。この後者の性質は材料分散として
公知であり、ファイバのデータレート（Ｒａｔｅ）容量
を減小するパルスの広がりをもたらし、このパルスの広
がりはスペクトル幅の狭い光源よりも広い光源に関して
一層厳しくなる。従って光源のスペクトル幅は高いデー
タレート伝送に合致すべくできる限り狭いことが重要で
ある。レーザのスペクトル幅に対する要求は約１．３ミ
クロンないし１．５ミクロンのゼロ分散領域内ではいく
らか緩和され、正確な波長依存性は単一モードファイバ
に関してはガラスの配合と屈折率の変化に依存する。光
源のスペクトル放射特性が温度と共に変化するので、目
的とする利用に対してそれが問題となるならこれらの変
化がどのように生じるか、どのようにして適当な温度制
御を与えるかということを考慮することが大切である。

波長分割多重化の適用においては高密度多重化を達成す
るために光源のスペクトル放射幅をできる限り狭くする
ことが重要である。波長多重化に関しては、線幅とその
形状が混信レベルに直接影響を及ぼす。

そこで一般には、光源スペクトル出力はファイバ減衰が
低くなるような領域にあるべきであり、また分散を最小
にしチャネル密度と帯域幅の両方を安定を保ちながら最
大にするように狭い帯域幅にあるべきである。

パワが高くなると、相当大きな減衰のない限り信号パワ
レベルが満足な検波が可能なレベル以下に低下すること
はないので一般には高い信号パワ出力が所望される。さ
らに、パワ出力分布は与えられたファイバの直径と数値
開口においてファイバへの効率的な結合が可能な程度に
あるべきである。しかし一方、何か特別の目的がない限
り、パワがその材料の直線性の限界を超える程に高くな
ってはならない。

光源の物理的な大きさは１つの考慮すべき問題であって
、取り扱いの便利さや重量、スペースの観点からは一般
に小さくコンパクトであるべきである。物理的な大きさ
も重要であるが光源出力をファイバコアに効率的に結合
することも等しく重要である。

光源のパワ効率はポンプにどれだけの入力パワが要求さ
れるかを、またしたがって所要の熱放散を決定する。効
率が低いということは所定の光パワ出力のためにより高
い入力パワが要求されることを意味する。このことは遠
隔配置された装置においてはパワ供給の問題が存在する
。非効率的な光源エネルギへの変換は過熱の原因となり
、さもなければ不必要な熱放散装置が必要となる。

当業者は、上述のような条件を満たす各種の光源を開発
しており、細かな相異によっであるものはその他よりも
満足のいくものであるが、動作に関しては全て共通の基
本的理念に基づいている。

レーザ光源に関してはスペクトルの可視領域および赤外
線領域におけるレーザ発振条件は良く理解されている。

基本的に、レーザ材料がけい光発光能力があり、またそ
の間でけい光放射が生じるような２つの異なるエネルギ
ーレベルの間で逆転分布が生じることが必要である。ま
た光源によるポンピング作用を許すためにポンピングエ
ネルギーのかなり強力な吸収が存することも要求される
。

ざらにレーザ作用可能な材料を含む共振空洞を通じての
フィードバックが必要である。

１９６０年にＨａｉｍａｎにより公開されたルビーレー
ザはりＯミウム不純物で「ドープコされた単結晶の酸化
アルミニウムであった。以来これまでに、不純物イオン
を伴ういくつかのサイドポンピングされる結晶体系また
はガラス系、例えばネオジミウムまたは他の希土類イオ
ンでドープされたガラスが開発されている。

遠赤外線から紫外線までの領域内の出力を持つ多数の気
体レーザが公知である。これらの中で重要なのは二酸化
炭素や一酸化炭素のようないくつかの分子気体系の他、
ヘリウム−ネオン、アルゴン、およびクリプトンである
。

固体半導体レーザが公知であり、その場合はＰ型物質と
Ｎ型物質との接合をよぎって流れる電子流が伝導帯内に
余剰電子を生じさせる。これらはそこで価電子帯または
より低いエネルギー状態に遷移するとき発光する接合電
流が十分に大きければ価電子帯の端よりも伝導帯の端近
くに多数の電子が存在して逆転分布が生じ得る。

基本的な公知の物質系および構造はさておき、レーザ作
用物質がそのコア内に組み込まれている光ファイバの形
のレーザが提示されている；例えば米国特許第３，９５
８．１８８号および第４゜０４４．３１５号である。

レーザ技術においてなされた多くの革新にもかかわらず
、進歩したレーザ構造はなおも要求され、それらは光フ
アイバ通信システムのみならず様々な応用のため他の各
種のシステムにおいて効果的に用いられるであろう。従
って本発明の主要な目的は進歩したレーザ構造を提供す
ることである。

本発明のもう１つの目的は高い光学的効率を有する進歩
したレーザ構造を提供することである。

本発明のさらに１つの目的は０．９０５ミクロン程変０
狭い出力帯域幅を有する進歩したレーザ構造を提供する
ことである。

本発明の上記及び他の目的は以下の詳細な説明から一層
明らかになるであろう。

〈発明の要約〉 本発明は概して光源に関し、詳しくは高いチャネル密度
とデータ伝送レートを要求する光通信システムにて用い
るのに特に適したレーザの改良に関する。

本発明のレーザは単一モード光ファイバの形の光学的利
得空洞を有し、該ファイバのコア中にレーザ利得物質、
３価ネオジミウムが酸化ネオジウムとして存在する。フ
ァイバコアは好ましくは純溶融シリカを基本とする。酸
化ネオジミウムの好ましい濃度は約１．５センチメータ
の理想空洞長に対して０．５重量パーセントであるが、
より長い空洞長に対してはより低くすることができ、そ
れらの空洞長はいかなる濃度にても理想長の１００倍な
いし１５０倍を超えないのが好都合であって、理想長は
ポンプパワがそれだけの長さを通過すると２の係数によ
る減衰が生じるように定められている。５重量パーセン
１へまでの酸化ネオジミウム濃度ではより短い長さも１
．５ミリメータまで可能である。

光フアイバ利得空洞の各々の端部に一体的にダイクロイ
ックフィルタが形成され、このフィルタはレーザ作用の
ためのフィードバックを与えまた端部ポンピングを与え
るように動作する。

ポンプパワはレーザダイオードにより供給され、ダイク
ロイックフィルタの１つを通じてバルク型光学系により
レーザコアに端部結合される。出側ダイクロイックフィ
ルタはポンプ波長とレーザ波長の両方で高反射性をもつ
レーザダイオードは公称０．８０ミクロンの出力波長を
持つ ＧａＡＪ！Ａｓが好都合であって、こレーザは０．９０
５ミクロンの公称波長出力を有する。ボンブパワの有効
な吸収はポンプパワが利得空洞をその長さだけ通過する
と２の係数により減衰するようにレーザ空洞長とネオジ
ミウムイオン濃度を調整することにより保証される。

〈実施例〉 本発明の光ファイバレーザは公称波長 ０．９０５ミクロンの狭い線出力を有するものであって
、それは光フアイバ通信に適したスペクトル領域である
。

本発明のレーザの望ましい特徴は第１図を参照すること
によって最も良く理解されるように機能的素子と物質系
の組み合わせの利用を通じて達成される。第１図で本発
明のレーザが全体として１０で指示されている。

レーザ１０の主要な構成部分は利得空洞であって単一モ
ード光ファイバ１２の形をとり、それがクラッド１６に
よって囲まれたコア１４を有する。

光ファイバ１２の左端部にはダイクロイックフィルタ１
８があり、またその右端部にはダイクロイックフィルタ
２０があって、どちらも光ファイバ１２の端部と光学的
に結合され好ましくは一体的に形成される。ダイクロイ
ック端部フィルタはどちらも後述の如く所要の反射特性
と透過特性を備えるように周知の方法ににって製造され
る。

レーザダイオード２２の形のポンプ光源からのエネルギ
ーは全体として２４で指示されるバルク光学装置によっ
てダイクロイックフィルタ１８を通じてファイバコア１
４の左端部に結合される。

光フアイバ利得空洞１２は単一のモードのみを所望の出
力で伝搬するように構成される。ファイバ１２に単一の
モードを伝搬させるべくその幾何学的パラメータと物質
的パラメータは関係式：％式％ を満たすように選択される。ここでａはコア半径、λは
波長、ｎｌとｎ２は各々コアとクラッドの屈折率であり
、また２）４０５はその値が第１の根におけるベッセル
関数（Ｂｅｓｓｅｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　）のゼロ次の
オーダーであるような定数である。最も興味のある波長
領域は光フアイバ伝送の減衰が小さい赤外線付近なので
、コアの直径は数ミクロン位のオーダーであり、一方ク
ラツデイングのそれは好都合により大きくできるので８
０ミクロンないし１００ミクロン位となろう。さらに、
コア１４とクラッド１６の幾何形状を非円形が可能であ
ってそれでも単一モードを伝搬するが、非円形形状に関
して上述の式はただ近似的にのみ正しく、そのように適
用されるべきである。

コア１４の物質的構成は本質的に純溶融シリカであって
酸化ネオジミウムの形のあらかじめ定められたｍ度の能
動３価ネオジミウム　イオン（Ｎｄ３”）によって全体
的に均一にドーピングされる。この物質に関する吸収ス
ペクトルとけい光スペクトルが各々第２図と第３図で与
えられ、また、純溶融シリカのホスト内の３価ネオジミ
ウムに関する代表的なエネルギーレベル線図が第４図に
示されている。

第３図に提示されるごと＜０．９０５ミクロンないし０
．９１ミクロンの中心波長におけるレーザ作用の好まし
くない利得特性に拘らず、またさらに注目すべきはこの
物質系の３つの部分的なレベル特性にもかかわらず、利
得空洞長、ネオジミウムイオン濃度、およびダイクロイ
ックフィルタ特性の選定に注意を払うならば、０．９０
５ミクロンの公称波長におけるレーザ作用がポンプパワ
の利用可能なレベルによって実現されることが発見され
た。

ここに例示するように、特性に３つの部分的レベルがあ
るような系はそれらが４レベル系よりも大きなポンピン
グパワを要求するためにレーザ作用がより困難であるこ
とが一般に認識されている。

すなわち、４レベル系で励起状態の分布に対して要求さ
れるより低いポンピングパワと比較すると、３レベル系
では基底状態の分布を克服するための付加的パワが必要
である。４レベル系では基底状態における分布がゼロで
ある際の空洞損失を克服するだけの利得を与えるのに必
要なだけの上位状態分布が要求されるのみである。

３部分レベル系の逆転分布の要件を満たすために、本シ
ステムによるレーザ作用のための理想のレーザ空洞長が
見出された。その長さし、は所定のネオジミウムイオン
濃度に対するもので、どの長さもポンプパワがレーザ利
得空洞１２の全長を、移動する場合に係数２の減衰に対
応する。この理想長は最小に近いポンプパワでのレーザ
作用を可能にする。それは十分なパワを吸収しない０短
くはなく、またそれはＧａＡｊ！Ａｓレーザダイオード
のような利用可能な光源から必要な逆転分布を得るため
に過大のポンプパワを必要とするほど長くもない。

例えば０．５重量パーセントのネオジミウムイオン濃度
に対して、所要ポンプパワのしきい値が１．５ミリワッ
トないし２．５ミリワットの範囲にあるとして計算され
る理想長は１．５４センチメータとなる。ネオジミウム
イオンが０．５重量パーセントであって所要ポンプパワ
のしきい値が１０ミリワットないし１５ミリワットの範
囲内とする場合の１０センチメータレーザの測定出力が
第５図に示されている。このレーザは０．５重量パーセ
ントの濃度における理想値より約６．５倍長く、所定の
ドーパント濃度に対してレーザ長の上限は理想長の１０
０倍または１５０倍を超えるべきではないことを示唆し
ている。すなわち、０．５重量パーセントのネオジミウ
ムに対して、最大長は２３０センチメータとなる。

所定のネオジミウム濃度に対する適当な長さに加えて、
ポンプの主要放射スペクトルが第２図の吸収線のいずれ
か少なくとも１つの線を有することが重要である。好都
合にも、０．８０ミクロンだとこの波長にて信頼し得る
レーザダイオードが利用可能なので好ましい。

他の共振空洞構造におけるごとく、長さし　は空洞内で
支持される共振周波数即ち共振波長をも決定し、また半
波長の整数Ｎ倍である。即ち、ここでλは自由空間での
波長でありまたｎ８は共振モードにおけるコア１４の実
効屈折率である。

レーザ端部フィルタ１８と２０を形成する都合で、光フ
ァイバレーザはガラス細管２６の内側に配置し、そこで
固定する。この細管の端部は光ファイバー２と共に研削
されて研磨され、その後フイルタ１８と２０が研磨され
た端部上に蒸着のような周知の方法により形成される。

このようにして、細管２６はフィルタ１８と２０の製造
を助けると共にレーザ１０を容易に扱うための手段を与
える。この目的に適するように、細管２６の外径は数ミ
リメータあるいはそれ以上になるように作られる。ある
いはまたファイバを例えば直径２ミリメータの大きなり
ラッドを用いて、それに支持させることにより細管を省
略するようにしてつくることもできる。

フィルタ１８のダイクロイック特性はそれがポンピング
波長を透過させまた０、９０５ミクロンでは反射性をも
ち、一方フィルタ２０は０．９０５ミクロンでは部分透
過性でありポンピング波長では反射性とすることが必要
である。

前述のごとく、ル−ザダイオード２２は好ましくは周知
のひ化ガリウムアルミニウム型であってほぼ０．８０ミ
クロンのスペクトル出力を持ち、波長間隔が１００オン
グストローム以下に限定された放射のものを用いる。そ
のパワレベルはその注入電流を制御することにより調整
され、またバルク光学系２４はレーザダイオード２２の
数値開口（ＮＡ）を光ファイバ１２のＮＡ、例えば約０
．３に整合させるように選択することが望ましい。この
ような構成部品により、ファイバコア１２に対する端部
エネルギ結合が制御されてしきい値以上で所要の逆転分
布を生じて空洞内でのレーザ作用を得ることができる。

第２図から理解されるように、レーザダイオード２２の
スペクトル線出力は０．８０ミクロンの領域におけるそ
の材料のピーク吸収帯域の１つにて生じている。

０．７４ミクロンと０．８８ミクロンにおける吸収帯域
もこれらの波長にて適当なポンプ光源を用いて利用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるレーザシステムの概略的立面図、
第２図は本発明によるレーザにて用いられる酸化ネオジ
ミウムの吸収スペクトルを表わすグラフ図、第３図は純
溶融シリカ内の酸化ネオジミウムに関して相対けい光ス
ペクトルを波長の関数として表わすグラフ図、第４図は
第３図の相対けい光スペクトルを与える純溶融シリカの
ホスト内の３価ネオジミウムに関する代表的なエネルギ
ーレベルの線図、また第５図は第１図のレーザーの出力
を示すグラス図である。 符号の説明 １０・・・本発明のレーザ、 １２・・・光ファイバ、 １４・・・光ファイバのコア、 １６・・・被覆、 １８．２０・・・ダイクロイックフィルタ、２２・・・
レーザダイオード、 ２４・・・バルク光学系

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の屈折率をもつたコアと、該コアを囲みそれ
   よりも高い屈折率をもつたフラッドをもつた単一モード
   光ファイバにより形成される利得空洞にして、前記コア
   があらかじめ定められた濃度のネオジミウムイオンをそ
   の中に組み入れた溶融シリカを本質的に含み、かつ公称
   ０．９０５ミクロンの放射線のけい光スペクトルをもつ
   た材料でつくられる前記利得空洞と、 前記利得空洞の各端部に光学的に結合され、前記コア材
   の前記放射線においてフィードバックを与えて、前記コ
   ア材の少なくとも１つの吸収線においてポンピングエネ
   ルギーが前記コア内に導入されるようにする反射手段と
   、 前記利得空洞が実質的にちようど０．９０５ミクロンに
   おける前記１つの放射帯域にて発振するようにエネルギ
   ーを前記コアにその一端を通してポンピングする手段を
   もつた光ファイバレーザ。
2. （２）特許請求の範囲第１項において、前記コアの長さ
   と前記ネオジミウムイオンの濃度を、ポンピングエネル
   ギーが前記コアに沿つてその長さに等しい距離を移動す
   るとき２の係数によつて減衰するように選択されている
   光ファイバレーザ。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項において、前
   記ネオジミウムイオンの濃度が５．０重量パーセントま
   たはそれ以下である光ファイバレーザ。
4. （４）特許請求の範囲第１項ないし第３項において、前
   記コアの長さが０．１５センチメータないし２３０セン
   チメータの範囲にある光ファイバレーザ。
5. （５）特許請求の範囲第１項ないし第４項において前記
   ネオジミウムイオン濃度が０．５重量パーセントであり
   また前記コアの長さが１．５４センチメータである光フ
   ァイバレーザ。
6. （６）特許請求の範囲第１項ないし第５項において前記
   コア内へエネルギーをポンピングするための前記手段が
   １．５ミリワットないし１００ミリワットの範囲内の定
   格パワを有するレーザダイオードを含む光ファイバレー
   ザ。