(57)【要約】【課題】  Ｙｂのドープされた増幅用光ファイバを含んで構成されるファイバ型光増幅装置において、０．９８μｍ帯の光で励起しても、光増幅装置として増幅効率に優れたファイバ型光増幅装置を提供する。【解決手段】  本発明によるファイバ型光増幅装置は、入射される偏波一定の信号光に別途モニタ光を重畳して、増幅用光ファイバで増幅され出力される出力モニタ光の強度から、ファイバ型光増幅装置の増幅度を算出し、該増幅度が最大になるように励起光源の発振波長を制御することを特徴とする。【選択図】  図１
2014146683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イッテルビウムがドープされ、偏波保持機能を有する増幅用光ファイバを備えるファイバ型光増幅装置であって、
前記光増幅装置の増幅度をモニタするモニタ光を発生するモニタ光光源と、
入射される偏波一定の信号光と前記モニタ光とを重畳する第１偏光ビームスプリッタと、
前記光ファイバを励起するための励起光を発生する励起光源と、
前記励起光を前記光ファイバに入射させるためのコンバイナと、
前記信号光と前記モニタ光とを、それぞれ出力用信号光と出力モニタ光とに分離する第２偏光ビームスプリッタと、
前記分離された出力モニタ光の強度を測定する光検出器と、
前記出力モニタ光の強度により前記励起光源を制御する制御回路と、を備え、
前記第１偏光ビームスプリッタにて重畳された前記信号光と前記モニタ光とが、前記光ファイバに入射されて増幅され、
前記第２偏光ビームスプリッタにて前記出力用信号光と前記出力モニタ光とが、それぞれ分離されて出力されており、
前記出力モニタ光は、光検出器にてその強度が測定され、その強度から前記ファイバ型光増幅装置の増幅度が算出され、該増幅度が最大になるように前記制御回路が前記励起光源の発振波長を制御するように構成されていることを特徴とするファイバ型光増幅装置。
【請求項２】
請求項１に記載のファイバ型光増幅装置において、
前記第１偏光ビームスプリッタと前記光ファイバとの間、および前記コンバイナと前記第２偏光ビームスプリッタとの間には、アイソレータが介されているファイバ型光増幅装置。
【請求項３】
請求項１に記載のファイバ型光増幅装置において、
さらに、前記光検出器と前記制御装置との間に、前記光検出器からの検出信号から位相を検出する位相検出器を備え、
前記ファイバ型光増幅装置は、前記位相検出器を用いてディザー法により増幅度の制御をするファイバ型光増幅装置。
【請求項４】
請求項３に記載のファイバ型光増幅装置において、
さらに、出力される信号光の出力をモニタしており、信号光の出力が一定になるように、ポンプＬＤを制御する出力一定回路を備えているファイバ型光増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバ型光増幅装置に関し、特にイッテルビウム（以下、Ｙｂともいう）のドープされた増幅用光ファイバを含んで構成されるファイバ型光増幅装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光活性元素がドープされた増幅用光ファイバを備える、ファイバレーザ光源や光ファイバ増幅器などは、光通信の用途を始め、測長等の計測用途、電子機器・機械等のレーザ加工用途、医療用途など、様々な用途に利用されている。特に、レーザ加工などハイパワーを要する用途では、励起光とレーザ出力光との間の光子エネルギの差異により、無駄となるエネルギを低減するために、励起光およびレーザ出力光それぞれの波長が互いに近いことが望まれている。この観点から、増幅用光ファイバにドープされる光活性元素として希土類元素の一種であるＹｂの使用が増えている。
【０００３】
Ｙｂがドープされた増幅用光ファイバは、蛍光帯域が広く、広い波長で増幅させることができるので、超短パルスレーザ光を得やすい、という利点を有する。また、Ｙｂ3+イオンは、濃度消光が少なく、高濃度の添加が可能なので、利得ファイバ長が短くてよい。
【０００４】
図６は、Ｙｂ3+イオンの吸収特性を示すグラフである。図６に示されるように、Ｙｂ3+イオンの吸収特性から、励起光波長として０．９２μｍ帯（例えば、９１５ｎｍ）や０．９８μｍ帯（例えば、９７５ｎｍ）が用いられる。上述のように、レーザ出力光および励起光それぞれの波長を互いに近づけるためには、励起光波長として０．９８μｍ帯の利用が望ましい。
【０００５】
さらに、Ｙｂ3+イオンの吸収スペクトルの最大ピークは、波長９７５ｎｍ付近に存在し、次のピークは９１５ｎｍ付近に存在する。そこで、９１５ｎｍ励起の場合と９７５ｎｍ励起の場合を比べると、吸収量は９７５ｎｍ励起の方が約３倍ほど大きいので、励起効率が高くて好ましい。その結果、９７５ｎｍ励起の場合は、利得ファイバ長を短くできるので、好ましい。
しかし、９７５ｎｍ励起の場合は、９１５ｎｍ励起の場合に比べ、吸収帯域幅が狭いので、励起光の発振波長の安定度が重要になってくる。
【０００６】
なお、Ｙｂのドープされた増幅用光ファイバを用いたファイバレーザにおいて、その出力を安定化させる技術が、特開２０１０−２６３１８８号公報に開示されている。
また、出力変動を抑制できる光ファイバ増幅モジュールおよび光源装置が、特開２０１０−２７２６３６号公報に開示されている。
さらに、コアに希土類元素がドープされた偏波保持光ファイバが、特開平０８−３１３７４９号公報に開示されている。
【特許文献１】特開２０１０−２６３１８８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２７２６３６号公報
【特許文献３】特開平０８−３１３７４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、Ｙｂのドープされた増幅用光ファイバでは、０．９８μｍ帯における吸収ピークが急峻で吸収帯域幅が非常に狭いので、励起光の発振波長の安定度が重要である。つまり、０．９８μｍ帯の光で励起する場合、励起光の発振波長が変動すると、増幅された光信号の出力も変動してしまう、という問題があり、励起光の発振波長を非常に狭い範囲に制御する必要がある。
【０００８】
さらに、ファイバ型光増幅装置を安定的に用いる際に問題となるのは、光増幅装置の増幅度である。この増幅度は、信号光を測定することによっても測定可能であるが、信号光では無信号のときもあるので、無信号のときには、信号光により増幅度を測定することは困難になる。
【０００９】
また、ファイバ型光増幅装置では、上述のように励起光の発振波長を非常に狭い範囲に制御するとともに、光増幅装置として増幅度を最大の範囲で安定させることが重要である。
【００１０】
そこで本発明は、Ｙｂのドープされた増幅用光ファイバを含んで構成されるファイバ型光増幅装置において、０．９８μｍ帯の光で励起しても、光増幅装置として増幅効率に優れるとともに、増幅度が最大の範囲で安定して得られるファイバ型光増幅装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、本発明によるファイバ型光増幅装置は、入射される偏波一定の信号光に別途モニタ光を重畳して、増幅用光ファイバで増幅され出力される出力モニタ光の強度から、ファイバ型光増幅装置の増幅度を算出し、該増幅度が最大になるように励起光源の発振波長を制御することを特徴とする。
【００１２】
すなわち、本発明によるファイバ型光増幅装置は、
イッテルビウムがドープされ、偏波保持機能を有する増幅用光ファイバを備えるファイバ型光増幅装置であって、
前記光増幅装置の増幅度をモニタするモニタ光を発生するモニタ光光源と、
入射される偏波の一定な信号光と前記モニタ光とを重畳する第１偏光ビームスプリッタと、
前記光ファイバを励起するための励起光を発生する励起光源と、
前記励起光を前記光ファイバに入射させるためのコンバイナと、
前記信号光と前記モニタ光とを、それぞれ出力用信号光と出力モニタ光とに分離する第２偏光ビームスプリッタと、
前記分離された出力モニタ光の強度を測定する光検出器と、
前記出力モニタ光の強度により前記励起光源を制御する制御回路と、を備え、
前記第１偏光ビームスプリッタにて重畳された前記信号光と前記モニタ光とが、前記光ファイバに入射されて増幅され、
前記第２偏光ビームスプリッタにて前記出力用信号光と前記出力モニタ光とが、それぞれ分離されて出力されており、
前記出力モニタ光は、光検出器にてその強度が測定され、その強度から前記ファイバ型光増幅装置の増幅度が算出され、該増幅度が最大になるように前記制御回路が前記励起光源の発振波長を制御するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のファイバ型光増幅装置によると、急峻な吸収ピークを有する０．９８μｍ帯の光で励起しても、励起光の発振波長を正確に制御できるので、増幅された光信号の出力の変動を抑制することができる。したがって、大きな吸収ピークを利用して励起することができ、光増幅装置として増幅効率に優れたファイバ型光増幅装置を提供できる。
【００１４】
また、本発明のファイバ型光増幅装置の構成では、その増幅度を信号光とは別のモニタ光を入力し、信号光とともに増幅用光ファイバにて増幅させ、その後分離し出力モニタ光として増幅度を測定している。このため、ファイバ型光増幅装置の増幅度を常に測定することが可能となる。それに加えて、測定した増幅度を用いて、その増幅度が最大になるように励起光源の発振波長を制御すると、ファイバ型光増幅装置の増幅度を最大の範囲で安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明によるファイバ型光増幅装置１０１の実施形態を示すブロック構成図である。
【図２】本発明によるファイバ型光増幅装置に用いられる増幅用光ファイバの一構造例を示す断面図である。
【図３】レーザダイオードの温度を制御できるレーザダイオードモジュールの一例を示す図である。
【図４】本発明によるファイバ型光増幅装置１０２の実施形態を示すブロック構成図である。
【図５】ファイバ型光増幅装置の増幅度を最大に制御する一方法を説明する図である。
【図６】Ｙｂ3+イオンの吸収特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明によるファイバ型光増幅装置について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１は、本発明によるファイバ型光増幅装置１０１の実施形態を示すブロック構成図である。
【００１８】
図１において、ファイバ型光増幅装置１０１は、基本的に、入射される偏波一定の信号光２１を、イッテルビウムがドープされ偏波保持機能を有する増幅用光ファイバ５にて増幅し、出力用信号光２２として出力しており、さらに増幅用光ファイバ５を励起するための励起光７１を発生する励起光源７と、光増幅装置１０１の増幅度をモニタするためのモニタ光３１を発生するモニタ光光源３と、を備えている。
【００１９】
すなわち、ファイバ型光増幅装置１０１は、
入射される偏波一定の信号光２１とモニタ光光源３の発生するモニタ光３１とを重畳する第１偏光ビームスプリッタ４１と、
イッテルビウムがドープされ偏波保持機能を有する増幅用光ファイバ５と、
増幅用光ファイバ５を励起するための励起光７１を発生する励起光源７と、
励起光７１を増幅用光ファイバ５に入射させるためのコンバイナ６と、
増幅用光ファイバ５で増幅された信号光２１とモニタ光３１とをそれぞれ出力用信号光２２と出力モニタ光３２とに分離する第２偏光ビームスプリッタ４２と、
分離された出力モニタ光３２の強度を測定する光検出器７２と、
出力モニタ光３２の強度により励起光源７を制御する制御回路７３と、
を備えている。
【００２０】
入射される信号光２１はその偏波が一定であり、第１偏光ビームスプリッタ４１にて、信号光２１にモニタ光３１が重畳される。モニタ光光源３は、光増幅装置１００の増幅度をモニタするためのモニタ光３１を発生する。重畳された信号光２１とモニタ光３１とは、第１アイソレータ８１を経由して、増幅用光ファイバ５に入射される。ここで、信号光２１に重畳されたモニタ光３１の偏波面は、信号光２１の偏波面と互いに直交している。
【００２１】
ここで図２を参照して、増幅用光ファイバ５は、コア５０の周囲をガラス製の第１クラッド５１が囲んでおり、該第１クラッド５１中には一対のストレス部材５３，５３が設けられている。さらに、第１クラッド５１の周囲をポリマ製の第２クラッド５２が囲んでおり、いわゆるＰＡＮＤＡ型ファイバである。図２の紙面において、増幅用光ファイバ５の垂直方向がFast軸５４であり、水平方向がSlow軸５５である。
【００２２】
コア５０には、光活性元素として希土類元素の一種であるＹｂがドープされている。コアサイズは、例えば５．５μｍ〜３０μｍ程度である。増幅用光ファイバ５は、第１クラッド５１中に設けられた一対のストレス部材５３，５３によって発生する応力により、コアにはＸ方向では引張応力、Ｙ方向では圧縮応力をそれぞれ受けている。このため、光弾性効果により複屈折が誘起され、Ｘ偏波モードとＹ偏波モードで異なる屈折率構造を有することとなり、偏波が保持される。
【００２３】
なお、増幅用光ファイバ５は、コアに対して対称的なストレス部材を有する構造であれば、ＰＡＮＤＡ型ファイバに限られず、楕円ジャケット型ファイバやボウタイ型ファイバでもよい。
【００２４】
図１に戻って、励起光源７にて発生された励起光７１は、コンバイナ６から増幅用光ファイバ５に入射される。増幅用光ファイバ５にて増幅された信号光２１とモニタ光３１とは、コンバイナ６と第２アイソレータ８２とを経由し、第２偏光ビームスプリッタ４２にて、それぞれ出力用信号光２２と出力モニタ光３２とに分離される。
【００２５】
光検出器７２は、分離された出力モニタ光３２の強度を測定する。制御回路７３は、出力モニタ光３２の強度からファイバ型光増幅装置５の増幅度を算出し、該増幅度が最大になるように励起光源７の発振波長を制御する。
【００２６】
励起光源７の発振波長を制御する方法の一例としては、励起光源７が例えばレーザダイオードであれば、レーザダイオードの温度を制御することで、発振波長を変化させることができる。一般に、レーザダイオードの温度が上昇すれば、発振波長は長波長側にシフトするとされる。
【００２７】
レーザダイオードの温度を制御するには、以下のような方法を示すことができる。
レーザダイオード（以下、ＬＤともいう）を含んで構成されるＬＤモジュールを一例を、図３に示す。ＬＤモジュール２００は、ＬＤチップ２０１とペルチェ素子２０３とが熱伝導板２０２を介して熱的に接合され、ＬＤチップ２０１と光ファイバ５００とは、光学的に結合されている。ペルチェ素子２０３は、図示しない制御回路に接続されており、熱伝導板２０２側を高温にしたり、逆に低温にしたりできる。熱伝導板２０２上には、さらにサーミスタ２０４が熱的に接合されている。
【００２８】
このような構造のＬＤモジュール２００では、サーミスタ２０４によってＬＤチップ２０１の温度をモニターし、その温度によってペルチェ素子２０３を制御して、ＬＤチップ２０１の温度を制御することができる。
【００２９】
また、励起光源７の発振波長を制御する別の方法としては、光学的方法を挙げることができる。光学的に励起光源７の発振波長を制御するには、外部発振型のレーザダイオードにおいて、ＬＤ本体と外部反射ミラとの間に、例えばバンドパスフィルタを配置し、このバンドパスフィルタの傾きを変化させて光路長を変化させるとよい。また、バンドパスフィルタの温度を調整し熱膨張と熱収縮により光路長を変化させたりすることでも、励起光源７の発振波長を制御することができる。
【００３０】
（実施形態２）
図４は、本発明によるファイバ型光増幅装置１０２の実施形態を示すブロック構成図である。上述したファイバ型光増幅装置１０１と同じ構成については、その説明を省略し、ファイバ型光増幅装置１０２特有の構成について説明する。
【００３１】
図４において、第２偏光ビームスプリッタ４２にて、分離された出力モニタ光３２は、光検出器７２によって検出され、バンドパスフィルタ７０１を経由して位相検出器７０２に入力される。この位相検出器７０２では、出力モニタ光３２の位相を検出して、その位相情報を低周波制御回路７０３と高周波発振器７０４とに入力する。
【００３２】
低周波制御回路７０３では、入力された位相信号に応じて波長制御回路７０６を制御する。高周波発振器７０４では、高周波信号が発振され変調回路７０５を経て、同じく波長制御回路７０６に入力される。波長制御回路７０６では、入力された信号に応じて励起光源７の発振波長を制御する。このようにして、励起光源７の発振波長を制御することができる。
【００３３】
さらに、第２偏光ビームスプリッタ４２にて、分離された出力用信号光は、カプラ９１にて分離されて、励起光源７の出力を一定に制御する出力一定制御回路９０に入力される。そして、出力一定制御回路９０では、出力される信号光の出力が一定になるように、励起光源７の出力を制御している。
【００３４】
ファイバ型光増幅装置５の増幅度が最大になるようにするためには、ディザー法を用いて制御するとよい。ファイバ型光増幅装置における増幅度は、図５に示すように、周波数に依存しており、ある周波数で増幅度が最大となる。そこで、増幅度が最大となるようにするためには、ある周波数を中心として周波数を増減させて、そのときの増幅度の増減を測定する。
【００３５】
その際、増幅度が最大となる周波数よりも低い周波数を中心として増減しているときは、周波数の増減の位相と増幅度の増減の位相とは一致することになる。一方、増幅度が最大となる周波数よりも高い周波数を中心として増減しているときは、周波数の増減の位相と増幅度の増減の位相とは逆になることになる。
【００３６】
そこで、周波数の増減の位相と増幅度の増減の位相とを検出するようにし、位相が一致しているときは周波数を上げる制御を行い、一方位相が逆になっているときは周波数を下げる制御を行うとよい。このような制御方法をディザー法という。
【００３７】
図４に示したファイバ型光増幅装置１０２は、このディザー法による制御が可能なように構成されている。つまり、位相検出器７０２は、周波数の増減の位相と増幅度の増減の位相を検出しており、同位相か逆位相かによって、上述のように周波数（波長）の制御を行うとよい。
【００３８】
さらに、ファイバ型光増幅装置１０２は、カプラ部９１において、出力される信号光の出力をモニタしており、信号光の出力が一定になるように、ポンプＬＤを制御する回路９０を備えているので、好ましい。
【００３９】
なお、ファイバ型光増幅装置の増幅度を最大にする制御方法は、上述したディザー法に限られることなく、増幅度を最大にできさえすれば、どのような方法でもよい。
【００４０】
以上、本発明の具体的な構成例について、実施形態１や２を用いて説明した。これら実施形態１や２の構成は、増幅用光ファイバの後方から励起する例であった。しかし、これに限られることなく、増幅用光ファイバの前方から励起することもできる。
【００４１】
また、実施形態１や２に示した構成では、増幅用光ファイバとして、ダブルクラッドのＰＡＮＤＡ型ファイバを用いた例であったが、これに限られることなく、偏波保存型であれば、シングルクラッドのファイバ増幅器に適応することもできる。
【００４２】
以上、本発明によるファイバ型光増幅装置について、実施形態を示して説明してきた。ファイバ型光増幅装置を安定的に用いる際に問題となるのは、光増幅装置の増幅度であり、原理的には信号光の増幅度を測定すればよい。しかし、その増幅度を最大の範囲に制御するために、上述したディザー法を適用しようとすると、信号光の波長を変化させることになり、また信号光では無信号のときもあるので、その適用は困難である。
【００４３】
これに対して、本発明によるファイバ型光増幅装置では、上述した構成のように、信号光ではなく、別途モニタ光を用いて、光増幅装置として最終的に重要な増幅度を測定している。したがって、増幅度を常に測定できるだけでなく、ディザー法などの適用も可能なので、安定した増幅度が得られるだけでなく、増幅度を最大の範囲に制御することも容易なファイバ型光増幅装置が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明によるファイバ型光増幅装置は、光通信の用途を始め、測長等の計測用途、電子機器・機械等のレーザ加工用途、医療用途など、様々な用途に利用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１，１０２：ファイバ型光増幅装置、
２１：入射される信号光、
２２：出射される出力用信号光、
３：モニタ光光源、
３１：入射されるモニタ光、
３２：出射されるモニタ光、
３３：発振器、
４１：第１偏光ビームスプリッタ、
４２：第２偏光ビームスプリッタ、
５：増幅用光ファイバ、
５０：コア、
５１：第１クラッド（ガラス）、
５２：第２クラッド（ポリマ）、
５３：ストレス部材、
５４：Fast軸、
５５：Slow軸、
６：コンバイナ、
７：励起光源、
７１：励起光、
７２：光検出器、
７３：制御回路、
７４：位相検出器、
７０１：バンドパスフィルタ、
７０２：位相検出器、
７０３：低周波制御回路、
７０４：発振器、
７０５：変調器、
７０６：波長制御回路、
８１：第１アイソレータ、
８２：第２アイソレータ、
９０：出力一定制御回路、
９１：カプラ、
２００：レーザダイオードモジュール、
２０１：レーザダイオードチップ、
２０２：熱伝導板、
２０３：ペルチェ素子、
２０４：サーミスタ、
５００：光ファイバ、
【図１】
2014146683.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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