(57)【要約】【課題】誘導ラマン散乱によるラマン光の発生、あるいは２次ストークス光の増幅を抑え、増幅目的である信号光のパワーを効率よく増幅できるファイバレーザ装置を提供する。【解決手段】希土類添加ファイバを共振器または増幅器の光増幅媒体として用いたファイバレーザ装置において、希土類添加ファイバは、コアに希土類元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバである。また、このフォトニックバンドギャップファイバの透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、誘導ラマン散乱によって発生する１次のストークス光の波長の透過損失が、ファイバレーザ装置より出力される光の波長の透過損失に対して大きくなっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類添加ファイバを共振器または増幅器の光増幅媒体として用いたファイバレーザ装置において、
前記希土類添加ファイバは、コアに希土類元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバであり、
前記ファイバにおいて、
ファイバレーザ装置より出力される光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、前記ファイバレーザ装置において誘導ラマン散乱によって発生する１次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失に対して小さくなっていることを特徴とするファイバレーザ装置。
【請求項２】
希土類添加ファイバを共振器または増幅器の光増幅媒体として用いたファイバレーザ装置において、
前記希土類添加ファイバは、コアに希土類元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバであり、
前記ファイバにおいて、
ファイバレーザ装置より出力される１次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、前記ファイバレーザ装置において誘導ラマン散乱によって発生する２次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失に対して小さくなっていることを特徴とするファイバレーザ装置。
【請求項３】
ファイバレーザ装置より出力される光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、前記ファイバレーザ装置において誘導ラマン散乱によって発生する１次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失に対して１０ｄＢ／ｍ以上小さいことを特徴とする、請求項１に記載のファイバレーザ装置。
【請求項４】
ファイバレーザ装置より出力される１次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、前記ファイバレーザ装置において誘導ラマン散乱によって発生する２次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失に対して１０ｄＢ／ｍ以上小さいことを特徴とする、請求項２に記載のファイバレーザ装置。
【請求項５】
前記希土類添加ファイバの、１次のストークス光の波長における単位長さ当たりの損失が単位長さ当たりの利得よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のファイバレーザ装置。
【請求項６】
前記希土類添加ファイバの、２次のストークス光の波長における単位長さ当たりの損失が単位長さ当たりの利得よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載のファイバレーザ装置。
【請求項７】
前記希土類添加ファイバは、異なる波長の信号光に対して所望の遮断波長が得られるように、このファイバの曲げ径を適宜変えた遮断波長調整部を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のファイバレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力パルス発振が可能なファイバレーザ装置に関し、特に、誘導ラマン散乱光の発生によるファイバレーザ出力の効率低下を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信において、誘導ラマン散乱が発生すると、波長多重通信における雑音となり、また、励起光のエネルギーを減少させてしまうという問題が生じる。これまでにも誘導ラマン散乱を抑圧する方法として、例えば、特許文献１〜３、非特許文献１〜２に開示された技術が提案されている。
【特許文献１】特開昭６１−１０７３２５号公報
【特許文献２】特開昭６２−１９６６２９号公報
【特許文献３】特開２００２−６３４８号公報
【非特許文献１】M. E. Fermann, “Single mode excitation of multimode fiber amplifier”, Optics letters, 23(1), 52-54, 1998
【非特許文献２】J. P. Koplow, “Single-mode operarion of coiled multimode fiber amplifier”, Optics letters, 25(7), 424-444, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、希土類ドープファイバを用いたファイバレーザが実用化され、注目を集めている。ファイバレーザの出力は、高パワーレーザのニーズに対応するために、益々大きくなってきている。
しかし、ファイバレーザにおいて、光のパワーが大きくなると、非線形効果による影響も大きくなる。パルス型ファイバレーザの場合、伝播する光のパワーは、平均で１０Ｗ以上、ピークで１０ｋＷ以上と、光通信で用いる光パワーと比べ桁違いに大きなパワーを用いるため、誘導ラマン散乱に対しても、従来の対策では不十分であり、新たな対策が必要となっている。
【０００４】
ファイバレーザ内で誘導ラマン散乱により生じたラマン光は、励起光のエネルギーを吸収し、増幅される。これによって、本来増幅すべき光のパワーを大きくすることができないという問題がある。
そこで、できる限り誘導ラマン散乱によるラマン光を発生させないこと、発生した場合でも光ファイバ中を伝播しにくくすることが重要となる。
【０００５】
誘導ラマン散乱により生じる光の波長は、本来増幅され、出力されるべき光の波長に比べて長くなる。一般に光ファイバの伝送損失は、近赤外領域では長波長側ほど低い。そのため、特に長波長側では、誘導ラマン光の発生がしやすく、かつその光が伝播しやすいという問題がある。
また、光ファイバを曲げることにより、長波長側の損失を増加させる方法も考えられるが、この場合、誘導ラマン散乱により発生するラマン光の波長は、信号光の波長とあまり離れていないため、信号光まで減衰してしまう問題がある。
【０００６】
また、特許文献１〜３、非特許文献１〜２に開示された従来技術には、次のような問題がある。
特許文献１に開示された従来技術は、標準的な光ファイバに比べ構造が複雑であり、光損失が大きくなりやすい。さらに、出力の大きなファイバレーザでは、光損失が大きな発熱につながるという問題がある。
特許文献２に開示された従来技術は、ある程度長い距離、光を伝播させる場合を想定しているが、ファイバレーザのような強い光の場合、２０ｍ程度の距離で誘導ラマン散乱が発生するため、対応できない。
特許文献３に開示された従来技術は、途中にフィルタを使用するため、損失が大きく、また、ファイバレーザのような高いパワーの光では損傷の可能性が高い。
さらに、従来技術における全般的な問題として、フィルタ部分が決まると、遮断波長が決まってしまい、信号光源や増幅ファイバの特性を少々変えた、あるいは製造ばらつきにより変わってしまった場合には、フィルタを変えないと対応できない点が挙げられる。
【０００７】
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、誘導ラマン散乱によるラマン光の発生、あるいは２次ストークス光の増幅を抑え、増幅目的である信号光のパワーを効率よく増幅できるファイバレーザ装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明は、希土類添加ファイバを共振器または増幅器の光増幅媒体として用いたファイバレーザ装置において、前記希土類添加ファイバは、コアに希土類元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバであり、前記ファイバにおいて、ファイバレーザ装置より出力される光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、前記ファイバレーザ装置において誘導ラマン散乱によって発生する１次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失に対して小さくなっているファイバレーザ装置を提供する。
【０００９】
また本発明は、希土類添加ファイバを共振器または増幅器の光増幅媒体として用いたファイバレーザ装置において、前記希土類添加ファイバは、コアに希土類元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバであり、前記ファイバにおいて、ファイバレーザ装置より出力される１次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、前記ファイバレーザ装置において誘導ラマン散乱によって発生する２次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失に対して小さくなっていることを特徴とするファイバレーザ装置を提供する。
【００１０】
本発明のファイバレーザ装置において、ファイバレーザ装置より出力される光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、前記ファイバレーザ装置において誘導ラマン散乱によって発生する１次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失に対して１０ｄＢ／ｍ以上小さいことが望ましい。
【００１１】
本発明のファイバレーザ装置において、ファイバレーザ装置より出力される１次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、前記ファイバレーザ装置において誘導ラマン散乱によって発生する２次のストークス光の波長における透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失に対して１０ｄＢ／ｍ以上小さいことが望ましい。
【００１２】
本発明のファイバレーザ装置において、前記希土類添加ファイバの、１次のストークス光の波長における単位長さ当たりの損失が単位長さ当たりの利得よりも大きいことが好ましい。
【００１３】
本発明のファイバレーザ装置において、前記希土類添加ファイバの、２次のストークス光の波長における単位長さ当たりの損失が単位長さ当たりの利得よりも大きいことが好ましい。
【００１４】
本発明のファイバレーザ装置において、前記希土類添加ファイバは、異なる波長の信号光に対して所望の遮断波長が得られるように、このファイバの曲げ径を適宜変えた遮断波長調整部を有していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のファイバレーザ装置は、コアに希土類元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバを共振器または増幅器の光増幅媒体として用いている。そして、このフォトニックバンドギャップファイバは、誘導ラマン散乱によって発生する１次のストークス光の波長の透過損失が、ファイバレーザ装置より出力される光の波長の透過損失に対して大きいか、または誘導ラマン散乱によって発生する２次のストークス光の波長の透過損失が、ファイバレーザ装置より出力される１次のストークス光の波長の透過損失に対して大きい伝送特性を有している。その結果、誘導ラマン散乱によるラマン光の発生、あるいは２次ストークス光の増幅を抑え、増幅目的である信号光のパワーを効率よく増幅することができる。
また、フォトニックバンドギャップファイバの曲げ径を適宜変更することで、遮断波長を容易に変えることができる。その結果、信号光源やフォトニックバンドギャップファイバの増幅特性が多少変化し、遮断すべき波長がずれたとしても、容易に対応することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明のファイバレーザ装置の実施形態を説明する。
本発明のファイバレーザ装置は、コアに希土類元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバを共振器または増幅器の光増幅媒体として用いている。そして、このフォトニックバンドギャップファイバは、誘導ラマン散乱によって発生する１次のストークス光の波長の透過損失が、ファイバレーザ装置より出力される光の波長の透過損失に対して大きいか、または誘導ラマン散乱によって発生する２次のストークス光の波長の透過損失が、ファイバレーザ装置より出力される１次のストークス光の波長の透過損失に対して大きい伝送特性を有している。
【００１７】
本発明のファイバレーザ装置に用いるフォトニックバンドギャップファイバとしては、三角格子構造、ハニカム構造、同心円構造などのフォトニックバンドギャップファイバが挙げられる。
また、このフォトニックバンドギャップファイバの好適なパラメータとしては、フォトニックバンドギャップの層数が２〜１０層程度、コア直径が２０〜３０μｍ程度、クラッドに対する高屈折率部の比屈折率差が０．５％以上、クラッドに対するコアの比屈折率差−０．２〜０．２％程度が好適である。
【００１８】
図１は、本発明のファイバレーザ装置において、光増幅媒体として用いるフォトニックバンドギャップファイバの一例を示す図であり、（ａ）はフォトニックバンドギャップファイバ１０の概略断面図、（ｂ）はそのフォトニックバンドギャップ部の拡大図である。
このフォトニックバンドギャップファイバ１０は、希土類元素、例えば、イッテルビウム、エルビウム、ツリウムなどの１種又は２種以上が添加された石英ガラスからなるコア１１と、このコア１１を囲む純粋石英ガラスからなる第１クラッド１３と、この第１クラッド１３のコア側領域に、１層又は複数層の間隔をおいてコア１１を囲む、断面小円形の多数の高屈折率部１２が三角格子状に複数層に配置されたフォトニックバンドギャップ部と、第１クラッド１３を囲む、フッ素系紫外線硬化型樹脂などの低屈折率ポリマーからなる第２クラッド１４とから構成されている。このフォトニックバンドギャップ部は、図１（ｂ）に示すように、直径ｄの多数の高屈折率部１２が一定のピッチΛで三角格子状に配置された構造になっている。
【００１９】
図２は、このフォトニックバンドギャップファイバ１０の透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失波長特性の一例を示すグラフである。図２に示すように、本例のフォトニックバンドギャップファイバ１０は、波長１０９０ｎｍ付近より長波長になると、急激に損失が増加する。前述した通り、誘導ラマン散乱により生じる光の波長は、本来増幅され、出力されるべき光の波長に比べて長くなるので、本来増幅されて出力される信号光の波長を１０９０ｎｍかそれ以下とすれば、誘導ラマン散乱により生じる光（１次又は２次ストークス光）は、このフォトニックバンドギャップファイバ１０を伝播せず、遮断できることになる。
ここで、損失が急激に増加する波長は、フォトニックバンドギャップファイバの高屈折率部の比屈折率差、直径、ピッチ等を適宜変えることで変化させることができる。そのため、出力されるべき光の波長が変わった場合でも、フォトニックバンドギャップファイバの設計を変えることで対応できる。
【００２０】
図４は、本発明のファイバレーザ装置の一例を示す構成図である。本例のファイバレーザ装置は、パルス光発生部３１と、レーザダイオード（ＬＤ）などの複数の励起光源３２（以下、励起ＬＤと記す）と、これらのパルス光発生部３１からのパルス光（信号光）及び励起ＬＤ３２からの励起光を増幅用ファイバ３４に入射させるマルチポートコンバイナ３３と、コアに希土類元素が添加され図１に示す断面構造を有するフォトニックバンドギャップファイバからなる増幅用ファイバ３４と、この増幅用ファイバ３４の出力側に設けられた出力部３５とからなっている。
【００２１】
本例のファイバレーザ装置において、マルチポートコンバイナ３３は、パルス光発生部３１からのパルス光を増幅用ファイバ３４のコアに、励起ＬＤ３２からの励起光を増幅用ファイバ３４の第１クラッドにそれぞれ入射するように結合されている。このマルチポートコンバイナ３３を通して増幅用ファイバ３４に入射された励起光は、増幅用ファイバ３４内を伝播しながら、コアに添加された希土類イオンを励起し、励起された希土類イオンによりコアに入射されたパルス光が増幅され、その増幅光が出力部３５から出力される。
【００２２】
本例のファイバレーザ装置では、図１に示す構造を有し、コアに希土類元素が添加されたフォトニックバンドギャップファイバを増幅用ファイバ３４として用い、この増幅用ファイバ３４は、誘導ラマン散乱によって発生する１次のストークス光の波長の透過損失が、ファイバレーザ装置より出力される光の波長の透過損失に対して大きいか、または誘導ラマン散乱によって発生する２次のストークス光の波長の透過損失が、ファイバレーザ装置より出力される１次のストークス光の波長の透過損失に対して大きい伝送特性を有している。そのため、誘導ラマン散乱によるラマン光の発生、あるいは２次ストークス光の増幅を抑え、増幅目的である信号光のパワーを効率よく増幅することができる。
【００２３】
さらに、図１に示すような構造のフォトニックバンドギャップファイバを用いることによって、フォトニックバンドギャップファイバの曲げ径を適宜変更することで、遮断波長を容易に変えることができる。
図３は、図１に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバ１０に所定の曲げ径（φ１８０ｍｍ×１ターンとφ６０ｍｍ×３ターン）で曲げを付与した場合の、透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失波長特性の変化を例示するグラフである。図３に示すように、フォトニックバンドギャップファイバ１０に加える曲げ径及びターン数を変更することで、通常のファイバに曲げを加えた場合のようにベースラインの損失を変えることなく、フィルタとして機能する波長を２０ｎｍ程度は容易に変えることができる。そのため、信号光源や、希土類ファイバの増幅特性が多少変化し、遮断すべき波長がずれたとしても、容易に対応することが可能である。
なお、「フォトニックバンドギャップファイバの透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失」とは、「フォトニックバンドギャップファイバのコアに希土類元素を添加しないときの透過損失」に相当する。従って、本発明において、「フォトニックバンドギャップファイバの透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失」とは、「フォトニックバンドギャップファイバのコアに希土類元素を添加しないときの透過損失」に換言することができる。
【実施例】
【００２４】
（実施例１及び比較例１）
図４に示した構成で、増幅用光ファイバ３４として図１に示す構造のフォトニックバンドギャップファイバ１０を用いた本発明のファイバレーザ装置（実施例１）と、増幅用ファイバ３４として通常の希土類添加ファイバを用いたファイバレーザ装置（比較例１）とを作製し、両方の装置の出力の比較を行った。
実施例１、及び比較例１のファイバレーザ装置において、ファイバレーザ装置より出力される光の波長は１０６５ｎｍであり、誘導ラマン散乱によって発生する１次のストークス光の波長は１１２０ｎｍである。
【００２５】
実施例１で用いたフォトニックバンドギャップファイバ１０は、イッテルビウムを１００００質量ｐｐｍ添加した石英ガラスからなる、直径２０μｍのコア１１と、純粋石英ガラスからなる、外径４００μｍの第１クラッド１３と、第１クラッド１３のコア近傍部に多数の高屈折率部１２が三角格子状に４層配置されたフォトニックバンドギャップ部と、第１クラッド１３を囲むフッ素系紫外線硬化型樹脂からなる第２クラッド１４とからなる。また、第２クラッド外径は５００μｍである。第１クラッド１２に対するコア１１の比屈折率差は０％、高屈折率部１２の比屈折率差は１．６％、第２クラッド１４の比屈折率差は−５％とした。また、フォトニックバンドギャップ部では、図１（ｂ）示す高屈折率部１２のピッチΛを８．５μｍ、高屈折率部１２の直径ｄを１．７μｍとした。
このファイバの  波長１０６５ｎｍにおける透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は０．０１ｄＢ／ｍであり、波長１１２０ｎｍにおける透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、１０．６ｄＢ／ｍであった。
【００２６】
比較例１で用いた希土類添加ファイバは、フォトニックバンドギャップ部を設けておらず、イッテルビウムを１００００質量ｐｐｍ添加した石英ガラスからなる、直径２０μｍのコアと、純粋石英ガラスからなる、外径４００μｍの第１クラッドと、第１クラッドを囲むフッ素系紫外線硬化型樹脂からなる第２クラッドとからなる。また、第２クラッド外径は５００μｍである。第１クラッドに対するコアの比屈折率差は０．１３％、第２クラッド１４の比屈折率差は−５％とした。
【００２７】
パルス光発生部３１からの光は、繰り返し周波数２０ｋＨｚ，ピーク強度５０Ｗ，パルス幅８０ｎｓ、中心波長１０６５ｎｍのパルス光とし、励起ＬＤ３２からの励起光は合計４０Ｗとした。増幅用ファイバ３４の長さはそれぞれ１５ｍとし、マルチポートコンバイナ３３から出力部３５までの長さは２５ｍとした。
【００２８】
また、実施例１で用いたフォトニックバンドギャップファイバと同様の構造であるが、コアにイッテルビウムをドープせずに製造したファイバの損失波長特性を調べた。その結果、損失波長特性は、図２に示すように、波長１０９０ｎｍ付近より長波長側で急激な損失増加を示した。
【００２９】
ファイバレーザ装置からの出力は、実施例１，比較例１とも、平均１６Ｗであった。しかし、波長スペクトルを比較すると、図５に示すように、実施例ではほとんどの光が信号光波長である１０６５ｎｍ付近であるのに対し、比較例では誘導ラマン散乱による１１２０ｎｍ付近の光も多く、増幅目的である信号光波長の光は約１／４（−６ｄＢ）となっているのが確認された。
【００３０】
（実施例２及び比較例２）
パルス幅を狭くするために、パルス発生装置からの光を１０３０ｎｍのパルス光として、増幅用ファイバ内で１次のストークス光を発生、増幅させ、１０９０ｎｍの出力光を得るファイバレーザ装置を作製した。装置の構成は図４と同じとし、増幅用ファイバとして図１に示す構造を有するフォトニックバンドギャップファイバで、図１Ｂに示す高屈折率部１２のピッチΛが８．７μｍ、高屈折率部１２の直径ｄが１．７μｍであるファイバを用いた本発明のファイバレーザ装置（実施例２）と、増幅用ファイバとして通常の希土類添加ファイバを用いたファイバレーザ装置（比較例２）とで、出力の比較を行った。
実施例２、及び比較例２のファイバレーザ装置において、ファイバレーザ装置より出力される１次ストークス光の波長は１０９０ｎｍであり、誘導ラマン散乱によって発生する２次のストークス光の波長は１１５０ｎｍである。
前記フォトニックバンドギャップファイバの  波長１０９０ｎｍにおける透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は０．０１ｄＢ／ｍであり、波長１１５０ｎｍにおける透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失は、１１．２ｄＢ／ｍであった。
【００３１】
パルス発生装置からの光は、繰り返し周波数１０ｋＨｚ，ピーク強度１８０Ｗ，パルス幅２５ｎｓ、中心波長１０３０ｎｍのパルス光とし、励起ＬＤからの励起光は合計５０Ｗとした。増幅用ファイバの長さはそれぞれ３０ｍとし、マルチポートコンバイナから出力部までの長さは６０ｍとした。増幅用ファイバにはイッテルビウムが、それぞれ同じ濃度でドープされたものを使用した。
【００３２】
ファイバレーザ装置からの出力は、実施例２，比較例２とも、平均２０Ｗであった。しかし、波長スペクトルを比較すると、実施例２ではほとんどの光が１次ストークス光波長である１０９０ｎｍ付近であるのに対し、比較例では２次ストークス光である１１５０ｎｍ付近の光も多く、増幅目的である信号光波長の光は約１／５（−７ｄＢ）となっているのが確認された。
【００３３】
（実施例３）
パルス光源として波長１０５５ｎｍの光源を使用し、同様のファイバレーザ装置を作製した。増幅用光ファイバには実施例１と同じものを使用した。
誘導ラマン散乱により発生するストークス光の波長は１１１０ｎｍとなるが、ファイバの曲げ径をφ２００ｍｍからφ８０ｍｍに変えることで、同様の効果が得られることが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のファイバレーザ装置において光増幅媒体として用いるフォトニックバンドギャップファイバの一例を示し、（ａ）はフォトニックバンドギャップファイバの概略断面図、（ｂ）はそのフォトニックバンドギャップ部の拡大図である。
【図２】図１のフォトニックバンドギャップファイバの透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失波長特性の一例を示すグラフである。
【図３】図１のフォトニックバンドギャップファイバに所定の曲げ径で曲げを付与した場合のフォトニックバンドギャップファイバの透過損失から希土類元素の吸収分を除いた損失波長特性の変化を例示するグラフである。
【図４】本発明のファイバレーザ装置の一例を示す構成図である。
【図５】実施例１及び比較例１で作製したファイバレーザ装置の出力光の波長スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０…フォトニックバンドギャップファイバ、１１…コア、１２…高屈折率部、１３…第１クラッド、１４…第２クラッド、３１…パルス光発生部、３２…励起ＬＤ、３３…マルチポートコンバイナ、３４…増幅用ファイバ、３５…出力部。
【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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