JP3987840B2 - クラッディング励起光ファイバ利得装置 - Google Patents

Description

本発明は、改良型の高利得性能を有する光ファイバ利得装置に関する。より具体的には、本発明はクラッディング励起（cladding pumped）レーザおよび増幅器に関する。

光ファイバ・レーザおよび希土類ドープされた利得セクションを使用する増幅器は、光波通信システムに広範に使用されている。これらの装置を実現するための好ましい手法は、クラッディング内にポンプ・エネルギーを導入することである。ポンプ・エネルギーは、信号と同一方向または反対方向に伝播することができる。特に効率的な環境においては、多数のポンプ・ファイバが、信号モードまたは基本レーザ・モードを搬送するファイバの回りに束ねられて、信号ファイバのクラッディングに接続される。本明細書における「主ファイバ」への言及は、光ファイバ増幅器の場合に信号を搬送するファイバ、および／または、レーザ・ファイバにおけるレージング・モード（lasing mode）を意味している。マルチモード・ポンプ光（multimode pump light）は、多数のポンプ・ファイバ中に導入されて、主ファイバのクラッディングに結合される。別の方法としては、ポンプ・ファイバと信号ファイバを、その長さに沿った共通のクラッディング内に収納して、「側方励起（side-pumping）」を可能にすることができる。その他の多重化方法も使用することができるが、それぞれにおいて、「主ファイバ」は信号またはレージング・モードを搬送する。利得セクションは、主ファイバのクラッディング中に結合されたポンプ・エネルギーが、主ファイバのコア内の伝播モードへのエネルギーを増幅または供給することを可能にするために設けられる。レーザおよび増幅器に有用なクラッディング励起光ファイバ構造は、米国特許第５，４１８，８８０号、同第５，９３７，１３４号および同第５，９６６，４９１号に、より詳細に記載されており、これらを参照として本明細書に組み入れる。

多数のポンプ・ファイバを主ファイバに束ねて取り付ける技法が、やはり本明細書に組み入れてある米国特許第５，８６４，６４４号に記載かつ請求されている。この技法は、主ファイバの回りにポンプ・ファイバを配置し、互いに融着させることを含む。好ましい例においては、融着された束を引き抜きして、融着束が、主ファイバの直径にほぼ等しくなるようにされる。しかしながら、この手法の意図しない結果として、主ファイバのコアが大幅に減少することがある。したがって、ポンプ結合器セクションは通常、前述したように、より大きなコア直径を有する利得セクションに結合される。利得セクションにおける大きなコア直径は、コアとクラッディングの面積比を向上させて、所与の長さの利得セクションに対する光エネルギー伝達を最大化する上で有効である。
米国特許第５，４１８，８８０号 米国特許第５，９３７，１３４号 米国特許第５，９６６，４９１号 米国特許第５，８６４，６４４号 米国特許第４，７０１，０１１号 Kishimoto et al., IEEE trans. Microwave Theory Tech., Vol. MTT-30, No.6, 頁882〜893,1982年7月 米国特許第４，５５３，２３８号

従来、利得セクションにおける大きなコア直径には、別の利点があった。非常に高出力の装置においては、能動領域と呼ばれることもある利得領域は、高い光エネルギー密度を有する。エネルギー密度が高すぎると、構造の損傷が発生するか、または非線形障害をこうむる。現況技術利得装置における利得セクションは、許容エネルギー密度の限界内に留めながら、高い全体エネルギー・レベルを使用できるように、非常に大きなコアを設けて製作されている。しかしながら、利得セクションにおける大きなコアと、ポンプ結合器セクションにおける小さなコアの組合せは、増幅中の信号（または基本レーザ・モード）がポンプ結合器セクションから利得セクションに移行するときに、急激な段差を生じることになる。このような段差を横切ってビームを伝送すると、大幅な損失が生じることがある。

本発明によれば、光ファイバ利得装置の入力、例えばポンプ結合器セクション（pump combiner section）と、利得セクションとの間の急峻な移行による損失は、入力と利得セクションの間に断熱型変換器（adiabatic transformer）を挿入することによって低減される。好ましい場合には、断熱型変換器は、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）ファイバレンズ（GRadient INdex fiber lens）を含む。このレンズは、断熱型ビーム拡大器の役割を果たし、ビームが利得セクションに移行するときに、ビームのモードフィールドを制御可能に増大させる。ポンプ・エネルギーは、信号と同一方向または反対方向に伝播することができ、本発明は、いずれの場合にも応用可能である。逆ポンプ（counter-pump）の場合のように、モード変換器が逆方向に動作するときには、モード変換器は、断熱型ビーム収縮器（concentrator）として動作する。

本発明は、添付の図面と合わせて考察すれば、よりよく理解することができる。
図１を参照すると、従来型ポンプ結合器（pump combiner）セクションを番号１１で示してある。この種のポンプ結合器は、米国特許第５，８６４，６４４号に詳細に記載されており、その記述を参照するために、これを本明細書に組み入れてある。この図では６本を示してある、複数のマルチモード光ポンプ・ファイバ１３が、図のように円形状に束ねられている。増幅しようとする信号を搬送する光ファイバを、あるいはレーザ装置の場合には能動レーザ空胴（active laser cavity）を有する光ファイバを、１５で示す。本説明の部分において、レーザ用または増幅器用を問わず、能動導波路を信号ファイバと呼ぶことにする。束を互いに融着して、引き抜き加工することによって１６で示す結合セクションが生成される。この図解において、引き抜きにより得られる縮減は約１／３であり、したがって信号ファイバのコアは約１／３に縮小される。

ポンプ結合器セクションは、１７で示す利得セクションに重ね継ぎされる。
図２は、光が、光ファイバ１５の入力から、ポンプ結合器１１によって生成される縮小セクション１６を介して、利得セクション１７へと進行するときの、光学経路における激しい不連続性を説明している。図２には、それぞれの要素のコア１８、１９、２０のみを示してある。先に挙げた例に従うと、入力１５でのコア直径１８は、標準的なシングル・モード・コア直径、例えば約９ミクロンである。このコアが、ポンプ結合器（コア１９）においては、約３ミクロンに縮小される。利得セクションのコア２０は、過剰なパワー密度による損傷を防止するために大きくされており、これを約５０ミクロンとして示してある。ポンプ結合器セクション１６のコア１９を出て、利得セクションのコア２０に投入される光ビームが、激しい段差拡大を通過することは明らかである。また、このような大きな段差が、ビーム内の光エネルギーの大部分を高次モードに結合させて、最終的に所望の増幅を低減させることも明らかである。

ポンプ結合器セクションと利得セクションとの間の不連続性の激しさを低減するために、これらの要素の間に断熱型変換器を挿入する。断熱型変換器とは、重大なパワー損失を伴うことなくモードフィールド直径を変換する要素である。この機能に対する好ましい要素に、ＧＲＩＮレンズがある。好適なＧＲＩＮレンズが、米国特許第４，７０１，０１１号に記載されており、この例ではＧＲＩＮレンズ要素が光ファイバ間の簡易低損失カプラーとして使用されている。この特許を、ＧＲＩＮレンズ要素の参照として、本明細書に組み入れてある。ＧＲＩＮレンズの一つの特徴は、レンズの中心から半径方向に、放物線状かつ単調に変化する、屈折率を有することである。代表的な実施形態においては、ＧＲＩＮレンズは円筒形であり、その屈折率は、円筒の中心軸からレンズの外側表面へと放物線状に変化する。

図３は記述した配設を示している。図中で、ポンプ結合器セクションを２１、信号ファイバを２３、ＧＲＩＮレンズを２６、利得セクションの入力部分を２８で示してある。分かりやすくするために、３つの要素は切り離して示してある。完成装置に組み立てるときには、これらの要素は、標準的な光ファイバ融着接合技術を用いて、互いに融着するか、またはその他の方法で重ね継ぎする。好ましい例においては、要素２６は、要素２１および２８と同じクラッド外部寸法を有する、光ファイバのセクションとする。

図４は、結合されたセクション２１、２６、２８を横切って進行する光ビームのモード・パターンを示す。ポンプ結合器セクションから出る縮小面積ビームを３１で示してある。ＧＲＩＮレンズ要素２６に結合されると、モードフィールドは、図のように制御可能に拡げられる。ＧＲＩＮレンズの長さは、ビームのスポット寸法およびビームの位相曲率が、利得セクション２８の対応する特性と一致する場所に、レンズの出力端、すなわち界面３３があるように選択する。これによって、ビームは、好適に拡張かつ平行化されたモードフィールド３４を保つとともに、実質的に挿入損失なしに、利得セクションに進入することができる。

ＧＲＩＮレンズは、単調放物線状の屈折率勾配をつけた光ファイバ・セクションを備えてもよい。また、このような特性を有するプラスチックまたはその他の透明体を含んでもよい。本発明の使用に好適に適合されたＧＲＩＮ光ファイバは、いわゆる２乗則媒体（square law medium）を含む。２乗則媒体における、屈折率の半径方向依存性は、
ｎ（ｒ）＝ｎ_０［１−ｇ^２ｒ^２］^０．５
で与えられ、ここでｎ_０は光学軸上での屈折率であり、ｇは次式、
ｇ＝（２Δ）^０．５／ａ
で与えられる焦点パラメータであり、ここで、Δ（＝［ｎ_０−ｎ（ａ）］／ｎ（ａ））は、中心コア（ｎ_０）とクラッドとの間の屈折率差（分数として表される）であり、ａはコア半径である。要素２６におけるガウスビームの特性のさらなる詳細は、文献（Kishimoto et al., IEEE trans. Microwave Theory Tech., Vol. MTT-30, No.6, pp 882-893, June 1982）に記載されている。

２乗則媒体が、初期に平面状位相面（planar phase front）を有するビームを、完全に拡大するか、または縮小させるまでの距離を、１／４ピッチ長と呼び、それはπ／２ｇに等しく、ここでｇは、上記のように定義される焦点パラメータである。

本発明の断熱型変換器を、図５に模式的に示してあり、この図では、モードフィールドのパターンを５１で表してある。一般的な４分の１ピッチ長ＧＲＩＮレンズにおいて、長さＬ_１が４分の１ピッチ長である。長さＬ_２は、利得セクション２８中に結合するために望ましいモードフィールドに対応する、進行する光波面における位置、例えば５２になるように選択される。好ましい例においては、要素２６の長さは、４分の１ピッチ長に等しいか、またはほぼ等しい。しかしながら、その寸法が好ましいものよりも小さいか、または大きい場合も起こることがあり、このような場合には、長さＬ_２は、Ｌ_１よりも短く、または（例に示すように）長くする。

真の４分の１ピッチ長装置は、本発明での使用に適しているが、２乗則から逸脱するその他のレンズも使用することできることを理解すべきである。

図２〜５と関係して記述した例においては、装置の利得セクションにおけるコアの直径は、ポンプ結合器セクションの出力におけるコアの約１７倍で示してある。この比が大きくなるほど、本発明の断熱型変換器の必要性も増大する。本発明は、主として、利得セクションのコア直径とポンプ結合器の出力におけるコア直径との不一致を表す比が、少なくとも２、より一般的には１０を超える利得装置を対象とする。場合よっては、利得セクションを曲げて、不必要なモードを除去するのが有利なこともある。

図に示し、上述したポンプ結合器セクションは、端末ポンプ設計と考えることができ、いくつかの有用なポンプ配設の１つに他ならない。例えば、光学ポンプと利得セクションは、２つの個別の直列に配置された要素とするのではなく、結合することができる。この場合には、ポンプは、利得セクションに沿って分散されて、側方ポンプ装置に類似するものとなる。このような全体設計をされた装置が、米国特許第４，５５３，２３８号に記載されている。

分散ポンプ・セクション（distributed pump section）を有する装置の一例を、図６および７に示してある。模式的に、光ファイバ利得セクションの端面図を６１で示してある。ポンプ・ソースは、利得ファイバと横並びに配設されたマルチモード光ファイバ６２である。これらのファイバが十分に近接しているときには、ポンプ・ファイバからのエネルギーが利得ファイバに伝達される。この現象はよく知られており、ある期間、光カプラーに利用されてきた。図６には、２つの横並びのファイバ６１および６２を、共通のコーティング６３と共に示してある。このようなポンプ配設の様々な形態が可能である。２つ以上のポンプ・ファイバを、図３のポンプ結合器の入力端に示すものと類似の配設において使用することもできる。このポンプと利得ファイバを、引き抜き加工して、より小さな直径に縮小するとともに、望ましい場合には一体に融着させてもよい。しかしながら、それらを密着して組み付ければ、十分である。図７は、図６の分散ポンプの実施形態を示し、その入力端および出力端を示してある。図６がその対応する横断面を示している、利得セクションを、６３で示してある。装置中の利得の量は、利得セクションの長さ、すなわちそれに沿ってファイバが結合されている長さにほぼ比例する。利得ファイバは６１で示してあり、これが光信号またはレージング・モードを搬送する。ポンプ・ファイバは６２で示してある。モードフィールド直径は、円６５、６６によって示してある。本発明の断熱型変換器を、６７および６８で示してある。この装置においては、２つの変換器を示してある。入力側の変換器６７は、モードフィールドを拡大して利得セクションのモードフィールドに一致させる。第２の変換器６８は、逆に使用して、モードフィールドのパターンを元の形状に戻すか、または異なる寸法のモードフィールド面積（入力対出力）が望ましい場合には、モードフィールドのパターンを縮小する。矢印で示すように、ポンプ光は、両方向に伝播することが可能である。

本明細書における、利得セクションまたは利得装置の言及は、ファイバ中を進行する光波のパワーを向上させる、光ファイバ手段の記述を意図するものである。これらのファイバは、希土類元素、通常はエルビウム、または希土類元素Ｅｒ、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｓｍ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｌｕの併用によってドープされている。その他のドーパント、例えばＡＩ、Ｐも頻繁に使用される。

本発明の様々な追加の修正を、当業者であれば思いつくであろう。本明細書の特定の教示からの逸脱であっても、技術を進展させた原理およびその均等物に基本的に依存するものであれば、それらはすべて、記述かつ請求した本発明の範囲内であると考えるべきである。

マルチファイバ・ポンプ結合器セクションの概略図である。 コア直径およびモードフィールドの格差を示すために、代表的な信号入力ファイバ、代表的なポンプ結合器セクションの出力、および代表的な利得セクションの入力の、相対的なコア直径を示す図である。 本発明によるＧＲＩＮレンズ要素を介して、利得セクションに結合された、ポンプ結合器セクションの図である。 図３における３つの要素におけるモードフィールド・パターンの概略図である。 代表的な４分の１ピッチ長２乗則媒体における、モードフィールドの概略図である。 ポンプ結合器の代替タイプを示す概略図である。 ポンプ結合器の代替タイプを示す概略図である。

Claims (10)

1. ａ．第１のモードフィールド直径Ｄ _１ を有する入力光ファイバと、
   ｂ．ＧＲＩＮ光ファイバからなる光ファイバ断熱型変換器セクションと、
   ｃ．前記第１のモードフィールド直径Ｄ _１ よりも実質的に大きい第２のモードフィールド直径Ｄ _２ を有する光ファイバからなる光ファイバ利得セクションと、
   ｄ．前記光ファイバ利得セクションを光励起する手段とを備え、
   前記ＧＲＩＮ光ファイバは、前記ＧＲＩＮ光ファイバを通る光ビームが前記直径Ｄ _１ から前記直径Ｄ _２ に広がるモードフィールドを有するよう勾配した屈折率を有し、
   前記入力光ファイバは前記ＧＲＩＮ光ファイバへ融着接続され、前記ＧＲＩＮ光ファイバは前記光ファイバ利得セクションの前記光ファイバに融着接続されており、これにより、前記入力光ファイバと前記光ファイバ断熱型変換器セクションと前記光ファイバ利得セクションとからなる単一のガラス体が形成されることを特徴とする光利得装置。
2. 前記利得セクションを光励起する手段は末端ポンプであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記利得セクションを光励起する手段は側方ポンプであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記利得セクションを光励起する手段は、入力と出力とを有するポンプ結合器セクションであり、前記入力は、組立体を形成するために１つまたは複数のポンプファイバに包囲された主ファイバを含むことを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記利得セクションはモードフィールド直径Ｄ_３を有し、前記Ｄ_３は前記Ｄ_２の２倍よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記利得セクションを光励起する手段は、１つまたは複数のポンプファイバに包囲された利得ファイバを含む分散ポンプセクションであることを特徴とする請求項３に記載の装置。
7. 前記ＧＲＩＮ光ファイバは、４分の１ピッチ長Ｌ_１を有する４分の１ピッチ２乗則媒体を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
8. 前記ＧＲＩＮ光ファイバの長さはＬ_２であり、前記Ｌ_２は前記Ｌ_１よりも小さいことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記ＧＲＩＮ光ファイバの長さはＬ_２であり、前記Ｌ_２は前記Ｌ_１よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. 望ましくない高次モードを減衰させるため、利得ファイバが曲げられていることを特徴とする請求項１に記載の光利得装置。

Images