(57)【要約】【課題】  好ましくない非線形性と利得飽和とが始まる前に、光ファイバー増幅器にエネルギーを蓄積する能力を大きくし、単一モード（ＳＭ）ファイバーで達成できるより大きいピーク強度およびパルスエネルギーを発生させること。【解決手段】  本発明の光学増幅装置は、回折限界に近いモードを持つ入力ビ−ムを発生させるレーザー源としてのファイバー発振器１０と、多重モード・ファイバー増幅器１２と、モード変換器１４と、ポンプ源２０とを有する。モード変換器１４は、入力ビームを受けて多重モード・ファイバー増幅器１２の基本モードに整合するように入力ビームのモードを変換し、多重モードファイバー増幅器１２に入力するモード変換された入力ビームを作り出す。ポンプ源２０は、多重モード・ファイバー増幅器１２を光学的にポンピングし、本質的に基本モードで増幅された強力な出力ビームを生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重モード・ファイバー増幅器と、
該多重モード・ファイバー増幅器の基本モードに整合するような入力ビームを該多重モード・ファイバー増幅器に入力するビーム源、
該多重モード・ファイバー増幅器に結合され、該多重モード・ファイバー増幅器を光学的にポンピングするポンプ源とからなり、
該多重モード・ファイバー増幅器は、基本モードの１ｋｗ以上のピーク強度を持つパルスのビームを生成するものである光学増幅装置。
【請求項２】
多重モード・ファイバー増幅器と、
該多重モード・ファイバー増幅器の基本モードに整合するような入力ビームを害多重モード・ファイバー増幅器に入力するビーム源、
該多重モード・ファイバー増幅器に結合され、該多重モード・ファイバー増幅器を光学的にポンピングするポンプ源とからなり、
該多重モード・ファイバー増幅器は、基本モードであって該増幅器の単位長さ当り１ｋｗより大きいピーク強度を有する増幅されたビームを生成するものである光学増幅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一モード増幅システムにおいてレーザー光の増幅器に多重モードファイバーを使うことに関し、レーザー増幅装置の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
Ｍａｕｒｅｒ（１９７４）の米国特許第３，８０８，５４９号で述べられているように、希土類元素をドープした光ファイバーの光伝導性を利用して特徴ある簡単なレーザーを構成することができるので、希土類元素をドープした光ファイバーは、長い間、可干渉光（コヒーレント光）の光源としての利用が考えられて来た。しかし、ファイバー・レーザーに関する初期の業績は、回折限界の可干渉光を発生する手段が知られていなかったために、余り関心が持たれなかった。現在では、回折限界の光を利用することにより、レーザーの応用は数々の利益を生み出している。
【０００３】
Ｐｏｏｌｅらが、“Fabrication of Low-Loss Optical Fibers Containing Rare-Earth Ions”, Optics Letters, Vol.22,pp.737-738(1985)で報告しているように、希土類元素をドープしたファイバーが製造できるようになったときに、初めて希土類元素をドープした単一モード（ＳＭ；single mode）のファイバーを使った技術が世に出現した。この技術においては、光ファイバーの基本モードのみが波長終端に導かれ、これによって回折限界の出力が得られる。
【０００４】
ＳＭ光ファイバー増幅器を使った光ファイバー通信の要求が高まり、この分野のここ１０年以上の間の進展は、ほとんどＳＭファイバー増幅器に集中している。このようなＳＭ光ファイバー増幅器の進歩があったのは、ＳＭファイバー増幅器が最もノイズの発生が少なく、また、それがＳＭファイバー光伝導線と互換性があるという事実があるからである。ＳＭファイバー増幅器は、いずれの高次モードも含まないために形態上の分散が完全に消去されているので、光の透過バンド幅がもっとも大きい。一般に高次モードは異なった伝播常数を持っているので、一般的に形態上の分散は、多重モード（ＭＭ；multi mode）光ファイバーの透過バンド幅を限定し最も有害である。
【０００５】
しかし、短い光パルスを増幅する場合、ＳＭ光ファイバーを使うことは不利である。何故なら、コア面積が限定されているので、光ファイバーの飽和エネルギーが限定され、したがって得られるパルスエネルギーも制限されるからである。レーザー増幅器の飽和エネルギーＥｓａｔは、次式で表すことができる。
Ｅｓａｔ＝ｈｖＡ／σ
ここで、ｈはプランク定数、ｖは光の振動数、σは励起放射の断面積、Ａはコアの断面積である。今日、ＳＭ光ファイバーから得られる最大パルス・エネルギーは約１６０Ｊであり（Taverner et al. in Optics Letters, Vol.22, pp.378-380 (1997)による）、これはコア直径１５μｍのＳＭエルビウム・ドープ・ファイバーで得られたもので、これは１．５５μｍにおけるＳＭ伝播と可換である最も大きなコア直径である。この結果は、ファイバーの開口数ＮＡ＝０．０７で得られたものである。さらにコア径を大きくするとファイバーのＮＡを小さくすることが必要で、この結果、不本意な感度低下を招き、曲げ損失につながる。
【０００６】
ＳＭ増幅器の代替として、多重モード（ＭＭ）光ファイバーによる増幅が考えられる。例えば、“Chirped-pules amplification of ultra short pules with a multimode Tm:ZBLAN fiber upconversion amplifier”, by Yang et al., Optics Letters,Vol.20, pp.1044-1046(1995)を参照されたい。しかし、一般的には、ＭＭ光ファイバーへの入射条件とＭＭファイバーにおけるモード結合が制御できないから、ＭＭ光ファイバーにおける増幅実験では、形態上の分散のために好ましくないパルスの広大が起こり、回折限界にない出力となる。
【０００７】
最近、Ｇｒｉｅｂｎｅｒらは、“Efficient laser operation with nearly diffraction-limited output from a diode-pumped heavily Nd-doped multimode fiber, Optics Letters, Vol.21,pp.266-268(1996) の論文で、ファイバー長さを１５ｍｍより短く保ち、光ファイバーの基本モードに対するフィードバック量を最大に選んだとき、近似的に回折が制限された出力ビームをＭＭファイバー・レーザーから得ることができると述べている。しかし、用いるＭＭファイバーには数万のモードがあるから、この手法では厳密なモード結合を達成することが一つの問題である。また、モード選択を選択するとき、ＭＭファイバーの端面とレーザー鏡との間の空隙も問題である考えられる。かくして、形態的な識別ができなくなり、その結果ビームの質が劣ることになる。
【０００８】
ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉらの米国特許第５，１８７，７５９号には、ファイバーコアの中心近くの何らかの活性イオンを選択的に励起するか、閉じ込めるかすることにより、ＭＭファイバー中の増幅された自然発光（ＡＳＥ；amplified spontaneous emission）を減少させることができることが示されている。ＭＭ光ファイバーにおける低次モードの重畳は、ファイバーコアの中心近くの活性イオンに関して最も大きいので、何らかのＡＳＥはＭＭファイバーの低次モードで著しく発生する。結果として、ＡＳＥは高次モードでは発生しないから、ＡＳＥの発生量はＭＭファイバーでは大きく減少する。しかし、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉの記述では、ドーパントの閉じ込めはＡＳＥの減少に関してのみである。ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉは、モード散乱が存在する場合、ドーパントの閉じ込めによりＳＭ励起下にあるＭＭファイバーの基本モードのビーム品質を高めることができることについては述べてはいない。また、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉのシステムでは、ドーパントの閉じ込めにより誘起される利得ガイドによって、ＭＭファイバーにおける基本モードを効果的に導くことができるということを考慮していない。これはさらにＳＭの動作のみならず、ＭＭファイバーに於いてもＡＳＥを減少させることになる。
【０００９】
実際、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉらのシステムは、回折限界にない出力ビームのＭＭ信号源と考えられるので、実用的ではない。さらにドープされたファイバーに対してはクラッドは単層と考えられる。このことは光ファイバーに高出力半導体レーザーを結合することを試みるときには不利になる。ＭＭファイバーに高出力半導体レーザーを結合するためには、先に述べたＭａｕｒｅｒの特許に示唆されているように、二重クラッド構造が有利である。
【００１０】
発明者らの知る限りでは、利得ガイドが光ファイバーに使われたことはない。一方、利得ガイドは従来の半導体または固体レーザーではよく知られている。例えば、Ｈａｒｔｅｒらの論文“Alexandrite-laser-pumped Cr3＋:LiSrAlF6”, Optics Letters, Vol.17,pp.1512-1514(1992)を参照されたい。事実ＳＭファイバーにおいては、導波路構造によって基本波のモードが著しく制限されるために利得ガイドは不適切である。しかしＭＭ光ファイバーにおいては、導波路構造による基本波モードの制限は緩く、利得ガイドを装着することができる。ＭＭファイバーのコアの大きさが大きくなるにつれて、ファイバー中の光の伝播は、近似的に自由空間の伝播に近づく。かくして、モード結合を十分小さくできるので、利得ガイドには著しい効果が期待される。
【００１１】
高いパルス・エネルギーが得られることのほかに、ＭＭ光ファイバー増幅器は、ＭＭファイバー増幅器に比してファイバー断面積が大きいので、非常に大きいピーク強度のパルスを増幅することにも使える。Ｆｅｒｍａｎｎらが、米国特許出願第０８／７８９，９９５号（１９９７年１月２８日出願）で述べているように、ドープされていないＭＭファイバーとＭＭ増幅ファイバーとは、パルスの圧縮にも使う事ができる。しかし、この仕事はスペクトルのプロファイルを奇麗にする（これはシステムの全体の効率を制限することになる）非線型スペクトル・フィルターと組み合わせて、ソリトン・ラマン圧縮器として用いることに限定されている。
【００１２】
Ｋａｆｋａらの米国特許第４，９１３，５２０号で明らかにされたように、ＳＭファイバーでパルスを圧縮することと比較して、ファイバーのモードの大きさが大きいため、ＭＭファイバーではより大きなパルスエネルギーが得られる。特に２．５より大きいＶ値と、コアとクラッドと間の比較的大きい指数の回折（すなわち、Δｎ＞０．３％）とが、効果は大きい。“Generation of high-energy 10-fs pulses by a new pulse compression technique”, Conference on Laser and Electro.-Optics, CLEO 91,Paper CtuR5, Optical Society of America Technical Digest Series, ＃9, pp.189-190(1996)の論文で、Ｍ．Ｎｉｓｏｌｉらは、中空コア・ファイバーは基本波モードの大きさを大きくできるので、パルス圧縮に中空コア・ファイバーが使えると述べている。しかし、中空コア・ファイバーは本質的に透過損失があるので、気体を封入する必要があり、透過損失を最小にするには真直に保つことが必要である。このために、これらを実用に供することは難しい。
【００１３】
Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓらの米国特許第５，４９９，１３４号で明らかにされているように、高強度パルスを得る代替法として、チャープ・ファイバー・ブラッグ格子を伴うチャープ・パルス増幅器が用いられる。この技術の限界の一つは、圧縮格子において限定されたコア面積を持つＳＭファイバーが用いられていることである。大きなパルスエネルギーは、パルス圧縮のための、縮小されたモード結合を有するＭＭファイバーにチャープ・ファイバー・ブラッグ格子を用いることである。事実、最近、Ｓｔｒａｓｓｅｒらは、“Reflective-mode conversion with UV-induced phase gratings in two-mode fiber”, Optical Society of America Conference on Optical Fiber Communication, OFC97,pp.348-349, (1997) の論文の中で、チャープされていないファイバー・ブラッグ格子を二重モードファイバーで示している。これらの格子はモード変換器（すなわち基本モードと高次モードを結合する）として使うことが出来るようにブレーズされている。パルス圧縮器としてブラッグ格子を使うためには、反射光中の高次モードの励起を最小にする必要があり、格子はブレーズされていてはならない。
【００１４】
ＳＭ信号はＭＭファイバー構造に結合でき、数メートルで１００秒の伝播長さとして保存されることはよく知られている。例えば、Ｇａｍｂｌｉｎｇらの論文“Pulse dispersion for Single-Mode Operation of Multimode Cladded Optical Fibers”, Electron Lett., Vol.10, pp.148-149,(1974)と、“Mode conversion coefficient in optical fibers”, Applied Optics, Vol.14, pp.1538-1542,(1975)とを参照されたい。しかし、Ｇａｍｂｌｉｎｇらは、液体コアのファイバーにおいてのみモード結合は低水準であることを見出した。一方、ＭＭ固体コアファイバー中のモード結合は厳しいことが見出されており、ｍｍ台の長さのファイバーの中でのみ基本モードの伝播ができる。Ｇｒｉｅｂｎｅｒらの業績のように、Ｇａｍｂｌｉｎｇらは、１０，０００またはそれ以上のモードを維持できるＭＭ固体コア光ファイバーを使った。
【００１５】
関連した仕事で、Ｇｌｏｇｅは、“Optical Power Flowin Multimode Fiber”, The Bell System Technical Journal, Vol.51, pp.1767-1783,(1972)の論文で７００モードを維持できるＭＭファイバーの利用について報告している。この論文ではモード結合は十分短縮されており、長さ１０ｃｍのファイバー上のＳＭ伝播が可能である。
【００１６】
しかし、Ｇｌｏｇｅは長い波長（１．５５μｍ）でＭＭファイバーを動作させること、および全モード数を７００以下に縮小することにより、モード結合を縮小できることについては述べていない。また、この論文では増幅器としてＭＭファイバーを使うこと、ＭＭファイバーの非線形性を使うことについては考慮されてはいない。
【００１７】
発明者らは、ＳＭ信号を増幅するためにＭＭファイバーを使う先行技術（出力は主として基本モードに留まっている）については注目していない。その第一の理由は、ＭＭファイバーにおける増幅が光電話回線の領域のような長距離の信号伝播には不適合であることである。発明者らはまた、多重モード・ファイバーにおけるパルスの圧縮に関する先行技術（出力が基本モードに留まっている）にも関心がない。
【００１８】
上述の文献、特許および特許出願は、参考文献として本明細書中で参照されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の目的は、好ましくない非線形性と利得飽和とが始まる前に、光ファイバー増幅器にエネルギーを蓄積する能力を大きくし、単一モード（ＳＭ）ファイバーで達成できるより大きいピーク強度およびパルスエネルギーを発生させることである。
【００２０】
本発明の他の目的は、増幅された自然発光（ＡＳＥ）を減少させるときに、多重モード（ＭＭ）ファイバーの中で基本モードの増幅をすることである。本発明の更なる目的は、基本モードの安定性を改善するためＭＭファイバーに利得ガイドを用いることである。それに加えて、本発明の目的は、回折限界に近い出力を保持しながら、ピーク強度が大きいパルスを数ピコ秒からフェムト秒の範囲に圧縮することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の目的を達成するために、本発明では光学増幅装置に多重モード光ファイバーを用いる。本発明に従えば、ＭＭ光ファイバー、すなわち約２．５より大きいＶ値を持ったファイバーは基本モードの出力を出すことが出来る。このことにより、好ましからざる非線形性と利得飽和を修正する前に、ＳＭファイバーより大きいピーク強度とパルス・エネルギーを発生することが出来る。ファイバーの断面積を増すことは、光ファイバー増幅器におけるエネルギー蓄積能力を非常に大きくすることと等しい。本発明の増幅システムは超高速で高強度のパルスの発生源が必要な場合に役に立つものである。
【００２２】
本発明の一つの視点に立てば、利得媒質はＭＭファイバーの中心にあるから、基本モードが選択的に増幅され、自然発光が減少する。さらに利得を制限することにより、利得ガイドによって大きな断面積を持つファイバー中の基本モードを安定にする。本発明の一つの実施例によれば、自己位相変調と、（希土類を）ドープした、またはドープしないＭＭファイバーにおける非線形性とを利用することにより、近似的な回折制限出力を保存しつつ、大きいピーク強度のパルスを数ヘムト秒の範囲まで圧縮することが出来る。
【００２３】
本発明の他の実施例によれば、縮小されたモード結合を持ったＭＭ光ファイバーにチャープ・ファイバー格子を書き込むことにより、高強度光パルスの線形パルス圧縮に対する強度限界は著しく大きくなる。さらに二重クラッドＭＭファイバー増幅器を利用することにより、比較的大面積の高出力半導体レーザーでポンピングすることが可能になる。
【００２４】
本発明の更なる他の実施例によれば、完全なモードフィルターを組み込むことにより、（希土類を）ドープしたＭＭ光ファイバーから得られる、回折限界に近い単一モードの中の連続波を消すことが出来る。本発明の更なる他の実施例によれば、ＭＭ光ファイバーはファイバー光再生増幅器と高出力のＱスイッチレーザーを構成することができる。さらに、ＭＭ光ファイバーを用いて、比較的弱い吸収断面積を持つドーパントを使ったクラッド−ポンプファイバー・レーザーを設計することができる。
【００２５】
本発明のこれらの目的および実施態様、または他の目的および実施態様は、次に詳細に示す好ましい実施例と関連する図面から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明の実施例１としての光学増幅装置である多重モードファイバー増幅システムの模式図である。
【図２】図２は、多重モード増幅ファイバーをモード・フィルター・ファイバーに結合するときの効率を、多重モード増幅ファイバーの曲率の関数として示すグラフである。
【図３】図３は、最適のモード結合条件下で測定した多重モード増幅ファイバーから得られる増幅されたパルスの自己相関を示したグラフである。
【図４】図４は、最適条件ではないモード結合条件下で測定した多重モード増幅ファイバーから得られる増幅されたパルスの自己相関を示したグラフである。
【図５】図５は、本発明の実施例２としての光学増幅装置である多重モードファイバー増幅システムのブロック図である。
【図６】図６は、本発明の実施例３としての光学増幅装置である多重モードファイバー増幅システムのブロック図である。ここではパルス圧縮器が多重モードファイバーの出力端に配置されている。
【図７】図７は、本発明の実施例４としての光学増幅装置である多重モードファイバー増幅システムの構成を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の実施例５としての光学増幅装置に採用されている、ドープした多重モード・ファイバー・コアとドープされないファイバー・クラッドとを用いたファイバー断面の概念を示した模式図である。
【図９】図９は、本発明の実施例６としての光学増幅装置である多重モード・ファイバー増幅システムの構成を示す模式図である。ここでのファイバー再生増幅器は多重モードファイバー増幅器から構成されている。
【図１０】図１０は、本発明の実施例７としての光学増幅装置である多重モード・ファイバー増幅システムの構成を示す模式図である。ここではＭＭ−Ｑスイッチ・ファイバー・レーザーが構成されている。
【図１１】図１１は、本発明の実施例８としての光学増幅装置である多重モード・ファイバー増幅器システムの構成を示すブロック図である。ここでは多重モードファイバーの前に前置増幅器が挿入されている。
【図１２】図１２は、本発明の実施例９としての光学増幅装置である多重モード・ファイバー増幅器システムの構成を示すブロック図である。ここでは多重モードファイバーの出力側に周波数変換器が配置されている。
【００２７】
［発明の実施の形態］
本発明の光学増幅装置の実施の形態については、当業者に実施可能な理解が得られるよう、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。
［実施例１］
図１に、本発明の実施例１としての光学増幅装置の構成を示す。図１に示される例では、エルビュウム・ファイバー発振器のようなフェムト秒単一モード（ＳＭ）ファイバー発振器１０は、エルビウム／イッテルビウム・ファイバー増幅器のような多重モード（ＭＭ）ファイバー発振器１２に結合されている。これに適合するＭＭファイバー増幅器の他の例には、Ｅｒ，Ｙｂ，Ｎｄ，Ｔｍ，ＰｒまたはＨｏイオンをドープされたものが含まれる。このシステムに利用するのに適合する発振器は、上に述べたＦｅｒｍａｎｎらの米国特許出願第０８／７８９，９９５号に記載されている。
【００２８】
二つのレンズを持つ望遠鏡１４（Ｌ１，Ｌ２）は、発振器１０のモードをＭＭ増幅器１２の基本モードに合わせるために使われる。更に、ポンプされたＭＭファイバー１２の出力は、レンズＬ３，Ｌ４を使って、第二のＳＭファイバー（図１におけるモード・フィルター（ＭＦ）ファイバー１６）に移される。レンズＬ３，Ｌ５およびビーム分離器１８は、以下に述べるように、ポンプ源２０から発生するポンプ光を増幅器ファイバーに結合するために使われる。
【００２９】
図１にしたがったシステムの配置の例では、その発振器１０は出力レベル１４ｍＷ、波長１．５６μｍ繰り返し周波数１００ＭＨｚで、３００フェムト秒の近似的にバンド幅が限定されたパルスを射出する。増幅ファイバー１２は、例えば、コア直径約２８μｍ、コアの開口数ＮＡ＝０．１９の二重クラッドＭＭエルビウム／イッテルビウム増幅器であり得る。この例での内側クラッドは直径約２２０μｍで開口数ＮＡ＝０．２４である。そのコアは内部クラッドの中心に位置する。増幅器の長さは１．１０ｍである。
【００３０】
ＭＭ増幅器１２における伝播モード数を増やし、テストをする目的で、７８０ｎｍと６３３ｎｍの短い波長を使った。ここで、７８０ｎｍで動作するフェムト秒レーザー光源と６３３ｎｍの連続波レーザー光源とは、ＭＭ増幅ファイバー１２にレーザー光を射出することができる。これら二つの波長でＳＭ動作を確実にするために、このＭＦファイバー１６はコア直径４μｍのファイバーで置き換えることができる。
【００３１】
ＭＭ増幅器におけるモードの大約の数Ｎは、次の数１に示すように、そのＶ値から計算できる。
【００３２】
Ｖ＝（２πａ／λ）ＮＡ，  モード数Ｎ＝（１／２）Ｖ２
ここで、ａはコア直径であり、λは信号の波長である。また、１．５５μｍにおけるＶ値はＶ≒１０．８であり、かくして上の例では、モード数は約５８と計算される。典型的には、Ｖ値が２．４１を超えるとき、すなわち基本モードに付加するモードが光ファイバー中を伝播できるとき、ファイバーはＭＭであると考えられる。
【００３３】
Ｎモードを保証するＭＭファイバーのＮモードと等価な励起に対して、ＳＭファイバーへの最大の結合効率ηは、近似的に次の数２で与えられる。
【００３４】
η≒（θ０／θｍａｘ）２≒１／Ｎ
ここで、θ０≒λ／４ａは、ＭＭファイバーの基本波モードの１／２発散角（発散角の半頂角）である。一方、θｍａｘは、ＭＭファイバー出力の最も外側のモードの１／２最大発散角である。ＭＭファイバーからの出力は、線形に偏光している。このことは、ファイバーにおける最低次のモードの励起にのみ当てはまる仮定である。ＭＭファイバーをＳＭ励起し、モード結合がない場合、θｍａｘ（Ｚ）＝θ０はファイバー長さと関係がない。しかし、モード結合が存在するときにθｍａｘは増加する。その結果として、ＭＭファイバーの出力からＳＭファイバーへの結合効率ηは、η（ｚ）＝（θ０／θｍａｘ（ｚ））２と共に減少する。なお、先に述べたＧｌｏｇｅの業績では、η（ｚ）は次のように書くことができる。
【００３５】
η（ｚ）＝θ０２／（４Ｄｚ＋θ０２）
ここで、ＤはＧｌｏｇｅによって定義されたモード結合係数である。かくしてη（ｚ）を測定すれば、モード結合係数Ｄが求まる。同様にηを測定すれば、上記数２からＭＭファイバーの励起モードの近似的な数が求まる。回折限界に近い光ビームの質を特徴づけるために使われるＭ２値に対して、Ｎを関係づけることが役に立つ。すなわち、Ｎ≒√Ｍ２であることが示される。
【００３６】
本発明にしたがえば、ＭＭファイバー増幅器１２の出力である増幅されたビームが本質的に基本モードであるような、低レベルのモード結合が好ましい。したがって、１０以下のＭ２値が好ましく、４以下であればさらに好ましく、２以下であればもっと好ましい。更に、モード数は３〜３０００の範囲にあることが好ましく、３〜１０００の範囲にあればなお好ましい。
【００３７】
モード結合は、上記エルビウム／イッテルビウム・ファイバー（表１中のファイバー１）と三つの市販ＭＭファイバー（表１中のファイバー２，３，４）に対して、１．１ｍのドープされていない増幅ファイバーで測定された。これらのファイバーのファイバー・パラメーターとモード結合係数Ｄ（ｍ−１の単位）は、次の表１に示されている。表１中のファイバー１，３，４は、ＭＣＶＤ法で作られたものである。一方、表１中のファイバー２は、ロッド・イン・チューブ法で作られたものである。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
逆に、結合係数からＭ２値の予測値を計算できる。例えば、計算されたＭ２値は、１ｍのＭＭファイバー１２を伝播した後の値を示す。ファイバー１に対して、計算値と分離して測定されたＭ２値はよく一致した。基本モードのＬＰ01と次の高次モードのＬＰ11との間のビート長さＬｂは、表１に示してある。ビート長さＬｂは、伝播方向に沿って二つのモードについて２πの差分位相シフトが重畳する長さと定義される。固定した波長に対し、一定の散乱パワースペクトラムを仮定すれば、ＤはＬb4に比例することを示すことができる。例えば、Ｄ．Ｍａｒｃｕｓｅ，“The Theory of Dielectric Optical Waveguides”, p.238, Academic Press (1974), Ｇｌｏｇｅを参照されたい。ビート長さが長ければ、密接したモードの位相は一致し、より大きいパワーが長さの関数として付随する。Ｇｌｏｇｅによって明らかにされたように、モード結合は隣接したモード間で最も大きいと期待できるので、モード結合を避けるためにできるだけ短いＬＰ01／ＬＰ11ビート長さを使うことが好ましい。
【００４０】
一般的に、高レベルのモード結合は、大きな散乱損失を持つファイバーから得られると期待される。このことから、小さい散乱損失を持つファイバー中の長い波長においては、モード結合係数は小さいことが予測される。表１から解るように、ファイバー１の波長が大きくなると、モード結合は著しく減少する。モード結合の受容できるレベルは、ファイバー１においては、７９０ｎｍ程度に短い波長で達成される。光ファイバーのモード数はａ／λにのみに依存するので、５６μｍほどの大きさのコア直径を持ったファイバーと同様なファイバーによって、１ｍ長さにおけるモード結合を実現できる。より長い波長における散乱を減少させるために、より長い波長ではより大きなコア直径がよい。例えば、Ｔａｖｅｒｎｅｒらによれば、コア直径６０μｍのＭＭファイバーはＳＭ増幅器よりも１６倍にパルスピーク強度を増幅することができる。表１から解るように、また次に説明することにより、モード結合の許容できるレベルは特別に設計された５０μｍのコア直径を持つファイバーで得られる。
【００４１】
さらに、勾配指数（グレーデッド・インデックス）ＭＭファイバー中の伝播定数はよく似ており、モード結合への感度が著しく増加するので、モード結合を最小にするためには、段階指数（ステップ・インデックス）ＭＭファイバーの方が勾配指数を持つＭＭファイバーより実用的である。モード結合を最小にするためには、ファイバー・モード間の伝播定数の差を最大にすることが好ましい。
【００４２】
上記表１中のファイバー２は、ロッド・イン・チューブ法で製作されたものであって、本質的に散乱損失が大きく、ＭＣＶＤ成長法による上記表１中のファイバー１，３，４に比べて、より大きなモード結合係数を持っている。また、ファイバー２で測定されたモード結合係数は、ＧａｍｂｌｉｎｇらやＧｒｉｅｂｎｅｒらによって得られた結果と同じである。彼らはロッド・イン・チューブ法で作られた段階指数をもつ固体コアファイバーを用いている。その結果、直接成長技術、例えばＭＣＶＤ、ＯＶＤ、ＰＣＶＤまたはＶＡＤなどのファイバー製作技術によるＭＭファイバーを用いた場合は、モード結合の縮小が期待できる。
【００４３】
上記表１に示すように、１．５５μｍにおいてファイバー４で得られたモード結合係数は、ファイバー３のそれの１／１１である。この差は、ファイバー３の外径が１２５μｍであるのに対し、ファイバー４の外径が２５０μｍであることで説明がつく。表１で明らかなように、一般に厚いファイバーは硬く、モード結合を誘発する曲りや微少曲りに対して強い。
【００４４】
発明者が行った実験では、最も小さいモード結合係数は縦方向に延ばされた光ファイバーによって得られる。例えば、ファイバー２，３のモード散乱係数は、ファイバーを引っ張り真直に保持して測定された。短い長さのファイバーに張力を加えることは、もっとも良い質のモードを得るのに利用できる。モード結合は、再び図１に示すように、増幅ファイバー（ファイバー１）がポンプされるような配置で測定した。増幅器は９８０ｎｍの波長で、ブロード・ストライプの半導体レーザー（活性領域：１×５００μｍ）から出射する３Ｗ以上の信号に対して反対方向にポンプされた。ここでは、ＭＭ増幅ファイバーの内部コアへのパワー結合を最大にするために脱磁をした。見かけのフィードバックを除くために、増幅器を約８°傾けて固定した。１．５５μｍで、１００ｍＷ以上の信号出力を増幅システムから取り出した。
【００４５】
ＭＦファイバー１６に対するＭＭ増幅ファイバー１２の結合効率を、ＭＭ増幅ファイバー１２の曲率の関数として図２に示す。真直なＭＭ増幅ファイバーと１０ｃｍの曲率を持ったＭＭ増幅ファイバーについては、ＭＦファイバー１６に対しての結合効率は９４％以上であるという結果が得られた。そしてモード結合は、ＭＭ増幅ファイバー１２ではほぼ完全に消失し、ＳＭはＳＭファイバー中の数ｍを伝播することができることを示した。５ｃｍの曲率でもモード結合は認められず、この場合でもＭＭ増幅ファイバー１２からＭＦファイバー１６への結合効率は約９０％である。
【００４６】
測定されたＭＭファイバー１２からＳＭファイバーへの結合効率は、ポンプされない場合とポンプされた場合とではほぼ同じであるので、このような特殊な増幅ファイバーでは利得ガイドは比較的弱いことが明らかである。このような観測結果は単純な計算機モデルによっても得られた（以下を参照）。しかし、ＭＭ増幅ファイバーコアの中心にドーパントが局在していると、基本モードが著しく増幅される。高次モードへ散乱するいずれの光も利得が低下し、基本モードと高次モードとの強度的重畳を縮小するために、より高次のモードにおける散乱光のレベルを低くすれば、基本モードの利得は飽和しない。かくして、上記の実験例では、モード散乱係数は非常に小さかったので利得ガイドによる効果は、簡単には観測されなかった。一般に、本発明によるＭＭ増幅システムでは、利得ガイドが一つの役割を果たす。さらに、上記の計算機モデルでよれば、コア直径の大きいＭＭファイバーには基本モードの利得ガイドが存在し、そして、あるいは、コアとクラッド間の屈折率の違いが縮小することが予測される。
【００４７】
モード直径が増加すると、信号が小さい、すなわち利得飽和がないという条件で、ＳＭの大きさは利得プロファイルで決定できる。このことはモードの大きさが長さに依存することを意味する。小信号下で、モードは利得ガイドによって限定される。利得が飽和すると、ＭＭファイバーのコアによって限定され、利得ガイドはより関係なくなり、モードの大きさを大きく出来る。ファイバーの長さに沿って先細になった（テーパーした）コアを用いることにより、長さに依存したモードの大きさが実現できる。このことは、例えばファイバーの長さ方向に沿ってファイバーの外径を先細りにすることにより実現できる。
【００４８】
利得ガイドが存在すると、ＭＭファイバーは本質的にＳＭになり、増幅された自発光（ＡＳＥ）は減少する。利得ガイドが存在すると、ＡＳＥはＭＭファイバーのすべての可能なモードよりも、むしろ基本モードに誘導され、ＭＭファイバーの雑音の性質が改善される。同様に、実験例では、ドーパントを制限すると、ファイバーにおいて増幅された自発光（ＡＳＥ）レベルは著しく減少することが観測された。このことはＭＭファイバー１２からＭＦファイバー１６へのＡＳＥの結合効率を測定することにより証明できた。１ｍＷのＡＳＥの強度レベルに対して、結合効率は１５％と高い測定値が得られた。上記数２と比較すると、ＡＳＥは主として１３次数低いモードで発生する（このうち半分は分極が減少したためと考えられる）。すなわち、ＡＳＥは、増幅ファイバーの全モード体積の約２０％で起きる。ＡＳＥが大きく減少することが観測され、これによって増幅器における雑音レベルが下がり、またＡＳＥのレベルを低くすることにより、増幅器を飽和するのに要求される信号強度も減少する。発振増幅器の信号パルス源から最も大きいエネルギーを引き出すためには、一般的に、増幅器は飽和状態で動作するのが良い。
【００４９】
小さな機械的揺動をファイバーに加えても、１．５５μｍと７８０ｎｍにおけるＭＭファイバー１２からＭＦファイバー１６に対する結合効率は変わらないことが解った。実際の光学システムにおいて、加えられた機械的揺動は５ｃｍの曲率により加えられる揺動に比べて小さいものである。このことは、このようなファイバーにおいて、モード伝播パターンの長時間安定性が実現できることを示している。
【００５０】
ＭＭファイバー１２では、１０ｃｍ程度の小さい曲率半径に対しても分極が保存されている。高度な分極を保持するために、このようなファイバーには楕円ファイバー・コアあるいは熱応力が利用される。最適のモード結合と最適条件から外れたモード結合とで、それぞれ測定されたＭＭ増幅ファイバー１２（曲率半径１０ｃｍ）からの増幅されたパルスの自己相関を、それぞれ図３および図４に示す。最適条件から外れたモード結合での自己相関には、種々の伝播定数をもつ高次モードの励起のため、いくつかのピークが現れる。しかし、最適モード結合の条件下では、いずれの二次ピークも１％以下に抑えられている。このことは、ＭＭファイバーからの出るパルスは高品質であることを示している。
【００５１】
一般的に、ＭＭファイバーの出力端で測定されたパルスのスペクトラムは自己相関よりも極端に結合条件に依存する。この理由はスペクトル測定が基本モードと高次モードとの間の位相に敏感であることにある。すなわち、ＭＭファイバーの出力に１％の高次モードのエネルギーを含むとスペクトラム形状は１０％揺動する。
【００５２】
［実施例２］
本発明の実施例２としての光学増幅装置は、図５のブロック図に示すように、多重モード増幅システムである。このシステムには、回折限界に近い入力ビーム、モード変換器５０およびＭＭファイバー増幅器５２が含まれている。回折限界に近いビームは任意のレーザシステムから得る事が出来る。これはファイバー・レーザーである必要はない。回折限界に近いビームは、連続波またはパルス状輻射を含むことが出来る。モード変換器５０は、ＭＭ増幅器５２のモードを整合することが出来る任意の光学的イメージングシステムから成っている。例えば、レンズ・システムを用いることも出来るだろう。
【００５３】
逆に、先細りファイバーの先端の出力に置けるモードがＭＭ増幅ファイバー５２のモードと一致するような先細りファイバーの切片を利用することも出来る。この場合、非常に小型にするために、モード変換器は直接ＭＭファイバー５２に接続する事が出来る。ＭＭファイバーに対するポンピング配列は、信号方向または側面ポンピングと逆方向または同方向にすることができる。同様にポンプ光のＮＡは、最小のＡＳＥに縮小できる。この場合、ポンプ光が直接ファイバー・コアに導かれるよう、単層クラッド・ファイバーを使うとさらに有利である。一般的に、ＭＭファイバーには、単一、二重、多重のクラッドが採用されている。
【００５４】
同方向ポンピングの場合、ポンプ光と信号光とは、二色性のビーム分離器（図示せず）に入射する。結合光学系は、ポンプ・ビームと信号ビームとの結合を同時に最適にするために最適化される。ＭＭファイバー５２を通った信号の単一と二重の光路には便益性がある。二重光路の場合、ファラデー回転鏡によりシステムの分極移動を除く事が出来る。勿論、二重光路構成では増幅器を最初に通ったあと、出力が回折限界に近いことを確実にするため、信号と高次モードとの結合を避けねばならない。
【００５５】
随時、線形または非線形の光学素子をシステムの出力端に使う事が出来る。このようなシステムは、従来のレーザー・システムと接続して使われるいずれの応用例とも互換性がある。非線形を応用する多くの場合、十分の動作をさせるためには大きなピーク・パルスの出力が必要である。このことは、クラッドされたポンプＳＭファイバー増幅器で実現する事は難しい。なぜなら、通常このようなシステムでは、１／１０ｍオーダーのファイバーが使われているからである。標準的なＳＭ光増幅器においても、１ｋＷ／（増幅器の長さ）以上のピーク強度は希にしか実現されない。逆に、約１５ｋＷのピーク強度が、非線形効果がない状態で、１．５ｍ長さの二重クラッドＥｒ／Ｙｂファイバー（上記表１のファイバー１）で得られる。すなわち、２０ｋＷ／（増幅器長さ）以上のピーク強度を実現できる。
【００５６】
本発明に従えば、ＭＭ増幅器を利用することは、大きなコア直径を利用できるということのために便利である。すなわち、ＭＭ増幅器を利用することにより、（クラッディング）／（ドープ・コア直径）の比を小さく出来る。そしてこのことにより増幅器の長さと非線形性とを最小にすることができる。しかしこのことはＡＳＥノイズを更に発生させることになる。
【００５７】
［実施例３］
本発明の実施例３としての光学増幅装置は、図６のブロック図に示すように、多重モード・ファイバー増幅システムである。実施例３のシステムおいては、増幅器の出力パルスを圧縮するため拡張されたスペクトルが得られるように、高出力光パルスをドープされない（あるいは増幅する）ＭＭファイバー中を伝播（または増幅）させることが出来る。非線形パルス圧縮を応用するため、正の（ソリトンを保持しない）あるいは負の（ソリトンを保持する）分散が利用される。かなりの量の自己位相変調を得るため、多重モードファイバー６０における強度レベルは上げられる。光ファイバーにおける分散と自己位相変調が、光パルスのスペクトラムを広げ、パルス圧縮をするために用いられる。
【００５８】
ＭＭファイバー６０がソリトンを保持するとき、高次のソリトンを圧縮することは、ＭＭファイバー６０から、直接、短いパルスを得るために使われる。一般に正の分散の場合（ソリトンを保持しない）、スペクトル的に広がった光パルスを圧縮するために、付加的な線形あるいは非線形な圧縮されたパルス成分を使わなければならない。この場合、従来の線形パルス圧縮器６２（プリズム、格子、グリスムあるいはＳＭチャープ・ファイバー・ブラッグ格子のような）は、光学増幅装置の出力端で使われる。チャープし周期的な極性を持った二重結晶が、圧縮され周波数が二倍になったパルスを得るために使われる。同様にチャープ・ファイバー格子は、このような構造が線形パルス圧縮器６２に適用されたとき、その非線形性を縮小するために、縮小されたモード結合をもつＭＭ光ファイバー６０に書き込まれる。反射の高次モードの励起を除くためには、ブラッグ格子はブレーズされていてはならない。
【００５９】
［実施例４］
図７は、本発明の実施例４としての光学増幅装置の構成を模式的に示したものである。図７に示すように、モード・フィルタ７０は、システム（光学増幅装置）の回折限界の出力を確実にするために、空洞鏡Ｍ１，Ｍ２の一つの前に挿入されている。モード・フィルター７０は、適切にモード整合された光学系とつながった標準的なＳＭファイバーから成っている。替わりに、先細りファイバーをモード整合のために（上記の検討のように）使う事が出来る。最適のモード整合のために、レーザーの効率は全てのＳＭレーザーと略同程度である。しかし、ＭＭ増幅器７６を使えば設計の余裕度が増す。異なったコア・クラッディング比を持った二重クラッドのエルビウム／イッテルビウム・ファイバーを、何処にでも適当に利用する事が出来る。
【００６０】
［実施例５］
本発明の実施例５としての光学増幅装置では、図８に示すように、ＭＭファイバーを使うことにより、小さい吸収断面積の二重クラッド・ファイバーを設計する事が出来る。例えば、二重クラッドＥｒドープ増幅ファイバーはＭＭファイバーから構成することが出来る。ＳＭファイバーを遮光している間に、大面積のダイオード・レーザーからのポンプ光を吸収するためには、大きなクラッディング／コア比を用いなければならないので、典型的なＥｒドープ二重クラッド・ファイバーは、比較的効果が薄い。通常、このような設計では、クラッディングの直径がΦｃｌ＝１００μｍ、コアの直径がΦｃｏ＝１０μｍになる。この構造での有効な吸収量は単一モードＥｒドープ・ファイバーの吸収量の１００分の１（＝Φｃｌ／Φｃｏ）２である。しかし、ＭＭＥｒドープ・ファイバーを装備する事により、コアの大きさを著しく大きくでき、クラッディング／コアの比は小さくなり、増幅器長さもより短くなる。このことは高出力レーザーを設計するには非常に有益である。
【００６１】
勿論、高出力Ｅｒ二重クラッドレーザーを設計するために、クラッディングの直径を１００μｍより大きくすることができる。ドープされたＭＭファイバー・コアとドープされないファイバー・クラッディングとを用いたファイバー断面の概念図は、図８に示す通りである。図８に示すように、ドーパント・プロファイルにより明らかなように、活性ドーパントは断面に閉じ込められている。これは屈折率プロファイルにより定義されるように、ファイバー・コアより本質的に小さい。勿論、このようなレーザー・システムにおいて、ドーパントの局在は増幅器長を長くするので、ドーパントの局在はあまりない方が有益である。
【００６２】
［実施例６］
本発明の実施例６としての光学増幅装置では、図９に示すように、ファイバー再生増幅器はＭＭファイバー増幅器９０から構成されている。再生増幅器は、ＭＭファイバー増幅器からｍＪのエネルギーを得るのに利用できる。ＭＭファイバー増幅器の限られた利得のために、ｍＪのエネルギーを引き出すには増幅器を通る幾つかの経路が必要である。このことは再生増幅器を使うことにより容易になる。図９に示すように、高速な光学スイッチ（ＯＳ）９２は再生増幅器の入力パルス、出力パルスの切り替えに使われる。モード・フィルター９４は、ファイバー・モードを“清浄”にするために、増幅過程に抱合させる事が出来る。モード・フィルター９４は再生増幅器におけるいずれの非線形性も最小にするための空間フィルターから構成できる。
【００６３】
種パルスは、要求される繰り返し率を持った光学スイッチ９２によって動作する発振器９６から選択できる。ファラデー回転子９８および偏向ビーム分別器９９は、システムからの増幅されたパルス出力と種パルスとを結合するために用いられる。増幅器の連続波かパルス状のポンピングかが利用できる。
【００６４】
［実施例７］
本発明の実施例７としての光学増幅装置では、図１０に示すように、ＭＭ−Ｑスイッチのあるファイバー・レーザー源が構成されている。ＭＭファイバーを有する事により大きな断面積が可能になるので、単一モード・ファイバーに比較してエネルギー蓄積量が増加する。この結果、高強度のＱスイッチされたパルスを直接このようなシステムから発生させる事が出来る。通常、これらのパルスの持続時間はナノ秒範囲にある。図１０に示すように、最適なモードの質を保証するためにモード・フィルター１００を用いる事が出来る。光学スイッチ１０２は、出力の結合のために用いられ、これはまた、二つの鏡Ｍ１，Ｍ２とＭＭファイバー１０４とによって限定される空洞の損失（Ｑ）を変調するためにも役に立つ。半透過鏡Ｍ２は出力を引き出す事にも使うことが出来る。
【００６５】
［実施例８］
本発明の実施例８としての光学増幅装置では、図１１に示すように、ＭＭ増幅ファイバー１１２を十分に飽和させ、ＭＭ増幅ファイバー１１２におけるＡＳＥのレベルを減少させるために、ＭＭ増幅ファイバー１１２の前方に前置増幅器１１０が組み込まれている。前置増幅器は、ＳＭともＭＭともすることができ、ＡＳＥの成長を最小にするためには、前置増幅ファイバー１１０のコア直径を最終のＭＭ増幅ファイバー・コアの直径より小さく選ぶことが有用である。一つのアイソレータ（図示せず）をレーザー源と前置増幅器との間に挿入することができ、ＡＳＥを更に減少させるために、他のアイソレーターを前置増幅器１１０と最終のＭＭ増幅ファイバー１１２の間に挿入することができる。同様にＡＳＥを減少させるため、狭いバンドの光フィルター（図示せず）をシステムの任意のところに挿入することができる。また、ＡＳＥの総量を減少させるために、光学スイッチ（図示せず）をレーザー源と前置増幅器１１０および最終増幅器１１２の間に用いることができる。
【００６６】
一つ以上の前置増幅器をこのシステムに使うことができる。ここでは、システムで発生するＡＳＥの総量を最小にするために、アイソレーターと光フィルターと光学スイッチを使うことができる。さらに、前置増幅器と最終ＭＭ増幅器とにおける非線形過程をパルス圧縮のために使うことができる。
【００６７】
［実施例９］
本発明の実施例９としての光学増幅装置では、図１２に示すように、増幅された出力ビームの周波数を変換するために、ＭＭ増幅ファイバー１２２の下流に周波数変換器１２０が置かれている。周波数変換器としては、出力ビームの周波数を２倍にする周期的なあるいは非周期的な極性を持つＬｉＮｂＯ３結晶のような非線形結晶を使うことができる。
【００６８】
［付記］
以上、幾つかの実施例を図示しこれについて説明をしたが、当業者によれば、本発明の思想および視点を離れずにこれらの技術の修正や変形が可能であることが認識できる。そして、本明細書の冒頭にある請求範囲によって発明を定義することにしたい。
【符号の説明】
【００６９】
１０：単一モード（ＳＭ）ファイバー発振器
１２：多重モード（ＭＭ）ファイバー発振器、ＭＭ増幅ファイバー
１４：望遠鏡（テレスコープ）
１６：モード・フィルター（ＭＦ）ファイバー
１８：ビーム分離器（ビーム・スプリッター）
２０：ポンプ源
５０：モード変換器  ５２：ＭＭファイバー増幅器
６０：多重モードファイバー  ６２：線形パルス圧縮機
７０：モード・フィルター  ７６：ＭＭ増幅器
９０：ＭＭファイバー増幅器  ９２：光学スイッチ（ＯＳ）
９４：モード・フィルター  ９４：空間フィルター
９６：発振器  ９８：ファラデー回転子
９９：偏光ビームスプリッター
１００：モード・フィルター  １０２：光学スイッチ
１０４：ＭＭファイバー
１１０：前置増幅器、前置増幅ファイバー  １１２：ＭＭ増幅ファイバー
１２０：周波数変換器  １２２：ＭＭ増幅ファイバー
Ｌ１〜Ｌ５：レンズ  Ｍ１，Ｍ２：空洞鏡（キャビティー・ミラー）
Ｍ１：二色鏡（ダイクロイックミラー）  Ｍ２：半透過鏡
【図１】
2011055016.tif 000004
【図２】
2011055016.tif 000005
【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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【図８】
2011055016.tif 000011
【図９】
2011055016.tif 000012
【図１０】
2011055016.tif 000013
【図１１】
2011055016.tif 000014
【図１２】
2011055016.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月14日(2011.1.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重モード・ファイバー増幅器と、
該多重モード・ファイバー増幅器の基本モードに整合するような入力ビームを該多重モード・ファイバー増幅器に入力するビーム源、
該多重モード・ファイバー増幅器に結合され、該多重モード・ファイバー増幅器を光学的にポンピングするポンプ源とからなり、
該多重モード・ファイバー増幅器は、本質的に基本モードからなる１ｋｗ／（増幅器の長さ）以上のピーク強度を持つパルスのビームを生成して出力するものである光学増幅装置。
【請求項２】
該ビーム源は、回析限界に近いビームを発生する発振器及び該回析限界に近いビームを該多重モード・ファイバーの基本モードに整合させるモードコンバータとからなる請求項１に記載の光学増幅装置。
【請求項３】
該多重モード・ファイバー増幅器は、エルビウム／イッテルビウムドープ・ファイバーからなる請求項１に記載の光学増幅装置。
【請求項４】
該多重モード・ファイバー増幅器は、波長１．５５μｍで２×１０−５（ｍ−１）より小さいモード結合係数を有する請求項１に記載の光学増幅装置。