(57)【要約】本発明は、光学信号を増幅するため２波長ポンピング方式を利用した光学ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器を提供する装置と方法に関係する。本発明による方法は、第１波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを第１配置し（ａ）、第２波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを第２配置する（ｂ）段階を含む。第１波長の放射は、単一光子吸収により、ツリウム・ドープ材の３Ｈ４レベルへの分布を誘起するよう配置され、第２波長の放射は、単一光子の励起吸収により、望ましくは３Ｆ２レベルへの強力な励起状態吸収により、３Ｆ４レベルの分布を主減少させる。これらの段階は３Ｈ４と３Ｆ４レベルとの間に反転分布を生じ、電力効率の良い高利得増幅を容易にする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器で光学信号を増幅する方法において、
第１波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを第１配置し（ａ）、
第２波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを第２配置する（ｂ）段階を含み、
単一光子吸収による第１波長の放射は、ツリウム・ドープ材の３Ｈ４レベルへ分布させ、第２波長の放射は、単一光子の励起吸収により３Ｆ４レベルへの分布を外し、これにより３Ｈ４と３Ｆ４レベルとの間に反転分布を生じさせる、ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器で光学信号を増幅する方法。
【請求項２】
請求項１記載の光学増幅方法において、第２波長の放射は、３Ｆ２レベルへの強力な励起状態吸収により３Ｆ４レベルへの分布を主に外す光学増幅方法。
【請求項３】
請求項１または２いずれか記載の光学増幅方法において、第１波長の放射は８００ｎｍ付近の波長を有する光学増幅方法。
【請求項４】
請求項３記載の光学増幅方法において、第１波長の放射は８００±１０ｎｍを有する光学増幅方法。
【請求項５】
請求項１及至４いずれか記載の光学増幅方法において、第２波長の放射は１０５０ｎｍ付近の波長を有する光学増幅方法。
【請求項６】
請求項５記載の光学増幅方法において、第２波長の放射は１０５０±１０ｎｍ付近の波長を有する光学増幅方法。
【請求項７】
請求項１及至４いずれか記載の光学増幅方法において、第２波長の放射は９８０ｎｍ付近の波長を有する光学増幅方法。
【請求項８】
請求項７記載の光学増幅方法において、第２波長の放射は９８０±１０ｎｍ付近の波長を有する光学増幅方法。
【請求項９】
請求項１及至９いずれか記載の光学増幅方法において、第２波長の放射は、３Ｆ２レベルを通して３Ｈ４レベルへ同時に分布させる光学増幅方法。
【請求項１０】
請求項１及至９いずれか記載の光学増幅方法において、少なくとも１つのブラッグ格子により第１及び第２波長の放射の少なくとも一方を反射する段階をさらに含み、これにより増幅利得に基本的に影響を与えることなくツリウム・ドープ・ファイバ増幅器の長さの減少を容易にする光学増幅方法。
【請求項１１】
請求項１及至１０いずれか記載の光学増幅方法において、第１または第２波長の放射は各々第２または第１波長の放射から発生される、光学増幅方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の光学増幅方法において、第１または第２波長の放射は増幅組立体に含まれる光学的に活性な材料で発生され、第１または第２波長の放射の発生は従って第２または第１波長の各々の放射により誘起される、光学増幅方法。
【請求項１３】
ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器で光学信号を増幅する増幅組立体において、
第１波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを配置する第１エネルギ配置装置（１２０）と、
第２波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを配置する第２エネルギ配置装置（１４０）とを含み、
単一光子吸収による第１波長の放射は、ツリウム・ドープ材の３Ｈ４レベルへ分布され、第２波長の放射は、単一光子の励起吸収により３Ｆ４レベルの分布を主に外し、これにより３Ｈ４と３Ｆ４レベルとの間の反転分布を達成するツリウム・ドープ・ファイバ増幅器で光学信号を増幅する増幅組立体。
【請求項１４】
請求項１３記載の増幅組立体において、第２波長の放射は、３Ｆ２レベルへの強力な励起状態吸収により３Ｆ４レベルへの分布を主に外す、増幅組立体。
【請求項１５】
請求項１３または１４いずれか記載の増幅組立体において、第１波長の放射は８００ｎｍ付近の波長を有する増幅組立体。
【請求項１６】
請求項１５記載の増幅組立体において、第１波長の放射は８００±１０ｎｍを有する増幅組立体。
【請求項１７】
請求項１３及至１６いずれか記載の増幅組立体において、第２波長の放射は１０５０ｎｍ付近の波長を有する増幅組立体。
【請求項１８】
請求項１７記載の増幅組立体において、第２波長の放射は１０５０±１０ｎｍ付近の波長を有する増幅組立体。
【請求項１９】
請求項１３及至１６いずれか記載の増幅組立体において、第２波長の放射は９８０ｎｍ付近の波長を有する増幅組立体。
【請求項２０】
請求項１７記載の増幅組立体において、第２波長の放射は９８０±１０ｎｍ付近の波長を有する増幅組立体。
【請求項２１】
請求項１３及至２０いずれか記載の増幅組立体において、第１及び／または第２波長の放射はレーザー・ダイオードにより発生される増幅組立体。
【請求項２２】
請求項１３及至２０いずれか記載の増幅組立体において、第１または第２波長の放射は第２または第１波長の各々の放射から発生される増幅組立体。
【請求項２３】
請求項２２記載の増幅組立体において、増幅組立体に含まれた放射を発生する装置（５００、６００、７００）をさらに含み、第１または第２波長の放射は、第２または第１波長の各々の放射を使用して放射を発生する装置により発生される、増幅組立体。
【請求項２４】
請求項２３記載の増幅組立体において、放射を発生する装置は、コア中のツリウム・ドープ・ファイバ（５００）を取囲むクラッディング（５１０）として設けられ、クラッディングはネオジム（Ｎｄ）イオンを含み、第１波長の放射の幾分かを吸収し、第２波長の放射を放射するようにされている、増幅組立体。
【請求項２５】
請求項２３記載の増幅組立体において、放射を発生する装置は第１波長の放射により駆動されるファイバ・レーザー（６００、７００）である、増幅組立体。
【請求項２６】
請求項２５記載の増幅組立体において、ファイバ・レーザーは、第１波長の放射を与える半導体ダイオード・レーザーにより駆動されるネオジム（Ｎｄ）ドープ・ファイバ（７００）のリング構成である、増幅組立体。
【請求項２７】
請求項２５記載の増幅組立体において、ファイバ・レーザーは、２個のファイバ・ブラッグ格子の間にネオジム（Ｎｄ）ドープのファイバ（６００）が配置されている光学キャビティを含む増幅組立体。
【請求項２８】
請求項１３及至１８いずれか記載の増幅組立体において、第１及び第２波長の放射の少なくとも一方を反射するようにされた少なくとも１個のブラッグ格子（Ａ、Ｂ）をさらに含み、これにより増幅利得に基本的に影響を与えることなくツリウム・ドープ・ファイバ増幅器の長さの減少を容易にする、増幅組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学通信の分野に一般的に関係し、特に光学信号を増幅する２波長ポンピング方式を利用した光学ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器に関係する。
【背景技術】
【０００２】
通信用のファイバ光学の拡大し増大する使用は、ファイバの通信容量を増加する手段に非常な関心を見せている。各々の帯域が信号を送信可能で、複数の分離した波長帯域が同時にファイバ内で使用できるため、波長分割多重化（ＷＤＭ）信号は送信容量を増大する有効な方法である。
【０００３】
光学通信系内のファイバリンクと分離損失を補償するため光学増幅器が使用されている。ＷＤＭ技術は広範な波長スペクトルでの増幅を必要とし、これは、各々が波長スペクトルの一部分で動作する、複数個の光学増幅器を並列に動作させることにより、通常実現される。ＷＤＭに適した、増幅器ファイバの形式の、各種の希土類ドープの光学増幅器が当該技術で公知である。光学ファイバ増幅器は、希土類ドープ材と組合わせた、ガラスのような光学材料から通常構成され、光学導波管として構成される。部分的に単一モードの導波光学管の利点を提供できるため、希土類ドープ・シリカ・ファイバが現在普及している。光学ファイバ増幅器は、ホストと希土類ドープ材の原子特性により指示される、広範囲の波長で動作させることが可能である。その基本的動作で、ポンプ源からのポンプ光を使用して増幅ファイバ内で基底状態からメタステーブル状態へドープ材原子を励起する。励起された原子は、特性波長の入射信号により、同じ波長の光線の形式でエネルギを放射するよう刺激され、この放射は信号の増幅を生じる。この過程は誘導放出として公知である。誘導放出の後、原子は最終状態となる。利得は高くなければならず、効率もそうである。入射した信号の電力により割算された出力信号の電力として定義される、増幅器の利得は、可能な限り高くなければならない。また、特定のポンプ電力で達成される利得として測定される、増幅器の効率は、可能な限り高くなければならない。さらに、利得は基本的には一様であることが望ましく、すなわち増幅器を使用しようとする周波数範囲にわたって、入射光の周波数には依存しないことが望ましい。
【０００４】
いわゆるＳバンド（１４５０−１５２０ｎｍ）の増幅では、ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）に多くの興味が集まっている。誘導放出の有用な遷移はメタステーブルな３Ｈ４レベルから低位の３Ｆ４終了レベルの間であり、１４７０ｎｍ付近の波長の出力信号を与える。光学増幅器としてＴＤＦＡを使用する際の公知の問題は、３Ｈ４レベルは３Ｆ４レベルと比較して寿命が短い点である。実際に、これは、３Ｈ４レベルへのポンプ励起が成功裏に達成されたとしても、３Ｆ４レベルの分布の累積により誘導放出がそこなわれることが生じる。これは低い利得を生じる。
【０００５】
例えば、以下で与えるような同じ波長と各種の２波長ポンピング方式による繰返しポンピングによるアップ変換ポンピングを含む、ＴＤＦＡの利得を増加するいくつかの試みが報告されている：エフ・ロイ、ディー・バヤート、エー・ル・ソーズ、ピー・バニエルの「２波長ポンピング方式によるツリウム・ドープ・ファイバ増幅器の雑音と利得帯域管理」、ＩＥＥＥ光子技術レター、１３巻、７８８−７９０、（２００１年）：ティー・カサマツ、ワイ・ヤノ、エッチ・セキタの「１．０５−及び１．５６μｍ２波長ポンピングによる１．５０μｍバンド利得シフトのツリウム・ドープ・ファイバ増幅器」、光学レター、２４巻、１６８４−１６８６、（１９９９年）；ティー・カサマツ、ワイ・ヤノ、ティー・オノの「利得シフト・ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器のレーザー・ダイオード・ポンピング（１．４及び１．５６μｍ），Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３６，１６０７−１６０９，（２０００）；ティー・カサマツ、ワイ・ヤノ、ティー・オノの「１．４８及び１．５１μｍ波長領域のＷＤＭ信号用の利得シフトの２波長ポンプのツリウム・ドープ・ファイバ増幅器」、ＩＥＥＥ光子技術レター、１３巻、３１−３３、２００１年；エフ・ロイ、エフ・レプリンガード、エル・ロルシ、エー・ル・ソーズ、ピー・バニエル、ディー・バヤートの「単一ポンプ利得シフトのツリウム・ドープ・ファイバ増幅器での４８％電力変換効率」、電子レター、３７巻１５号、９４３−９４５、２００１年；ティー・カサマツ、ワイ・ヤノ、ティー・オノの「１４８０−１５１０−ｎｍバンドで動作するレーザー・ダイオード・ポンプの高効率利得シフト・ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器」ＩＥＥＥ光子技術レター、１３巻、５号、４３３−４３５、２００１年；タダシ・サカモトの「Ｓバンド・ファイバ光学増幅器」、光学ファイバ通信会議と展示、２巻ＴｕＱ１−１−ＴｕＱ１−４、２００１年；ビー・コール、エム・エル・デニスの「ツリウム・ドープのシリカ・ファイバでのＳバンド増幅」、光学ファイバ通信会議と展示、２巻ＴｕＱ３−１−ＴｕＱ３−３、２００１年；ティー・カサマツ、ワイ・ヤノ、ティー・オノの「１４８０−１５１０−ｎｍバンドで動作するレーザー・ダイオード・ポンプの高効率利得シフト・ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器」、光学ファイバ通信会議と展示、２巻ＴｕＱ４−１−ＴｕＱ４−３、２００１年；エフ・ロイ、ピー・バニエル、シー・フェージズ、ジェイ・ジェイ・ジラード、エー・ル・ソーズ、ディー・バヤートの「ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器の利得帯域管理用の光学ポンピング方式」、光学ファイバ通信会議と展示、２巻ＴｕＱ７−１−ＴｕＱ７−４、２００１年；エフ・ロイ、エフ・レプリンガード、エル・ロルシ、エー・ル・ソーズ、ピー・バニエル、ディー・バヤートの「単一ポンプ利得シフトのツリウム・ドープ・ファイバ増幅器での４８％電力変換効率」、光学ファイバ通信会議と展示、ＰＤ２＿１−ＰＤ２＿３、２００１年；エフ・ロイ、ディー・バヤート、ピー・バニエルの「ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器の新規なポンピング方式」、光学ファイバ通信会議、２巻、１４−１６、２０００年。
【０００６】
２波長ポンピング過程では、第１光子は低位の３Ｆ４レベルを増加させ、一方第２光子は高位の３Ｈ４レベルを増加すると同時に３Ｆ４（低位）レベルを減少させて反転分布を可能とする。報告された波長は第１ポンピング用には１０５０−１５５０ｎｍであり、第２ポンピング用には１４００付近であり、２７ｄＢ利得を得るためには通常２００−５００ｍＷの全体ポンプ電力が必要である。
【０００７】
米国特許第６、４０７、８５３号にはＴＤＦＡに適した２重ポンピング方式が開示されている。８００ｎｍが望ましい第１ポンピング波長は基底レベル（３Ｈ６）から３Ｈ４レベルへドープ材を励起する。１４４０ｎｍの第２ポンピング波長を使用して３Ｆ４レベルの分布を減少させ、誘導放出を容易にする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来技術はツリウム・ドープ・ファイバ増幅器の使用に著しい改良を提供する。しかしながら、通信システムの広範囲な使用のため、増幅器の効率をさらに増強すると共に低コストの半導体レーザーにより達成可能な波長を使用することが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
目的の問題は、手ごろなコストで有効な光学増幅器の生産を容易とするように、高利得かつ高電力効率で光学信号を増幅する方法と装置を提供することである。
【００１０】
本問題は請求項１３に定義する組立体と、請求項１に定義する方法により解決される。
【００１１】
本発明によるツリウム・ドープ・ファイバ増幅器で光学信号を増幅する方法は、第１波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを第１配置し、第２波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを第２配置する段階を含む。第１波長の放射は、単一光子吸収により、ツリウム・ドープ材の３Ｈ４レベルへの分布を誘起するよう配置され、第２波長の放射は、単一光子の励起吸収により、望ましくは３Ｆ２レベルへの強力な励起状態吸収により、主に３Ｆ４レベルの分布を減少させる（ｄｅｐｏｐｕｌａｔｅ）。これらの段階は３Ｈ４と３Ｆ４レベルとの間に反転分布を生じ、電力効率の良い高利得増幅を容易にする。
【００１２】
本発明によるツリウム・ドープ・ファイバ増幅器で光学信号を増幅する増幅組立体は、第１波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを第１配置する第１エネルギ配置装置と、第２波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器にエネルギを第２配置する第２エネルギ配置装置とを含む。第１波長の放射は、単一光子吸収により、ツリウム・ドープ材の３Ｈ４レベルへの分布を誘起するよう配置され、第２波長の放射は、単一光子の励起吸収により、望ましくは３Ｆ２レベルへの強力な励起状態吸収により、主に３Ｆ４レベルの分布を減少させ、これにより３Ｈ４と３Ｆ４レベルとの間の反転分布を達成する。
【００１３】
本発明による装置と方法により提供される１つの利点は、相対的に低電力を使用して高増幅利得が達成できる点である。
【００１４】
本発明により提供される他の利点は、低コストのレーザー・ダイオードを使用してもよい点である。
【００１５】
本発明による装置と方法による主要な利点は、低コストであるが効率的であり、従って市販して魅力ある、光学増幅器を生産できる点である。
【実施例１】
【００１６】
図面を参照して本発明の実施例を以下に説明する。
【００１７】
図１ａに、２重ポンピング光学増幅器の原理構成を概略的に図示する。Ｓバンド、通常１４７０ｎｍの波長の信号が信号媒体１００、例えば光学ファイバに送られる。第１ポンピング波長λｐ１により、第１ポンピング装置１１０は、例えば第１ＷＤＭファイバ・カップラ装置１２０を介して信号媒体１００に光学的に結合される。第２ポンピング波長、λｐ２は第２ポンピング装置１３０により発生され、例えば第２ＷＤＭファイバ・カップラ装置１４０を介して信号媒体１００に光学的に結合される。光子の誘導放出、すなわち増幅はツリウム・ドープ材料の増幅器ファイバ１５０で発生する。増幅器ファイバは、入力信号と、ポンピング装置からの共に伝播する光子を受信する入力１６０と、増幅された光学信号用の出力１７０とを有する。図１ａ−ｃで、全線の矢印は信号の方向を、破線の矢印はポンプ光の方向を指示する。当業者には理解されるように、増幅組立体は多様な方法で実現される。
【００１８】
図１ｂは増幅ファイバへ信号とポンプ光を結合する１つの一般的な別方法を概略的に図示する。ＷＤＭファイバ・カップラ装置１２５を使用してポンピング装置１１５により発生されたポンピング光と信号媒体１００で担持された信号を直接増幅器ファイバ１５０に結合する。従って、ＷＤＭファイバ・カップラ装置はそれ自体、信号とポンピング光が増幅ファイバに結合される場所である。
【００１９】
または、ポンピング光を増幅すべき信号と反伝播方向に結合する、または分割して一方のポンプ波長は共に伝播し、他のポンプ波長は信号と反対に伝播してもよい。このような増幅構成は図１ｃに概略的に図示されている。通常波長１４７０ｎｍのＳバンドの信号は信号媒体１００に担持される。第１ポンピング波長λｐ１は第１ポンピング装置１１０で発生される。第１ＷＤＭファイバ・カップラ装置１２０は第１ポンピング波長と信号を増幅ファイバ１５０の一方の端部に結合する。第２ＷＤＭファイバ・カップラ装置１４０は第２ポンピング装置１３０により発生された第２ポンピング波長λｐ２を増幅ファイバ１５０の他方の端部に結合する。第２ＷＤＭファイバ・カップラ装置１４０はまた増幅信号用の出力１７５を備える。この構成は、残りのポンプ光を増幅信号から分離する利点を有する。一方の波長と関係するＷＤＭファイバ・カップラ装置はまた、増幅ファイバにより吸収されなかった他方の波長の光を除去する助けとなる。
【００２０】
ポンピング装置１１０、１３０で発生された異なる波長の光線は、ファイバ・レーザー、チューナブル・レーザー及びレーザー・ダイオードを含む各種の市販光源から発生される。商用では、価格と信頼性が非常に重要であり、レーザー・ダイオードが特に有用である。適切な波長の光を発生するレーザー・ダイオードは市販されている。
【００２１】
本発明の方法を実施する増幅組立体の実施例を以下に与える。
【００２２】
本発明による方法、２波長ポンピング方式を、ツリウム・ドープ・ファイバ増幅器のエネルギ・レベルを図示する、図２を参照して以下に説明する。本発明によると、第１ポンピング波長、λｐ１は８００ｎｍ付近が望ましく、１０５０ｎｍまたは９８０ｎｍ付近が望ましい第２ポンピング波長λｐ２がこれに続く。従来技術のポンピング方式と比較して、この波長の選択は、利得、周波数依存性及び増幅度に関して驚異的に良好な結果を与えることが示された。
【００２３】
本発明による方式の主要な利点は、λｐ１〜８００ｎｍポンプ波長は図２に示すように、単一光子吸収により上位増幅レベル３Ｈ４を増加させることに頼っている。吸収断面積は高く（表Ｉ参照）、ポンピング電力の有効な利用を保証する。第２波長λｐ２は、単一光子の励起吸収により低位レベル３Ｆ４の分布を減少させる。レベル３Ｆ２への強力な励起状態吸収（ＥＳＡ）による、λｐ２〜１０５０ｎｍにより与えられる遷移は高度の確率（表Ｉの断面積を参照）で発生する。これはまた同時にレベル３Ｈ４（３Ｆ２を通して）を増加させ、両方の効果が反転分布を生成する効果を有する。公知のように、１０５０ｎｍポンピングのみが増幅を与えるのに有用であるが、その断面積が表Ｉで示した１０６４ｎｍ断面積から大きく異なっていないため、レベル３Ｆ４から３Ｈ５への非常に低い基底状態吸収（ＧＳＡ）により、高電力を消費している。本発明の別な実施例を提示する、λｐ２〜９８０ｎｍの使用は、反転分布を生じるが、わずかに効率的でない。しかしながら、λｐ２〜９８０ｎｍを使用することは、９８０ｎｍを与える強力で安価なレーザー・ダイオードが市販されているため商業的に魅力あるものである。
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【００２４】
本発明のポンピング方式の利点は図３に図示され、ここで各個別の波長λｐ１とλｐ２の各々によりポンプされた時の〜１４７０ｎｍ増幅自然放出（ＡＳＥ）と両波長が共に図示されている。図３から、各々１つがＴＤＦＡを個別にポンプした時と比較して、２つの波長を一緒に使用した時のＡＳＥ電力の劇的な増加は明らかである。本発明の利点はさらに図４に図示され、これは本発明の２重ポンピング方式の利得と雑音の図をグラフで図示している。〜８００ｎｍ波長を１０５０ｎｍポンプに追加した時（図面の充填四角）の小信号利得の強化は驚異的である。〜８００ｎｍポンプのみでは反転分布を生成するには十分ではなく、一方１０５０ｎｍポンプのみは十分であることは記す価値が有る。しかしながら、１０５０ｎｍ使用のポンプ電力では、約７−８ｄＢの非常に小さな利得（本明細書で記述する全ての利得は内部、すなわちファイバ利得である）しか得られない（空の四角）。このファイバの以前の測定は１０５０ｎｍのみのポンピングにより２０ｄＢ以上の利得を得ることが可能であることが示されているが、非常な高電力（３００ｍＷ以上）を必要とする。２波長ポンプのＴＤＦＡでは、全体で１５３ｍＷのポンプ電力で、約４０ｎｍの帯域に渡って２０ｄＢ以上の利得が得られる。２波長ポンピングでは５ｄＢ以下の雑音値（充填三角）が測定され、これはＴＤＦＡの３ｄＢの期待限界に近接している。２つの波長のポンピング電力を調節することにより利得はさらに最適化される。例えば、１８０ｍＷの全体ポンプ電力（１０５０ｎｍの１００ｍＷと７９４ｎｍの８０ｍＷ）で２７ｄＢの利得が得られた。利得と利得一様性に関するＴＤＦＡの最適化は、ツリウム・イオン濃度、ドープされたファイバ長、及び２つのポンプの正確な波長と電力を調節することにより得られる。波長は通常各々λｐ１〜８００ｎｍ±１０ｎｍとλｐ２〜１０５５ｎｍ±１０ｎｍ内か、または各々通常各々λｐ１〜８００ｎｍ±１０ｎｍとλｐ２〜９８０ｎｍ±１０ｎｍが望ましい。
【００２５】
本発明によるポンピング方法は以下の主要な段階に要約される：
（ａ）単一光子吸収により、ツリウム・ドープ材の３Ｈ４レベルへの分布を誘起する第１波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器へのエネルギの第１配置。第１波長は８００ｎｍ±１０ｎｍが望ましい。
（ｂ）単一光子の励起吸収により、望ましくは３Ｆ２レベルへの強力な励起状態吸収により、３Ｆ４レベルの分布を減少させる第２波長の放射によるポンピングによりファイバ増幅器へのエネルギの第２配置。さらに、第２波長の放射は３Ｆ２レベルを通して３Ｈ４レベルに同時に分布させる。第２波長は１０５５ｎｍ±１０ｎｍまたは９８０ｎｍ±１０ｎｍが望ましい。
【００２６】
この２つの主要な段階は３Ｈ４と３Ｆ４レベルの間で反転分布を達成し、従って利得と増幅度の著しい増加をもたらす。
【００２７】
上記した結果に使用した実装と構成の例として、１０５０ｎｍで動作するダイオード・ポンプのＹｂファイバ・レーザーをλｐ２に使用可能である。λｐ１〜８００ｎｍの他のポンプ源には、Ｔｉサファイヤ・チューナブルｃｗレーザーが使用可能である。ｃｗ半導体ダイオード・レーザーは低コストの代案を提供する。単一チャネル検査信号はｃｗチューナブル・レーザー・ダイオード源により提供されるが、ＷＤＭ操作もまた可能である。ツリウム・ドープ・ファイバは、例えばル・ベラ・フローレから市販されて入る。本発明の方法に適するいわゆるＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ４−ＢａＦ２−ＬａＦ３−ＡｌＦ３−ＮａＦ）の標準特性を表ＩＩに示す。
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【００２８】
上記したＺＢＬＡＮファイバは非限定的な例として考えるべきである。材料パラメータの多数を変更しても、材料は依然として光学増幅器の利得材料としての役割を果たす。パラメータのいくつか、例えばＴｍドーピング濃度を変更して増幅組立体の性能を最適化してもよい。Ｔｍドーピング濃度は通常２０００ｐｐｍであるが、その他の濃度、特に高濃度も良好な結果を示す。５０００ｐｐｍ付近のＴｍドーピング濃度も本発明によるポンピング方式と組合わせた使用では有効である。
【００２９】
多数の市販使用光学ファイバはシリカ・ガラスを基にしており、これは高温で安定であり、市販の機械で非常に低い損失でスプライス可能である。現在のところ、フォノン散乱のためシリカ・ファイバはＳバンドのＴｍ増幅器とは互換ではない。それ故、ＺＢＬＡＮのようなフッ化材を基にしたファイバが使用される。その他の型式のファイバ材、例えばテルライド・ファイバが常に開発され、検査され、使用される。この分野の開発は近い将来にシリカまたはシリカ互換のファイバの使用に多分導かれる。当業者により認められるように、本発明によるポンピング方式はシリカを基にした物を含む、全てのこれらの型式のファイバに有効に使用可能である。
【００３０】
本発明によるポンピング方式は上述の増幅組立体に限定されない。反対に、広範囲の組立体が上述のポンピング方式を有効に使用できる。これは、例えば、レーザーが実施できるように、光学キャビティ内部に使用してもよい。以下でさらに説明するように、活性イオンを光学ファイバに含めることも可能である。いわゆるマイクロチップ・レーザーで使用するもののように、結晶に含めることも可能である。上述したポンピング方式はＴｍレーザーへの光学励起を提供するためにも等しく有用である。イオン固有の大きなバンド幅は広範囲に同調可能なレーザーの可能性を生じる。Ｔｍドープ材料は１．４−１．５２μｍ波長域でレーザー化するために使用可能である。
【００３１】
外部クラッディング５２０により取囲まれた、Ｔｍイオンがコア５００に、ネオジム（Ｎｄ）イオンが内部クラッディング５１０にあるドープ材が単一モード光学ファイバである、図５を参照して本発明の１実施例を以下に説明する。本実施例では、８００ｎｍ光源、例えば半導体ダイオード・レーザー５３０のみが外部ポンピング用に必要である。ファイバの内部クラッディングに含まれたＮｄイオンは８００ｎｍの光子の一部を吸収し、１０５０ｎｍ領域の放射を放射し、これはまたＴｍイオンにより単一コアで吸収される。内部クラッディングの有効域はファイバの単一モード・コアのものより大分大きいため、内部クラッディング構成は８００ｎｍの半導体ダイオード・レーザーからの微弱な平行輻射の大部分を利用する利点を有する。
【００３２】
本発明による希土類ドープ材にエネルギを配置する１つの方法は、ファイバ・レーザーとまたＴｍドープ・ファイバをポンプするため半導体レーザーからの放射を利用することである。この実施例は図６に概略的に図示され、ここではファイバ・レーザーが光学キャビティ６００に設けられ、ここで光学利得を与えるＮｄドープ・ファイバが２個のファイバ・ブラッグ格子Ｍ１とＭ２の各々の間に配置されている。半導体レーザー６０５はファイバ・レーザーを駆動する８００ｎｍを提供する。光学キャビティはＴｍドープ・ファイバ増幅器１５０に結合される。格子はＮｄドープ・ファイバの箇所に、またはＮｄドープ・ファイバに以後スプライスされるファイバの箇所上に作成されてもよい。ブラッグ格子により反射される波長は１０５０−１０６０ｎｍに近接し、従ってファイバ・レーザーは閾値に到達する。鏡Ｍ１の反射率はレーザーの波長（１．０６μｍ）では選択的に１００％近くまでなり、ポンプ波長（８００ｎｍ）では０％に近くなる。格子Ｍ２の反射率はレーザー波長では１００％より小さくなければならず、ポンプ波長では０％に近くなる。このようにして、ファイバ増幅器１５０のＴｍドープ・ファイバに到達する輻射は、ファイバ・レーザー光とＮｄドープ・ファイバにより吸収されなかった８００ｎｍポンプ光の一部との合計である。
【００３３】
図７に概略的に図示する、別の実施例では、ファイバ・レーザーは、８００ｎｍ放射を与える半導体ダイオード・レーザーにより駆動されるＮｄドープ・ファイバ７００のリング構成により実現される。リング・レーザーの１０５０ｎｍで発生された放射の小部分（１０％付近）は循環されてレーザーを閾値以上に保持し、１０５０ｎｍで利用可能な放射の大部分はＴｍファイバをポンプするために使用される。ここで与えた数値は動作の原理を説明するための非限定的な例として見なすべきである。
【００３４】
最大利得に必要なＴｍドープ・ファイバの長さを減少するために、ポンプ光をＴｍドープ・ファイバに沿って伝播させ、次いで吸収されなかったポンプ光の残りの部分を反射することが可能である。使用すべき鏡は選択的ファイバ・ブラッグ格子が可能であり、これはポンプ波長（８００ｎｍと１０５０ｎｍ）で高度に反射的であり、増幅すべき信号波長では高度に透過であるよう都合よく出来る。格子はＴｍドープのフッ化ファイバに接続されるシリカ・ベースのファイバの片に含ませることが可能で、増幅器の出力ファイバを構成する。図１ｃの概略的に図示した構成を参照すると、ブラッグ格子は、各々ＡとＢと記した、増幅ファイバの端点またはこれに近接して設けてもよい。ブラッグ格子は各々波長１０５０ｎｍと８００ｎｍを反射し戻すように配置される。
【００３５】
本明細書で開示した考えは、希土類ドープ増幅器の性能を改良するため従来技術で公知の他の技術と排他するものではないことを理解すべきである。例えば、ファイバ・ブラッグ格子のような利得等価フィルタの使用は、本発明で開示したポンピング方式と関連して明らかに可能性がある。ここでは、フィルタは増幅器の出力に都合よく配置可能である。このように、ブラッグ格子は出力ファイバ、例えばシリカ・ベースのファイバに製造可能である。
【００３６】
現在最も実用的で望ましい実施例と考えられるものと関連して本発明を記述してきたが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、反対に、添付の請求の範囲の要旨と範囲内に含まれる各種の修正と等価な装置をカバーする意図のものであることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
上述した本発明の機能と特徴は、同じ参照番号が全体を通して同じ要素を参照している、図面と関連した詳細な説明で以下により完全に記載されている。
【図１ａ】本発明による２波長ポンピング組立体の概略図。
【図１ｂ】本発明による２波長ポンピング組立体の概略図。
【図１ｃ】本発明による２波長ポンピング組立体の概略図。
【図２】Ｔｍドープ材原子の適切なエネルギレベルと遷移の概略図。
【図３】本発明の方法を使用したツリウムの増幅自然放出を示すグラフ。
【図４】本発明の方法を使用した利得を示すグラフ。
【図５】本発明の実施例の概略図。
【図６】本発明の実施例の概略図。
【図７】本発明の実施例の概略図。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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