(57)【要約】  光学的に活性になるようにドープされた光透過性ユニタリチップによって構成されたユニタリ光増幅器を有する活性光増幅器は、十分なエネルギのポンプ源によって励起されると、到来する信号フォトンを増幅する。このユニタリ光増幅器は、入力フォトンおよびポンプレーザエネルギを受けて、対応する入力フォトンと同じ空間方位および位相を有する出力フォトンを与える。レーザ方向および距離測定（ＬＡＤＡＲ）システムは、この活性光増幅器に加えて、入力フォトンをユニタリ光増幅器の表面上に集束させる第１の画像化光学系と、ユニタリ光増幅器からの出力フォトンを焦点面画像センサアレイ上に集束させる第２の画像化光学系とを備えることによって構成される。焦点面画像センサアレイからの電子信号は、通常のディスプレイに表示される。複数のユニタリ光透過性増幅器チップは、それぞれがポンプ信号を受ける積層構造に構成される。この積層構造は、入力フォトンを増幅する。
2005510853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入力フォトンを増幅するための光増幅器であって、前記複数の入力フォトンのそれぞれは少なくとも２つの入力角の１つであって１つの軌跡を規定する入力角を有し、そして複数の入力フォトンのそれぞれは対応する位相を有し、前記光増幅器は、
前記複数の入力フォトンに光学的に結合されて、前記入力フォトンの画像を与えるように動作する非平行化型画像化光学系と、
ポンプ信号を与えるためのポンプ源と、
光学的に活性となるように均質にドープされた部分を少なくとも一つ有したユニタリ光透過性固体幾何学的チップとを備え、
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分は、前記ポンプ源によって与えられる前記ポンプ信号に光学的に結合され、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分はさらに、前記非平行化型画像化光学系に光学的に結合され、そこから前記複数の入力フォトンの画像を受信するものであり、
前記複数の入力フォトンのそれぞれは、前記軌跡に沿って前記均質にドープされた部分内で、対応する１以上のフォトンを発生し、
前記１以上の発生されたフォトンは、対応する入力フォトンとほぼ同じ位相および前記入力角に対応するほぼ同じ軌跡を有し、
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分は、前記複数の発生されたフォトンを出力として与えるように構成および配置され、
前記複数の発生されたフォトンは、前記複数の入力フォトンより数が多いことを特徴とする光増幅器。
【請求項２】
前記入力フォトンのそれぞれは偏光を有し、前記発生されたフォトンのそれぞれは、対応する入力フォトンとほぼ同じ偏光を有する請求項１に記載の光増幅器。
【請求項３】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップは、ガラスにより構成されている請求項１に記載の光増幅器。
【請求項４】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップは、ケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、ＧｅＯ２ガラスおよびＢ３Ｏ２ガラスからなる群から選択されたガラスにより構成されている請求項３に記載の光増幅器。
【請求項５】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップは、半導体である請求項１に記載の光増幅器。
【請求項６】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分は、活性なエルビウムイオンでドープされている請求項１に記載の光増幅器。
【請求項７】
前記活性なエルビウムイオンは、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップを２重量％のＥｒ２Ｏ３でドープすることによって与えられる請求項９に記載の光増幅器。
【請求項８】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分は、活性なネオジムイオンでドープされている請求項１に記載の光増幅器。
【請求項９】
前記複数の入力フォトンは、１．４５〜１．６２ミクロンの波長を有する請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１０】
前記複数の入力フォトンは、１．５５ミクロンの波長を有する請求項９に記載の光増幅器。
【請求項１１】
前記ポンプ源によって与えられる増幅光信号は、０．９８０ミクロンの波長を有する請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１２】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの長軸に沿って、前記ポンプ信号を前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップに光学的に結合するように構成および配置されたビーム分割ミラーを更に備え、このビーム分割ミラーは更に前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分に前記複数の入力フォトンを光学的に結合するように構成および配置されている請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１３】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの少なくとも１つの表面に熱的に結合された光透過性伝熱媒体を更に備える請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１４】
前記光透過性伝熱媒体は、ダイアモンドである請求項１３に記載の光増幅器。
【請求項１５】
前記光透過性伝熱媒体に熱的に結合されて、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップからの熱を伝達する伝熱システムを更に備える請求項１３に記載の光増幅器。
【請求項１６】
前記伝熱システムは、前記光透過性伝熱媒体に熱的に結合されたヒートシンクを有する請求項１５に記載の光増幅器。
【請求項１７】
前記伝熱システムは、前記光透過性伝熱媒体に熱的に結合された電熱式伝熱システムを有する請求項１５に記載の光増幅器。
【請求項１８】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップは、小信号領域において動作するに十分なエネルギでポンプされる請求項１に記載の光増幅器。
【請求項１９】
前記光増幅器の雑音指数は、２．５未満である請求項１に記載の光増幅器。
【請求項２０】
前記光増幅器の利得は、１０ｄＢより大きい請求項１に記載の光増幅器。
【請求項２１】
複数の入力フォトンを画像化するための光画像化システムであって、入力フォトンの第１のそれぞれは少なくとも２つの入力角の１つであって１つの軌跡を規定する入力角を有し、複数の入力フォトンのそれぞれはさらに対応する位相を有し、前記装置は、
前記複数の入力フォトンを受信する非平行化型光学入力と、
前記非平行化型光学入力に光学的に結合された増幅器入力を有する光増幅器とを備え、前記光増幅器は、
ポンプ信号を与えるためのポンプ源と、
光学的に活性となるように均質にドープされた部分を少なくとも一つ有したユニタリ光透過性固体幾何学的チップとを備え、
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分は、前記ポンプ源に結合され、更に前記複数の入力フォトンに結合され、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分はさらに、前記複数の入力フォトンのそれぞれが前記軌跡に沿って少なくとも２つのフォトンを発生するように構成および配置され、前記２以上の発生されたフォトンは、対応する入力フォトンとほぼ同じ軌跡およびほぼ同じ位相を有し、そして前記複数の発生されたフォトンを出力として与えるものであり、
前記光増幅器は更に、
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの増幅された出力に光学的に結合された複数の光検出器を有した焦点面アレイを備え、この焦点面アレイは、前記光増幅器の増幅された出力の空間方位を表す複数の電子的信号の出力を与えるように構成および配置されていることを特徴とする光画像化システム。
【請求項２２】
前記入力フォトンのそれぞれは偏光を有し、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップによって与えられる前記発生されたフォトンのそれぞれは対応する入力フォトンと同じ偏光を有する請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項２３】
前記入力は、光システムを有する請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項２４】
前記光システムは、画像化光学系を有する請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項２５】
前記増幅器出力と前記焦点面アレイとの間に挿入された出力光システムを更に備え、前記出力光システムは前記ユニタリ光透過性チップの前記増幅された出力を前記焦点面検出器に光学的に結合する請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項２６】
前記増幅器出力と前記焦点面アレイとの間に挿入された前記出力光システムは、画像化光学系を有する請求項２５に記載の光画像化システム。
【請求項２７】
前記複数の出力フォトンの変化をオフセットするための訂正係数を与えるように構成および配置された校正システムを更に備える請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項２８】
前記ユニタリ光透過性チップの前記均質にドープされた部分は、活性なエルビウムイオンでドープされている請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項２９】
前記活性なエルビウムイオンは、前記ユニタリ光透過性チップを２重量％のＥｒ２Ｏ３でドープすることによって与えられる請求項２８に記載の光画像化システム。
【請求項３０】
前記複数の入力フォトンは、１．５５ミクロンの波長を有する請求項２９に記載の光画像化システム。
【請求項３１】
前記ポンプ源によって与えられる増幅光信号は、０．９８０ミクロンの波長を有する請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項３２】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの長軸に沿って、前記ポンプ信号を前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップに光学的に結合するように構成および配置された二色ミラーを更に備え、この二色ミラーは更に、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分に、前記複数の入力フォトンを光学的に結合するように構成および配置されている請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項３３】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの少なくとも１つの表面に熱的に結合された光透過性伝熱媒体を更に備える請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項３４】
前記光透過性伝熱媒体は、ダイアモンドである請求項３３に記載の光画像化システム。
【請求項３５】
前記光透過性伝熱媒体に熱的に結合されて、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップからの熱を伝達する伝熱システムを更に備える請求項３３に記載の光画像化システム。
【請求項３６】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップは、半導体である請求項２１に記載の光画像化システム。
【請求項３７】
複数の入力フォトンを増幅するための光増幅器であって、前記複数の入力フォトンのそれぞれは少なくとも２つの入力角の１つであって１つの軌跡を規定する入力角を有し、そして複数の入力フォトンのそれぞれは対応する位相を有し、前記光増幅器は、
前記複数の入力フォトンに光学的に結合され、そして前記複数の入力フォトンの画像を与えるように動作する非平行化型画像化光学系と、
複数のポンプ信号を与えるための少なくとも１つのポンプ源と、
複数のユニタリ光透過性固体幾何学的チップとを備え、
それぞれのチップは光学的に活性な均質にドープされた部分を有し、この部分は前記複数のポンプ信号の１つに結合されており、
前記複数のユニタリ光透過性固体幾何学的チップは積層構造を有し、隣接するユニタリ光透過性固体幾何学的チップの光学的に活性な均質にドープされた部分は互いに光学的に結合され、前記積層構造は、入力ユニタリ光透過性固体幾何学的チップと、出力ユニタリ光透過性固体幾何学的チップとを有し、前記入力ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの均質にドープされた部分は、前記非平行化型画像化光学系に光学的に結合されて、そこからの画像化された複数の入力フォトンを受信し、前記複数の入力フォトンのそれぞれは、対応する入力角に応じたほぼ同じ軌跡および対応する入力フォトンとほぼ同じ位相を有した少なくとも２つの対応するフォトンを、前記入力ユニタリ光透過性固体幾何学的チップに発生するものであり、
各ユニタリ光透過性固体幾何学的チップは、前段のユニタリ光透過性固体幾何学的チップからの入力フォトンおよび発生されたフォトンを、複数の入力フォトンとして受信し、この入力フォトンのそれぞれは、少なくとも２つの入力角の１つである入力角と、対応する入力フォトンの対応する入力角に対応した軌跡とを有し、この軌跡は、積層された後続の複数のユニタリ光透過性固体幾何学的チップのそれぞれの光学的に活性なドープされた部分内に、対応する入力フォトンとほぼ同じ軌跡およびほぼ同じ位相を有した少なくとも２つの対応するフォトンを発生し、前記後続のユニタリ光透過性固体幾何学的チップのそれぞれは、隣接するユニタリ光透過性固体幾何学的チップに、前記複数の発生されたフォトンを出力として与えるものであり、
出力ユニタリ光透過性固体幾何学的チップは、前段のユニタリ光透過性固体幾何学的チップから発生されたフォトンを、複数の出力段入力フォトンとして受信するものであり、前記複数の出力段入力フォトンのそれぞれは、入力角と、それに対応する軌跡とを有し、前記複数の出力段入力フォトンのそれぞれは、対応する出力段入力フォトンとほぼ同じ軌跡およびほぼ同じ位相を有した対応する軌跡に沿って、少なくとも２つの対応する出力フォトンを発生することを特徴とする光増幅器。
【請求項３８】
一対の隣接するユニタリ光透過性固体幾何学的チップの一対の並置された面のそれぞれの間に介在した少なくとも１つの光透過性伝熱媒体を更に備え、この光透過性伝熱媒体は、ユニタリ光透過性チップから熱エネルギを伝達するように構成および配置されものである請求項３７に記載の光増幅器。
【請求項３９】
前記光透過性伝熱媒体は、隣接するユニタリ光透過性チップの並置された面のそれぞれに熱的に結合されたダイアモンド板である請求項３８に記載の光増幅器。
【請求項４０】
前記光透過性伝熱媒体に熱的に結合されて、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップからの熱を伝達する伝熱システムを更に備える請求項３８に記載の光増幅器。
【請求項４１】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記ドープされた部分は、活性なエルビウムイオンでドープされている請求項３７に記載の光増幅器。
【請求項４２】
前記活性なエルビウムイオンは、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップを２重量％のＥｒ２Ｏ３でドープすることによって与えられる請求項４１に記載の光増幅器。
【請求項４３】
前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップの前記均質にドープされた部分は、活性なネオジムイオンでドープされている請求項３７に記載の光増幅器。
【請求項４４】
前記複数の入力フォトンは、１．４５〜１．６２ミクロンの波長を有する請求項３７に記載の光増幅器。
【請求項４５】
前記複数の入力フォトンは、１．５５ミクロンの波長を有する請求項４４に記載の光増幅器。
【請求項４６】
前記ポンプ源によって与えられる増幅光信号は、０．９８０ミクロンの波長を有する請求項３７に記載の光増幅器。
【請求項４７】
前記入力フォトンのそれぞれは偏光を有し、前記ユニタリ光透過性固体幾何学的チップによって与えられる前記複数の発生されたフォトンは、対応する入力フォトンとほぼ同じ偏光を有する請求項３７に記載の光増幅器。
【請求項４８】
前記複数のユニタリ光透過性固体幾何学的チップのそれぞれは、ガラスにより構成されている請求項３７に記載の光増幅器。
【請求項４９】
前記複数のユニタリ光透過性固体幾何学的チップは、ケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、ＧｅＯ２ガラスおよびＢ３Ｏ２ガラスからなる群から選択されたガラスにより構成されている請求項４８に記載の光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願との相互参照］
なし
【０００２】
［連邦補助研究または開発に関する表明］
なし
【背景技術】
【０００３】
ドープされた媒体を使用し、そしてポンプ源によって励起される光増幅器は、良く知られている。このポンプ源は、ドーパント原子の少なくとも一部を励起して、電子の反転分布を形成する。この電子の反転分布は、励起された電子の１もしくはそれ以上に、到来する信号フォトンが衝突したときに、誘導放出を与える。このようなポンプ式光増幅器は、典型的には、光学的に活性なドーパントでドープされた１以上の光ファイバによって構成されている。１よりも多いファイバが例えば画像化の応用に使用される場合、これらの光ファイバは典型的には、光ファイバの入出力部で堅固に結束される。これは、光ファイバを位置ずれしないようにすることで、到来するフォトンの空間方位を保つためである。ドープ型光ファイバは、高増幅度の光符号を低雑音指数で出力することが可能であるが、ドープ型光ファイバ増幅器に関連した問題もある。
【０００４】
例えば、複数のドープ型光ファイバ増幅器は、互いに結束されたときに、光ファイバを所望の方位に維持するように構成することが困難になる。加えて、小型パッケージ内では、光ファイバ間の良好な光学的分離を維持することが重要である。更には、ドープ型光ファイバ増幅器は、それが接続されている光ファイバとの結合を必要とする。この結合は、コネクタの使用に固有の損失に起因した信号損失、並びにコネクタ自身と光ファイバケーブルとの間の整合誤差に起因した信号損失を起こす。
【０００５】
従って、整合およびコネクタ損失を伴う光ファイバの結束を形成する固有の複雑さなしに、高利得且つ低雑音指数の光信号を増幅する光増幅器を提供することは有利である。
【０００６】
［発明の簡単な開示］
光学的に活性になるようにドープされた光透過性ユニタリチップによって構成されたユニタリ光増幅器を有する活性光増幅器が開示される。このチップは、十分なエネルギのポンプ源によって励起されると、到来する信号フォトンを増幅する。このユニタリ光増幅器は、入力フォトンおよびポンプレーザエネルギを受けて、対応する入力フォトンと同じ空間方位、位相および偏光を有する出力フォトンを与える。このユニタリ光増幅器は、ケイ酸塩ガラスやリン酸塩ガラスのようなガラスあるいは光学的に活性になるようにドープされうる他の材料によって構成することができる。種々の材料が、ドーパントとして作用するそれらの電子構造に基づいて選択される。一つの実施形態では、ドーパントとしてエルビウム［Ｅｒ］が使用される。その代わりに、ネオジム［Ｎｄ］が使用できる。また、ユニタリ光増幅器に対し、その増幅器からの熱を伝達するために、光透過性伝熱媒体が熱的に結合されることもある。一つの実施形態では、光透過性伝熱媒体は、ユニタリ光増幅器の表面に熱的に結合された薄いダイアモンド板である。ヒートシンクや電熱システムを使用して、光透過性伝熱媒体からの熱を伝達することもある。
【０００７】
レーザ方向および距離測定（ＬＡＤＡＲ）システムは、この活性光増幅器に加えて、入力フォトンをユニタリ光増幅器の表面上に集束させる第１の画像化光学系と、ユニタリ光増幅器からの出力フォトンを焦点面画像センサアレイ上に集束させる第２の画像化光学系とを備えることによって構成される。焦点面画像センサアレイからの電子信号は、通常のディスプレイに表示される。校正システムを使用して、各ピクセルに対するオフセット訂正値を与え、ユニタリ光増幅器の利得変化を補償することもある。その代わりに、ダイヤモンドのような光透過性伝熱媒体を活性光増幅器に結合して、そこからの熱を伝達することもある。
【０００８】
活性光増幅器は、積層構造に構成された複数のユニタリ光増幅器チップを含むことがある。これら増幅器チップのそれぞれは、前段の増幅器チップからフォトンを受け、そして次段の増幅器チップに出力フォトンを与える。ダイヤモンド板のような少なくとも１つの光透過性伝熱媒体は、隣接する増幅器チップの並設された面に熱的に結合されて、そこからの熱を伝達することもある。
【０００９】
この発明は、図面に関連してなされる以下の発明の詳細な説明を参照することによって、より十分に理解される。
【００１０】
［発明の詳細な説明］
図１は、本発明と一致した光信号用増幅器を示している。この増幅器は、入力フォトン１０２を受信するユニタリ光透過性増幅器１０８を有する。光源１０１から受信される入力フォトン１０２は、特別な空間方位または位置、波長、偏光、および位相を有する。複数の入力フォトンは、例えば複数の隔離された独立の光通信信号か、１以上の対象物から反射された複数のフォトンであって、１つの画像を形成する。
【００１１】
ユニタリ光透過性増幅器１０８はまた、ポンプ波長を有したポンプエネルギ信号１０５の形態のポンプエネルギを、レーザポンプ源１０４から受信する。図示の実施形態では、二色性ミラー１０６を使用して、ポンプエネルギをユニタリ光透過性増幅器１０８へ反射する。このとき、入力フォトン１０２は、ミラー１０６を通して増幅器１０８へ入力される。ユニタリ光透過性増幅器１０８は、出力として、入力フォトンよりも多数のフォトン１１２を与える。これらのフォトンは、対応する入力フォトン１０２と同じ空間方位、波長、偏光、および位相を有する。
【００１２】
ユニタリ光透過性増幅器１０８は、典型的には入力フォトン１０２の波長である所定の波長で実質的に光透過性となる１以上の要素から構成されている。これらの要素は、単一のユニタリ光透過性チップに形成されている。光学的に活性なドーパントでドープされ、しかも光学的にポンプされうるケイ酸塩ガラス、リン酸塩ガラス、プラスチック、光ゲル、液体または他の材料は、ユニタリ光増幅器を構成することに使用できる。加えて、ネオジム［Ｎｄ］のような材料でドープされた半導体材料および結晶性材料は、ユニタリ光増幅器の材料として使用される。典型的な結晶性材料を使用することの利点は、結晶性材料が典型的には狭い利得帯域幅積を有する点である。かくして、他の材料に対して等価レベルの増幅を達成するために、ドープされた結晶性材料は、典型的には低いポンプエネルギを必要とする。加えて、狭い利得帯域幅積はまた、入力信号の帯域幅と光増幅器の帯域幅との間に良好な整合を与える。この良好な整合は、雑音を低減し、またいくつかの応用では、狭帯域光フィルタに対する必要性を不要にする。
【００１３】
光学的なポンプシステムでは、到来するフォトンの波長とポンプ波長は、実際上遠く離されるべきである。これは、２つの信号間に起こるクロストークを最小にし、また出力の増幅フォトン信号に加わる雑音を小さくすることを確実にするためである。加えて、ユニタリ光増幅器を構成することに使用される材料は、ポンプ波長で損失的であってはならない。ただし、ポンプ波長での損失は、より強力なレーザポンプ源１０５を使用して克服される。一実施形態では、到来するフォトンの波長は、一般には波長１．４〜１．７ミクロンの範囲にある。好ましい実施形態では、第１の波長は、波長１．５５ミクロンである。ポンプ波長は、一般には０．８００〜１．７ミクロンの範囲にある。好ましい実施形態では、ポンプ波長は、０．９８０ミクロンである。
【００１４】
入力フォトンの好ましい波長およびポンプ波長におけるその光学的特性故に、ユニタリ光増幅器は、光学的に活性なドーパントでドープされたケイ酸塩ガラスで構成されている。ケイ酸塩ガラスが１５００ｎｍレンジに減衰最小値を有していると有利であり、また８００〜９８０ｎｍの波長帯の減衰度が低いと同様に有利である。光学的に活性なドーパントでドープされうる他の形態のガラスもまた使用できる。例えば、ドープされたリン酸塩ガラスＰ２Ｏ５もまた、ユニタリ光増幅器を構成することに使用できる。その代わりに、ＧｅＯ２ガラスやＢ２Ｏ３ガラスも使用できる。
【００１５】
ユニタリ光増幅器は、ポンプ波長によって励起されたときに反転分布を与える光学的に活性なドーパントでドープされている。通常使用される２つのドーパントは、エルビウム［Ｅｒ］とネオジム［Ｎｄ］である。図４は、ガラスホスト中の三価の希土類材料に対して報告された４ｆ→４ｆレーザ発振遷移を示している。図４に示されるように、増幅レベル、雑音、帯域幅、および特別な応用によって必要とされる他の物理的特徴に依存して、他の希土類材料もドーパントとして使用できる。加えて、希土類材料は、ドナー・アクセプター構成の対として関連付けられる。例えば、イッテルビウム［Ｙｂ］とエルビウム［Ｅｒ］は、示されるように、一緒に使用される。いくつかの環境では、ドナーイオンとアクセプターイオン間で、エネルギ転移が達成される。他の希土類材料も、特別な応用に対する所望の特徴を達成するために、ユニタリ光増幅器内のドーパントとして使用できる。
【００１６】
典型的に、ユニタリ光増幅器は、前置増幅器として使用され、そして増幅器利得曲線の小信号部分で動作させられる。小信号部分での動作は、動作中の媒体を劣化させることなく、しかも入力信号に対して非線形歪みおよび雑音を生じることなく、ユニタリ光増幅器が動作することを可能にする。増幅器利得曲線の小信号部分での動作は、第１の入力信号を回避するために重要である。この第１の入力信号は、増幅器媒体を劣化させ、そして第２の入力信号が期待値より少なく増幅される、即ち非線形に増幅される結果を招く。このことにより、第２の入力信号の増幅度が第１の入力信号の変化するレベルによって変化するときに、第１および第２の入力信号の間にクロストークが生じる。
【００１７】
一般に、ユニタリ光増幅器は、ユニタリ光増幅器全体を通じて実質的に同質な空間ドープ濃度を有する。この同質性は、入力信号の空間的な不一致および非線形な増幅を回避する。このドープレベルの空間的同質性は、到来信号が増幅器を通してとる経路とは関係なく、その到来信号に対して均一な増幅度を、ユニタリ光増幅器が与えることを確実にすることを助ける。
【００１８】
製造工程パラメータの小さな変化によって引き起こされるドープ濃度の小さな変化は、到来光信号に非均一な増幅を生じさせる。ユニタリ光増幅器は、使用に先立って校正される。この場合、レーザ源を使用して滑らかな校正目標を照明し、そしてユニタリ光増幅器からの出力信号を電子的に測定する必要がある。結果の出力に生じる小さな変化は、利得変化を示すものであるが、これは適切なピクセルに対する一連の訂正値として、画像化システムに与えられる。
【００１９】
しかしながら、ユニタリ光増幅器による一定した増幅器の小信号利得が望まれない応用もある。この場合、ユニタリ光増幅器は、変化するレベルでドープまたはポンプされうる。これは、所望の空間可変増幅度を与えるために、または小信号域から外れた大きな増幅レベルを与えることによって非線形に動作するためである。
【００２０】
Ｅｒ２Ｏ３をケイ酸塩またはリン酸塩のガラス母材や他の材料に添加して、ユニタリ光増幅器をＥｒイオンでドープすることができる。Ｅｒ２Ｏ３のドープ濃度は、設計されるシステムの特異な要件に従って変化される。好ましい実施形態におけるＥｒ２Ｏ３のドープ濃度は、ユニタリ光増幅器１０８の２重量％である。このドープ濃度のレベルは、ドープされる材料の総合的な光学的完全性を維持するために特異化される。このドープ濃度は、ドープされる材料が、その材料のガラス相を維持し、その材料のセラミック相に遷移しないようにするものである。従来から知られているように、高過ぎるドープ濃度は、自己焼き入れを生じさせ、そしてドープされる材料がセラミック相に遷移した場合は、ユニタリ光増幅器を構成することに使用される材料の微小割れが起こる。
【００２１】
活性Ｅｒイオンをドーパントとして使用することには、いくつかの利点がある。例えば、活性Ｅｒイオンは、８００ｎｍまたは９８０ｎｍおよび１４８０ｎｍの波長を有するフォトンによって励起されることを可能にする量子レベルを有することが知られている。良好な光ポンピング源は、これらの波長で容易に利用可能である。光ポンピングの種々の形態は、ユニタリ光増幅器を励起することに使用できる。例えば、フラッシュランプや、好適なパワーレベルを有した他の高エネルギ光源は、ユニタリ光増幅器をポンプすることに使用できる。その代わりに、ユニタリ光増幅器をポンピングすることに好適な出力周波数およびパワーを有するレーザが同様に使用できる。ユニタリ光増幅器を構成することに半導体材料が使用される場合、種々のドーパントが必要な利得を与えるために選択される。そして、ポンプエネルギは、ユニタリ光増幅器の構造およびドーパント材料に、光学的または電気的に依存している。
【００２２】
エルビウムは、種々のポンプエネルギを受容する電子を与えるばかりでなく、１５４０ｎｍレンジで刺激されて放射する量子レベルを有した電子を与える。かくして、ドーパントとしてエルビウムを使用することにより、ポンプエネルギと信号エネルギが十分に離されるので、２つの信号によって生成されるクロストークおよび雑音は最小になる。エルビウムイオン使用の他の利点は、１５４０ｎｍ波長帯が「眼に安全」な出力信号を与える点である。この波長帯の光は、人間の眼によって簡単には吸収されないので、他の波長よりもダメージが少ないということが知られている。これらの利点を与える電子エネルギ構造を有した上述したような他の材料および材料の組み合わせは、当業者に知られたものであって、同様に使用できる。エルビウムや同様の光学的に活性な特性を有する他の材料を、十分なパワーのポンプレーザと共に使用して、１５ｄＢ以上の光学的利得と２．５以下の対応する雑音指数とを有するユニタリ光増幅器を構成することができる。
【００２３】
ユニタリ光増幅器１０８は、特別なシステムで必要とされる形状か、あるいは製造に便利となる如何なる形状でも良い。例えば、ユニタリ増幅器は、立方体、平行六面体、その他の幾何学的形状とされる。好ましい実施形態におけるユニタリ光増幅器１０８は、直径が０．１〜０．７５ｃｍで、長さが２．５ｃｍ〜１０ｃｍの中実の筒または棒である。好ましい実施形態では、筒の直径は０．５ｃｍで、長さは５ｃｍである。
【００２４】
ある動作モード中に、特に高平均のポンプパワーを使用してユニタリ光増幅器を励起するとき、このユニタリ光増幅器は、そのユニタリ光増幅器から取り除かれなくてはならない熱を発生する。この熱は、ユニタリ光チップにダメージを与え、ユニタリ光増幅器の動作に悪影響を与える。図２は、ユニタリ光増幅器１０８用の伝熱システムの一実施形態を示している。このシステムでは、光透過性の伝熱媒体２０２が、ユニタリ光増幅器１０８の１以上の外面に熱的に接触するように配置されている。この光透過性伝熱媒体２０２は、伝熱システム２０４と熱的に結合されている。好ましい実施形態では、光透過性伝熱媒体２０２は、ユニタリ光増幅器１０８と熱的に結合して、そのエッジを越えて延伸した薄いダイヤモンド板である。ユニタリ光増幅器の１より多い外面が、伝熱用に使用できる。図２に示された実施形態では、薄いダイヤモンド素材の複数の板が、ユニタリ光増幅器からの熱を伝達することに使用されている。
【００２５】
伝熱システム２０４は、通常のヒートシンクや熱電ペルチェ素子を含むこともある。ユニタリ光増幅器の応用や、ユニタリ光増幅器１０８から伝達されなければならない熱の率によっては、他の伝熱システムも同様に使用できる。以下で詳細に説明するように、レーザ検出および測距（ＬＡＤＡＲ）システムには、目標の連続波（ＣＷ）照明か、その目標のパルス波照明のいずれかがある。高い平均パワーのユニタリ光増幅器からの熱の伝達および除去に、異なる冷却法が使用される。
【００２６】
図５に示されるように、光増幅器５００は、積層構造に構成された複数のユニタリ光透過性増幅器チップ５０４から構成される。複数のユニタリ光透過性増幅器チップ５０４は、入力光信号５０２を受信するための入力チップ５０６と、出力光信号５１０を与える出力チップ５０８とを含む。それぞれの個別増幅器チップ５０４は、十分なエネルギのポンプ信号５１８に結合されて、電子反転分布を与える。複数のポンプ信号５１８は、例えばレーザ、フラッシュランプ、電子流である１以上のポンプ源によって与えられる。
【００２７】
入力チップ５０６と出力チップ５０８との間に介在したユニタリ光透過性増幅器チップ５０４のそれぞれは、中間フォトンストリーム５０５を介して、隣接する増幅器チップに光学的に結合されている。例えば、第２増幅器チップ５１２は、入力増幅器チップ５０６から第１の中間増幅された光信号を受信して、第２の中間増幅された光信号を第３増幅器チップ５１４に与える。かくして一般的に、積層構造において、第Ｎ増幅器チップは、第（Ｎ−１）増幅器チップから第（Ｎ−１）の中間増幅された光信号を受信して、第Ｎの中間増幅された光信号を第（Ｎ＋１）増幅器チップに与える。少なくとも１つのポンプ信号を各光増幅器チップ５０４用のポンプに与えるために、少なくとも１つのレーザポンプ源が使用される。複数の増幅器チップ５０４のそれぞれは、軸方向にポンプされる。
【００２８】
積層構造の増幅器チップ５０４から熱を除去するために、少なくとも１つの光透過性伝熱媒体５１６が、例えば隣接する対の増幅器チップ５１２および５１４の並置された面５２０および５２２間に介在される。光透過性伝熱媒体５１６は、隣接する増幅器５０４の１以上の対の間に設けられる。光透過性伝熱媒体５１６の実際の配置は、特別なシステム要求に依存する。光透過性伝熱媒体５１６は、並置された面５１８および５２０に熱的に結合された薄いダイヤモンド板を備える。各ユニタリ光増幅器からの熱は、１以上のダイヤモンド板を介して伝達される。それから、これらのダイヤモンド板は、それらのエッジが、外部の伝熱法、例えば電熱冷却器やヒートシンクによって冷却される。
【００２９】
光増幅器は、光学機器として構成されることがある。例えば、光増幅器は、レンズとして構成される。この場合、レンズの中心は適切にドープされ、ポンプされる。その代わりに、光増幅器は、プリズム、アラインメントプリズム、あるいはダブプリズムとして構成される。特別なシステムの光学的要求によっては、他の光学的構成もまた使用できる。かくして、到来する光信号を増幅するだけでなく、システムのサイズ、重量、および複雑さを低減するために、到来する光フォトンの他の光学的操作が同時に達成される。
【００３０】
上述したユニタリ光増幅器は、図３に示された焦点面レーザ方向および距離測定（ＬＡＤＡＲ）システム３００に含まれることがある。このＬＡＤＡＲシステム３００は、第１の波長、第１の空間方位、および第１の位相を有した複数の入力信号フォトン３０２を含む。これらのフォトンは、典型的にはレーザ源（図示せず）によって照明された視界内にある１以上の対象から反射されたものである。入力フォトンの空間方位は、視界内にある対象の形状、間隔、そして場合によっては、深さを示す。入力フォトンは、入力画像化光学系システム３０４および二色ミラー３０６によって、ユニタリ光増幅器３１０に光学的に結合される。レーザポンプ源は、ユニタリ光増幅器３１０をポンプすることに使用されるレーザポンプ信号３０７を与えて、上述したように、電子の反転分布を形成する。ユニタリ光増幅器３１０は、複数の出力信号フォトン３１１を与える。これらの出力信号フォトンは、対応する入力信号フォトン３０２よりも数が多く、そして空間方位、波長および位相が等しい。出力信号フォトン３１１は、ＣＣＤや他の光電信号変換器のような焦点面画像検出器３１２に光学的に結合されている。変換された電気信号は、電子的前置増幅器／信号処理器によって処理および増幅され、さらに通常の電子ディスプレイ上に表示される。
【００３１】
典型的には、ＬＡＤＡＲシステムの２つの広いカテゴリーがある。１つのカテゴリーは、１つの目標に対し２次元情報を与えるが、他の処理が照明信号に与えられなければ、距離データは与えない連続波（ＣＷ）システムである。典型的には、ＣＷ−ＬＡＤＡＲシステムは、以下で説明されるパルスＬＡＤＡＲシステムよりも低いピークパワーと高い平均パワーを有する。ＣＷ−ＬＡＤＡＲシステムで使用されるユニタリ光増幅器は、連続的に増幅するものなので、ユニタリ光増幅器からの熱を伝達する問題は、重要な考慮すべき事項になる。上述したように、種々の伝熱法が使用され、そしてＣＷ−ＬＡＤＡＲシステムでは、電熱ペルチェ冷却器のような光透過性伝熱媒体から十分な率で伝熱する方法が使用される。
【００３２】
パルスＬＡＤＡＲシステムでは、目標の照明は、パルスレーザを使用して達成される。このシステムは、目標の距離情報を与えることも可能である。このようにして、個別のフォトン計数および高解像度の目標画像化が可能なＰＩＮ検出器アレイに関連したユニタリ光増幅器を使用して、パルスＬＡＤＡＲシステムは構成される。
【００３３】
パルスＬＡＤＡＲシステムでは、受信器の平均パワーは、上述したＣＷ−ＬＡＤＡＲシステムより遙かに低いが、ピークパワーは遙かに高い。そのようなものとして、使用されるパワーレベルによって、光透過性伝熱媒体と周囲環境に対し熱的に結合されたヒートシンクを使用する表面冷却システムは、十分な率でユニタリ光増幅器からの熱を伝達するに十分である。
【００３４】
ユニタリ光増幅器は、上述したＣＷ−ＬＡＤＡＲシステムまたはパルスＬＡＤＡＲシステムのいずれで使用されるにしても、増幅器利得の小信号部分で動作されるべきである。このようにして、ユニタリ光増幅器を含んだ媒体は劣化されることがなく、また出力信号の歪みは最小に保たれる。
【００３５】
当業者は、上述したユニタリ光増幅器並びにこのユニタリ光増幅器を組み入れたＬＡＤＡＲシステムを構成するための方法、装置およびシステムに対する変形および修正が、ここに開示された発明の概念を逸脱することなしになされるものであることを認めるべきである。従って、この発明は、添付した請求の範囲の範囲精神によってのみ制限されるものとみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ここに開示された活性光増幅器の一実施形態のブロック図である。
【図２】図１に示された活性光増幅器と共に使用するに好適な伝熱システムの模式的ブロック図である。
【図３】図１に示された活性光増幅器を含むＬＡＤＡＲシステムのブロック図である。
【図４】ガラスホスト中の三価の希土類材料に対する種々のレーザ発振遷移を示すグラフである。
【図５】活性光増幅器の他の実施形態の模式的ブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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