(57)【要約】【課題】信号光励起状態吸収の発生を抑え、信号光の増幅利得および増幅効率を高めることができるレーザ増幅器等を提供する。【解決手段】本発明のレーザ増幅器は、所定のエネルギー準位構造を有するエルビウムイオンが添加された増幅ファイバ（不図示）と、増幅ファイバに導入される励起光によって増幅ファイバに添加されたエルビウムイオンを励起し、レーザ上準位（４Ｓ３／２または２Ｈ１１／２）とレーザ下準位（４Ｉ９／２）との間に反転分布を形成する第１の励起手段と、増幅ファイバに導入される、第１の励起手段を構成する励起光の波長とは異なる波長を有する励起光によって、励起状態吸収下準位（４Ｉ１３／２）に存在するエルビウムイオンをレーザ上準位もしくはレーザ上準位よりも上位の準位に励起する第２の励起手段とを有している。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
増幅対象の信号光を伝搬する増幅媒体であって、基底準位と、レーザ上準位と、前記基底準位と異なるレーザ下準位とに加えて、前記レーザ上準位と前記レーザ下準位間の遷移により発生した蛍光を吸収する、励起状態吸収上準位と励起状態吸収下準位との対を有し、該励起状態吸収下準位は、前記基底準位と前記レーザ上準位との間に位置し、かつ前記基底準位と前記レーザ上準位と前記レーザ下準位とのいずれとも一致しないエネルギー準位構造を有する希土類元素イオンが添加された増幅媒体と、
前記増幅媒体に導入される励起光によって前記増幅媒体に添加された前記希土類元素イオンを励起し、前記レーザ上準位と前記レーザ下準位との間に反転分布を形成する第１の励起手段と、
前記増幅媒体に導入される、前記第１の励起手段を構成する前記励起光の波長とは異なる波長を有する励起光によって、前記励起状態吸収下準位に存在する前記希土類元素イオンを前記レーザ上準位もしくは前記レーザ上準位よりも上位の準位に励起する第２の励起手段とを有するレーザ増幅器。
【請求項２】
前記希土類元素イオンはエルビウムイオンである、請求項１に記載のレーザ増幅器。
【請求項３】
前記増幅媒体の母材はフルオロジルコン酸塩ガラスであり、前記希土類元素イオンは前記フルオロジルコン酸塩ガラスに添加されている、請求項１または２に記載のレーザ増幅器。
【請求項４】
前記増幅媒体はファイバ導波路形状に形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項５】
前記レーザ上準位は４Ｓ３／２または２Ｈ１１／２であり、前記レーザ下準位は４Ｉ９／２であり、前記励起状態吸収下準位は４Ｉ１３／２である、請求項２から４のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項６】
前記第１の励起手段を構成する励起光の波長は９６０〜９８５ｎｍであり、前記第２の励起手段を構成する励起光の波長は７８０〜７９０ｎｍである、請求項５に記載のレーザ増幅器。
【請求項７】
前記第１の励起手段を構成する励起光の波長は７９５〜８０５ｎｍであり、前記第２の励起手段を構成する励起光の波長は７８０〜７９０ｎｍである、請求項５に記載のレーザ増幅器。
【請求項８】
前記増幅媒体、前記第１の励起手段、および前記第２の励起手段によって構成される増幅ユニットを複数備え、該各増幅ユニットが直列に接続されている、請求項５から７のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項９】
前記各増幅ユニット同士の間には波長５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲の光と波長８２０ｎｍ以上８６０ｎｍ以下の範囲の光のうちの少なくとも一方の光を遮断する素子が設置されている、請求項８に記載のレーザ増幅器。
【請求項１０】
前記第１の励起手段と前記第２の励起手段に加えて、４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２遷移断面積ｓ１（ｃｍ２）と４Ｉ１３／２→４Ｓ３／２遷移断面積ｓ２（ｃｍ２）との比ｓ１／ｓ２が０．２以上２．２以下となる波長の光を前記増幅媒体に入射する手段を有する、請求項５から９のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項１１】
前記増幅媒体に添加される前記エルビウムイオンの濃度をＤ（ｐｐｍ）とし、前記増幅媒体と前記励起光との相互作用長をＬ（ｍ）とし、前記増幅媒体と前記励起光との相互作用断面積をＳ（μｍ２）とし、前記増幅媒体に入射される前記励起光の合計パワーをＰ（ｍＷ）とした場合に、Ｄ・Ｌ／（Ｓ・Ｐ）の値が１以上１０以下の範囲となるように構成されている、請求項２から１０のいずれか１項に記載のレーザ増幅器。
【請求項１２】
基底準位と、レーザ上準位と、前記基底準位と異なるレーザ下準位とに加えて、前記レーザ上準位と前記レーザ下準位間の遷移により発生した蛍光を吸収する、励起状態吸収上準位と励起状態吸収下準位との対を有し、該励起状態吸収下準位は、前記基底準位と前記レーザ上準位との間に位置し、かつ前記基底準位と前記レーザ上準位と前記レーザ下準位とのいずれとも一致しないエネルギー準位構造を有する希土類元素イオンが添加された増幅媒体と、
前記増幅媒体に導入される、単一の波長もしくは複数の波長からなる励起光によって、前記増幅媒体に添加された前記希土類元素イオンを励起し、前記レーザ上準位と前記レーザ下準位との間に反転分布を形成する第１の励起手段と、
前記増幅媒体に導入される、前記第１の励起手段を構成する前記励起光の波長とは異なる波長を有する励起光によって、前記励起状態吸収下準位に存在する前記希土類元素イオンを前記レーザ上準位もしくは前記レーザ上準位よりも上位の準位に励起する第２の励起手段とを有し、
前記増幅媒体は、母材がフルオロジルコン酸塩ガラスからなり、前記希土類元素イオンとしてエルビウムイオンを前記フルオロジルコン酸塩ガラスに含んでおり、ファイバ導波路形状に形成されている、光ファイバレーザ。
【請求項１３】
前記レーザ上準位は４Ｓ３／２または２Ｈ１１／２であり、前記レーザ下準位は４Ｉ９／２であり、前記励起状態吸収下準位は４Ｉ１３／２である、請求項１２に記載の光ファイバレーザ。
【請求項１４】
前記第１の励起手段を構成する励起光の波長は９６０〜９８５ｎｍであり、前記第２の励起手段を構成する励起光の波長は７８０〜７９０ｎｍである、請求項１３に記載の光ファイバレーザ。
【請求項１５】
前記第１の励起手段を構成する励起光の波長は７９５〜８０５ｎｍであり、前記第２の励起手段を構成する励起光の波長は７８０〜７９０ｎｍである、請求項１３に記載の光ファイバレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光を増幅するレーザ増幅器等に関し、特に、増幅媒体中を伝搬するレーザ光を高利得で増幅するレーザ増幅器等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、大容量の光通信を行うにあたって波長多重伝送技術が重要な技術になっている。現在の光通信では、光信号の伝搬媒体として、石英系ガラスからなる光ファイバが広く用いられている。現在では、石英系ガラスファイバの低損失帯域（波長１４５０ｎｍ〜１６５０ｎｍ）のうち、Ｅｒ３＋添加ファイバ光増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ　Ｄｏｐｅｄ　Ｆｉｂｅｒ　Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：以下、「ＥＤＦＡ」という。）により光増幅が可能である、１５３０〜１５６０ｎｍ帯（Ｃ−Ｂａｎｄ）、１５７０〜１６１０ｎｍ帯（Ｌ−Ｂａｎｄ）の光が光通信に利用されている。将来における総伝送容量の増大に対応するためには伝送帯域の拡大が期待されており、特に、Ｃ−Ｂａｎｄ、Ｌ−Ｂａｎｄに次ぐ低損失帯域である１６５０ｎｍ帯の伝送帯域が注目されている。
【０００３】
しかし、既存のＥＤＦＡは、増幅帯域が長波側で１６１０ｎｍ程度に限られている。これは、Ｅｒ３＋イオンの４Ｉ１３／２→４Ｉ１５／２の誘導放出遷移（図１中の符号ｇを参照）により増幅を行っている既存のＥＤＦＡにおいて、波長１６１０ｎｍ以上の信号光に、４Ｉ１３／２準位のイオンにより吸収される信号光励起状態吸収（Ｓｉｇｎａｌ　Ｅｘｃｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　（Ｓｉｇｎａｌ　ＥＳＡ）：以下、「信号光ＥＳＡ」という。図１中の符号ｆを参照）が発生し、利得が減少するからである。このことは、増幅に関与するレーザ上準位と信号光ＥＳＡの下準位とが同一であるために避けられない。
【０００４】
一方、１６５０ｎｍ帯の光増幅器として、以下に挙げるようないくつかの報告例がある。しかしながら、効率や利得、ファイバ作製の容易さ、信頼性等の点で、実用可能な光増幅器は報告されていない。
【０００５】
１６５０ｎｍ帯の光増幅器の一報告例としては、「アイ・イー・イー・イー、フォトニクス・テクノロジー・レターズ、第８巻第３号、３４９−３５１頁（１９９６年）」に記載された、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）添加フッ化物ガラスファイバ増幅器がある。この報告例では、本来、３Ｆ４→３Ｈ６誘導放出遷移のもつ波長１．８５μｍ近辺のピーク部分を、クラッド部分に添加したテルビウム（Ｔｂ）により吸収させることで、この遷移の短波側の裾野である１６５０ｎｍ帯における誘導放出のみを残し、２５ｄＢ以上の利得を波長１６５０〜１６７０ｎｍにおいて達成している。この技術に関しては、特開平８−１５２５３１号公報により詳しく記載されている。
【０００６】
上記の文献に記載された光増幅器は、その構成が未最適であることを考慮しても、増幅効率は０．２２％と低い。さらに、上記の文献では、雑音指数については報告がなされていない。また、上記文献の光増幅器は、クラッドに余分な添加物（Ｔｂ）を導入すること、発光エネルギーの大部分がＴｂイオンに吸収されて失われることなどから、総合的な光／光変換効率は従来のＥＤＦＡに比べて非常に低いと考えられ、原理実証を行ったレベルに留まっている。
【０００７】
また、「アイ・イー・イー・イー、フォトニクス・テクノロジー・レターズ、第２巻第６号、４２２−４２４頁（１９９０年）」には、ツリウムを添加した石英ガラスファイバにおいて、利得２ｄＢを波長１．６９μｍにおいて実現した例が記載されている。しかし、この程度の利得では、実際の通信システムにおける中継増幅器の要求性能を満たすにはほど遠い。
【０００８】
その他、プラセオジム（Ｐｒ）を添加したカルコゲナイトガラスにおける１６５０ｎｍ帯増幅シミュレーション（欧州光通信国際会議、ＥＣＯＣ２０００、ポストデットドライン論文ＰＤ−１）や、ラマン増幅（２０００年電子情報通信学会　通信ソサイエティ学会論文番号Ｂ−１０−１１４）を用いたものも提案されているが、未だ実用的な増幅器は開発されていない。
【０００９】
一方、「アイ・イー・イー、エレクトロニクス・レターズ、第２６巻第１０号６４９−６５１頁（１９９０年）」によると、フッ化物ガラス中のエルビウムイオンの２Ｈ１１／２→４Ｉ９／２遷移、あるいは４Ｓ３／２→４Ｉ９／２遷移による発光スペクトルが、図１６の蛍光スペクトルに示すように、１６２０〜１７２０ｎｍに広がるスペクトルを有することが知られている。なお、（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）の２つの準位は、エネルギー差が約８３０ｃｍ−１であり、常温の熱エネルギー（２１０ｃｍ−１）により熱的に強く結合していると考えられている。以下では、４Ｓ３／２と２Ｈ１１／２を結合した１つの準位とみなす場合、（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）と記すこととする。
【００１０】
また、４Ｓ３／２準位に励起されたエルビウムイオンの４Ｓ３／２→４Ｉ１５／２自然放出遷移確率および４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２自然放出遷移（図１中の符号ｃを参照）確率は、それぞれ、４Ｓ３／２→４Ｉ９／２自然放出遷移確率の１８倍および７倍程度と高い。このときに放出される光の波長は、それぞれ５５０ｎｍ付近、８５０ｎｍ付近である。例えば、「アイ・イー・イー・イー・エレクトロニクス・レターズ、第２７巻２０号、１７８５−１７８６頁（１９９１年）」では、８０１ｎｍ単一波長励起による、４Ｓ３／２→４Ｉ１５／２遷移の発光を利用した５４６ｎｍのレーザ発振が報告されている。さらに、「アイ・イー・イー・イー・エレクトロニクス・レターズ、第２７巻２号、１８４−１８６頁（１９９１年）」では、８０１ｎｍ単一波長励起による４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２遷移の発光を用いた８５０ｎｍ帯増幅器が報告されている。
【００１１】
さらに、「アイ・イー・イー・イー・エレクトロニクス・レターズ、第３１巻５号、３７３−３７４頁（１９９５）」によると、エルビウムイオンの４Ｉ１１／２→４Ｉ１３／２遷移による波長２．７μｍのレーザ光の研究が報告されている。この報告によれば、波長２．７μｍのレーザ光の発振と同時に、波長２．７μｍのレーザ光の発振を補助する目的で、波長１．７μｍのレーザ光の発振が行われている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
既存のＥＤＦＡは、前述のとおり、長波長側の増幅帯域が１６１０ｎｍ程度に制限される。
【００１３】
また、Ｅｒ３＋イオンの（２Ｈ１１／２，４Ｓ３／２）→４Ｉ９／２の誘導放出遷移により、１６５０ｎｍ帯の信号光の増幅を行う場合、Ｅｒ３＋イオンの４Ｉ１３／２準位（励起状態吸収下準位）の寿命が１０ｍｓと長く、イオンが停滞しやすいため、この準位のイオンを脱励起する何らかの工夫を施さないと、信号光ＥＳＡによって利得が減少する。
【００１４】
また、計算によると、（２Ｈ１１／２，４Ｓ３／２）準位に蓄えられたエネルギーのうちの５０％程度が、４Ｓ３／２→４Ｉ１５／２遷移による５５０ｎｍ帯の自然放出光や、４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２遷移による８５０ｎｍ帯の自然放出光により全方位角に放射されて失われてしまうため、増幅器の効率を低下させると考えられる。
【００１５】
さらに、ファイバ型増幅器を構成した場合、一部の自然放出光は、増幅ファイバ中を伝搬するに従って増幅される。増幅された自然放出光はＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）と呼ばれる。このようなＡＳＥは、（２Ｈ１１／２，４Ｓ３／２）→４Ｉ９／２遷移による１６５０ｎｍ帯の光増幅を阻害し、高利得が得られない原因となる。
【００１６】
本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、信号光が励起状態吸収下準位の希土類元素イオンによって吸収されるという信号光励起状態吸収の発生を抑え、信号光の増幅利得および増幅効率を高めることができるレーザ増幅器等を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、波長１６５０ｎｍ帯において高利得のレーザ増幅を得ることができるレーザ増幅器等を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のレーザ増幅器は、増幅対象の信号光を伝搬する増幅媒体であって、基底準位と、レーザ上準位と、前記基底準位と異なるレーザ下準位とに加えて、前記レーザ上準位と前記レーザ下準位間の遷移により発生した蛍光を吸収する、励起状態吸収上準位と励起状態吸収下準位との対を有し、該励起状態吸収下準位は、前記基底準位と前記レーザ上準位との間に位置し、かつ前記基底準位と前記レーザ上準位と前記レーザ下準位とのいずれとも一致しないエネルギー準位構造を有する希土類元素イオンが添加された増幅媒体と、前記増幅媒体に導入される励起光によって前記増幅媒体に添加された前記希土類元素イオンを励起し、前記レーザ上準位と前記レーザ下準位との間に反転分布を形成する第１の励起手段と、前記増幅媒体に導入される、前記第１の励起手段を構成する前記励起光の波長とは異なる波長を有する励起光によって、前記励起状態吸収下準位に存在する前記希土類元素イオンを前記レーザ上準位もしくは前記レーザ上準位よりも上位の準位に励起する第２の励起手段とを有する。
【００１９】
上記本発明のレーザ増幅器によれば、第１の励起手段によって増幅媒体に添加された希土類元素イオンが励起されてレーザ上準位とレーザ下準位との間に反転分布が形成され、第２の励起手段によって励起状態吸収下準位に存在する希土類元素イオンがレーザ上準位もしくはレーザ上準位よりも上位の準位に励起されるので、信号光が励起状態吸収下準位の希土類元素イオンによって吸収されるという信号光励起状態吸収（信号光ＥＳＡ）の発生が抑えられることから、信号光の増幅利得および増幅効率を高めることができる。
【００２０】
さらに、前記希土類元素イオンはエルビウムイオンである構成としてもよく、さらには、前記増幅媒体の母材はフルオロジルコン酸塩ガラスであり、前記希土類元素イオンは前記フルオロジルコン酸塩ガラスに添加されている構成としてもよい。加えて、前記増幅媒体はファイバ導波路形状に形成されている構成としてもよい。
【００２１】
この場合、前記レーザ上準位は４Ｓ３／２または２Ｈ１１／２であり、前記レーザ下準位は４Ｉ９／２であり、前記励起状態吸収下準位は４Ｉ１３／２であることが好ましい。
【００２２】
さらにこの場合には、前記第１の励起手段を構成する励起光の波長は９６０〜９８５ｎｍであり、前記第２の励起手段を構成する励起光の波長は７８０〜７９０ｎｍである構成とすることが好ましい。あるいは、前記第１の励起手段を構成する励起光の波長は７９５〜８０５ｎｍであり、前記第２の励起手段を構成する励起光の波長は７８０〜７９０ｎｍである構成とすることが好ましい。第１および第２の励起手段の各励起光の波長範囲をこれらのような範囲とすることにより、希土類元素イオンであるエルビウムイオンを高い効率で励起することができ、波長１６５０ｎｍ帯のレーザ光を良好に増幅することができる。
【００２３】
また、前記増幅媒体、前記第１の励起手段、および前記第２の励起手段によって構成される増幅ユニットを複数備え、該各増幅ユニットが直列に接続されている構成としてもよい。通常は、１つの励起光源から得られる励起光のパワーは有限であり、増幅媒体の長さに応じて励起光のパワーを増加させることには限界があるが、上記構成のように複数の増幅ユニットを直列に接続することにより、励起光パワーを無駄なく活用して信号光を段階的に増幅することができ、高利得化および高効率化を図ることができる。
【００２４】
加えて、前記各増幅ユニット同士の間には波長５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の範囲の光と波長８２０ｎｍ以上８６０ｎｍ以下の範囲の光のうちの少なくとも一方の光を遮断する素子が設置されている構成としてもよい。本発明により増幅しようとする波長１６５０ｎｍ帯の光は、エルビウムイオンの４Ｓ３／２→４Ｉ１５／２遷移による５５０ｎｍ帯の自然放出光や、４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２遷移による８５０ｎｍ帯の自然放出光によって、その増幅が抑制されてしまう。しかし、上記構成の素子を各増幅ユニットの間に設置することにより、上記のような自然放出光が次段の増幅媒体で過剰に増幅されることが防止されることから、レーザ増幅器の高利得化とエネルギー変換効率の高効率化を図ることが可能になる。
【００２５】
さらに、前記第１の励起手段と前記第２の励起手段に加えて、４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２遷移断面積ｓ１（ｃｍ２）と４Ｉ１３／２→４Ｓ３／２遷移断面積ｓ２（ｃｍ２）との比ｓ１／ｓ２が０．２以上２．２以下となる波長の光を前記増幅媒体に入射する手段を有する構成としてもよい。利得増強光として作用するこのような波長の光を増幅媒体に入射することにより、それを入射させない場合に比べて光／光変換効率を１．５倍以上に向上することが可能になる。
【００２６】
また、前記増幅媒体に添加される前記エルビウムイオンの濃度をＤ（ｐｐｍ）とし、前記増幅媒体と前記励起光との相互作用長をＬ（ｍ）とし、前記増幅媒体と前記励起光との相互作用断面積をＳ（μｍ２）とし、前記増幅媒体に入射される前記励起光の合計パワーをＰ（ｍＷ）とした場合に、Ｄ・Ｌ／（Ｓ・Ｐ）の値が１以上１０以下の範囲となるように構成されていることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の光ファイバレーザは、基底準位と、レーザ上準位と、前記基底準位と異なるレーザ下準位とに加えて、前記レーザ上準位と前記レーザ下準位間の遷移により発生した蛍光を吸収する、励起状態吸収上準位と励起状態吸収下準位との対を有し、該励起状態吸収下準位は、前記基底準位と前記レーザ上準位との間に位置し、かつ前記基底準位と前記レーザ上準位と前記レーザ下準位とのいずれとも一致しないエネルギー準位構造を有する希土類元素イオンが添加された増幅媒体と、前記増幅媒体に導入される励起光によって前記増幅媒体に添加された前記希土類元素イオンを励起し、前記レーザ上準位と前記レーザ下準位との間に反転分布を形成する第１の励起手段と、前記増幅媒体に導入される、前記第１の励起手段を構成する前記励起光の波長とは異なる波長を有する励起光によって、前記励起状態吸収下準位に存在する前記希土類元素イオンを前記レーザ上準位もしくは前記レーザ上準位よりも上位の準位に励起する第２の励起手段とを有し、前記増幅媒体は、母材がフルオロジルコン酸塩ガラスからなり、前記希土類元素イオンとしてエルビウムイオンを前記フルオロジルコン酸塩ガラスに含んでおり、ファイバ導波路形状に形成されている。
【００２８】
前記レーザ上準位は４Ｓ３／２または２Ｈ１１／２であり、前記レーザ下準位は４Ｉ９／２であり、前記励起状態吸収下準位は４Ｉ１３／２であることが好ましい。
【００２９】
この場合、前記第１の励起手段を構成する励起光の波長は９６０〜９８５ｎｍであり、前記第２の励起手段を構成する励起光の波長は７８０〜７９０ｎｍである構成とすることが好ましい。あるいは、前記第１の励起手段を構成する励起光の波長は７９５〜８０５ｎｍであり、前記第２の励起手段を構成する励起光の波長は７８０〜７９０ｎｍである構成とすることが好ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
（第１の実施形態）
図１は、エルビウムのエネルギー準位図であり、第１の励起手段を構成するレーザ光（励起光）による遷移（ａ，ａ’，ａ’’）、第２の励起手段を構成するレーザ光（励起光）による遷移（ｂ，ｂ’，ｂ’’）、および１６２０〜１７２０ｎｍ帯発光遷移である（４Ｓ３／２、２Ｈ１１／２）→４Ｉ９／２遷移（ｄ，ｅ）を明示している。また、図１に示すように、希土類元素イオンの１つであるエルビウムイオンは、基底準位（４Ｉ１５／２）と、レーザ上準位（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）と、基底準位と異なるレーザ下準位（４Ｉ９／２）とに加えて、レーザ上準位とレーザ下準位との間の遷移により発生した蛍光を吸収する、励起状態吸収上準位（４Ｉ９／２）と励起状態吸収下準位（４Ｉ１３／２）との対を有するエネルギー準位構造を有している。励起状態吸収下準位は、基底準位とレーザ上準位との間に位置し、かつ基底準位とレーザ上準位とレーザ下準位とのいずれとも一致しない。
【００３２】
図２は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ増幅器を示す概略構成図である。
【００３３】
図２に示すように、本実施形態のレーザ増幅器は、信号光を出射する信号光源１０と、第１の励起光源２から出射された励起光をその信号光に合波させる第１の波長多重合波器３と、その信号光に、第２の励起光源４から出射された励起光をさらに合波させる第２の波長多重合波器５と、信号光を増幅させる増幅媒体である増幅ファイバ１とを有している。信号光源１０は、出射する信号光の波長が可変である。また、信号光源１０と第１の波長多重合波器３との間と、増幅ファイバ１の出射端側には、戻り光による意図しないレーザ発振を抑制するために光アイソレータ８がそれぞれ設けられている。
【００３４】
増幅ファイバ１は、母材がフルオロジルコン酸塩ガラスからなり、エルビウムイオン（Ｅｒ３＋）が添加されており、ファイバ導波路形状に形成されている。この増幅ファイバ１は、添加されたエルビウムの濃度が２０００ｐｐｍ、コア径が４．４μｍ、長さが５．２ｍである。
【００３５】
第１の励起光源２は、第１の励起手段として、基底状態吸収、もしくは基底状態吸収と励起状態吸収により、増幅上準位の４Ｓ３／２、２Ｈ１１／２かそれ以上の準位の４Ｆ７／２にエルビウムイオン（以下、単に「イオン」という。）を励起し、（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）と４Ｉ９／２間に反転分布を形成できる波長を有するレーザ光を出射することができる。このような波長を有するレーザ光としては、例えば、５３０ｎｍ帯（５１０〜５５０ｎｍ）、８００ｎｍ帯（７８０〜８１０ｎｍ）、および９７０ｎｍ帯（９６０〜９８５ｎｍ）の波長のレーザ光を利用することが可能である。これらの帯域のレーザ光により、図１のａ（５３０ｎｍ帯励起光），ａ’（９７０ｎｍ帯励起光），ａ’’（８００ｎｍ帯励起光）に示す遷移を経て、レーザ上準位の（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）とレーザ下準位の４Ｉ９／２との間に反転分布を形成する（ａ’’を示す波線矢印は、多フォノン緩和による遷移を表している）。
【００３６】
一方、第２の励起光源４は、第２の励起手段として、４Ｉ１３／２準位のイオンを、４Ｓ３／２準位かそれ以上の準位に励起する波長を有するレーザ光を出射することができる。このような波長を有するレーザ光としては、例えば、７２０ｎｍ帯（７１０〜７３０ｎｍ）、８００ｎｍ帯（７８０〜８１０ｎｍ）、および８５０ｎｍ帯（８３０〜８７０ｎｍ）の波長のレーザ光が利用可能である。これらの帯域のレーザ光は、それぞれ図１のｂ（８５０ｎｍ帯励起光），ｂ’（８００ｎｍ帯励起光），ｂ’’（７２０ｎｍ帯励起光）に示す遷移により、４Ｉ１３／２準位のイオンを、それぞれ４Ｓ３／２準位、２Ｈ１１／２準位、４Ｆ７／２準位に励起する。
【００３７】
本実施の形態では、第１の励起手段の波長として、５３０ｎｍ帯（５１０〜５５０ｎｍ）、８００ｎｍ帯（７８０〜８１０ｎｍ）、９７０ｎｍ帯（９６０〜９８５ｎｍ）の何れか一つを、第２の励起手段の波長として７２０ｎｍ帯（７１０〜７３０ｎｍ）、８００ｎｍ帯（７８０〜８１０ｎｍ）、８５０ｎｍ帯（８３０〜８７０ｎｍ）の何れか一つを選択した波長の組み合わせが考えられる。
【００３８】
次に、第１の励起手段、第２の励起手段で用いる好ましい波長について以下に説明する。
【００３９】
図１に示すように、第１の励起光源に用いる波長によって基底準位（４Ｉ１５／２）からレーザ上準位（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）までイオンが遷移する経路が異なっている。５３０ｎｍ帯の励起光に励起される場合には図１中のａの経路を辿って遷移し、９７０ｎｍ帯の励起光に励起される場合には図１中のａ’の経路を辿って遷移し、８００ｎｍ帯の励起光に励起される場合には図１中のａ’’の経路を辿って遷移する。
【００４０】
経路ａ’の場合は、基底準位（４Ｉ１５／２）のイオンは９７０ｎｍ帯の励起光の２つの光子を吸収して、レーザ上準位（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）へ励起される。このとき、基底準位とレーザ上準位との間のエネルギー差は９７０ｎｍ帯の励起光の光子２つのエネルギーとほぼ等しく、イオンはエネルギー損失をほとんど伴わずに励起される。
【００４１】
一方、経路ａ’’の場合においても同様に、基底準位（４Ｉ１５／２）のイオンは、８００ｎｍ帯の励起光の２つの光子を吸収してレーザ上準位（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）まで励起される。ただし、経路ａ’’の場合には、基底準位（４Ｉ１５／２）のイオンは、１つの光子を吸収してレーザ下準位（４Ｉ９／２）に励起された後、一旦、多フォノン緩和によって励起状態吸収下準位（４Ｉ１３／２）に緩和し、もう１つの８００ｎｍ帯励起光の光子を吸収して、レーザ上準位（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）まで励起される。つまり、１つのイオンが基底準位（４Ｉ１５／２）からレーザ上準位（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）に励起されるときには、４Ｉ９／２と４Ｉ１３／２との間のエネルギー差に応じたエネルギーが、多フォノン緩和により熱として失われる。８００ｎｍ帯励起光の光子２つ分のエネルギーと、上述の多フォノン緩和により熱として失われるエネルギーを計算すると、８００ｎｍ帯励起光の光子が有するエネルギーのうちの約２４％程度が熱として失われると考えられる。
【００４２】
上述の理由から、励起光のエネルギー損失をより少なくするためには、第１の励起手段として、８００ｎｍ帯の励起光を用いるより９７０ｎｍ帯、５３０ｎｍ帯の励起光を用いる方が好ましい。
【００４３】
また、上述の励起光のエネルギー損失を念頭においた上で、なお、第１の励起手段として８００ｎｍ帯の励起光を用いる場合もあり得る。このとき第１の励起手段の波長に好ましい範囲が存在する。
【００４４】
図３は、８００ｎｍ帯の励起光の波長とエルビウムイオンの吸収断面積との関係を示すグラフである。同図において、「基底状態吸収」は図１中の経路ａ’’の左側点線が示す遷移である４Ｉ１５／２→４Ｉ９／２遷移を意味し、「励起状態吸収」は図１中の経路ａ’’の右側点線が示す遷移である４Ｉ１３／２→２Ｈ１１／２遷移を意味している。
【００４５】
上記８００ｎｍ帯基底状態吸収遷移（４Ｉ１５／２→４Ｉ９／２遷移）と、８００ｎｍ帯励起状態吸収遷移（４Ｉ１３／２→２Ｈ１１／２遷移）との二段階の遷移（アップコンバージョン遷移）によりエルビウムイオンを基底準位からレーザ上準位に励起する場合、励起波長として、基底状態吸収断面積の値と励起状態吸収断面積の値が適切となる波長を選択する必要がある。これは、どちらか一方の断面積だけが大きく、もう一方の断面積が小さすぎると、高効率でアップコンバージョン励起を行うことができないためである。
【００４６】
図４は、８００ｎｍ帯励起におけるレーザ上準位励起効率を示すグラフである。このグラフは、図３に示した吸収断面積を用いて励起レーザの波長に対するレーザ上準位励起効率（Ｎｕ／Ｎｔｏｔａｌ）を計算することによって得られる。ここで、「Ｎｕ」は増幅ファイバ１中のエルビウムイオンのうち、レーザ上準位に存在するイオンの数であり、「Ｎｔｏｔａｌ」は増幅ファイバ１中に含まれるエルビウムイオンの総数である。なお、上記のレーザ上準位励起効率（Ｎｕ／Ｎｔｏｔａｌ）は、増幅ファイバ１中のエルビウムイオン濃度が２０００ｐｐｍで、ファイバ長さが５．２ｍである増幅ファイバ１に対して、各波長で１００ｍＷの光パワーで励起したとして計算した。
【００４７】
この計算によれば、第１の励起手段として８００ｎｍ帯の励起光を用いたときに、高い効率でレーザ上準位にイオンを励起することができるのは励起光の波長が７９５〜８０５ｎｍであり、この中でも最大効率でレーザ上準位にイオンを励起することができるのは励起光の波長が８０１ｎｍとなる。
【００４８】
次に、第２の励起手段で用いる励起光の波長の好ましい範囲について説明する。
【００４９】
図１のｂ、ｂ’、ｂ’’は、第２の励起手段で用いる励起光の波長により、励起状態吸収下準位（４Ｉ１３／２）のイオンがレーザ上準位（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）へ励起される経路を示している。８５０ｎｍ帯の励起光に励起される場合には図１中のｂの経路を辿って遷移し、８００ｎｍ帯の励起光に励起される場合には図１中のｂ’の経路を辿って遷移し、７２０ｎｍ帯の励起光に励起される場合には図１中のｂ’’の経路を辿って遷移する。
【００５０】
ここで、７２０ｎｍ帯の励起光を用いる経路ｂ’’の場合、励起状態吸収下準位（４Ｉ１３／２）のイオンは、レーザ上準位（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）より上の準位４Ｆ７／２に励起され、フォノン緩和によりエネルギーを失ってレーザ上準位（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）に到達することになる。したがって、励起光のエネルギー損失をより少なくするためには、第２の励起手段として、７２０ｎｍ帯の励起光を用いるより８５０ｎｍ帯、８００ｎｍ帯の励起光を用いる方が好ましい。
【００５１】
さらに、第２の励起手段に用いる励起光の波長として、励起状態吸収断面積が大きく、基底状態吸収断面積は逆に小さい波長を選択することでレーザパワーを効率よく励起状態吸収に用いることが可能となる。したがってこの場合は、図３に示すように、第２の励起手段として用いるレーザ光の波長を７８５ｎｍ付近（７８０〜７９０ｎｍ）とすることが望ましい。
【００５２】
上記、第１の励起手段に用いる５３０ｎｍ帯（５１０〜５５０ｎｍ）、８００ｎｍ帯（７８０〜８１０ｎｍ）、９７０ｎｍ帯（９６０〜９８５ｎｍ）、第２の励起手段として用いる７２０ｎｍ帯（７１０〜７３０ｎｍ）、８００ｎｍ帯（７８０〜８１０ｎｍ）、８５０ｎｍ帯（８３０〜８７０ｎｍ）のレーザ光源としては、半導体レーザや固体レーザ、気体レーザ等によって得ることができる。
【００５３】
その中でも、現在、ファイバーアンプの励起用光源として主流となっている半導体レーザは、他のレーザ光源と比較して励起光源の高効率化、小型化、長寿命化、およびレーザ出力の安定化を図ることができ、これによりレーザ増幅器の高効率化、小型化、長寿命化、およびレーザ出力の安定化が得られるというメリットがある。
【００５４】
また、図５に、図２に示すレーザ増幅器の構成で、励起光源２（９７０ｎｍ），励起光源４（７８９ｎｍ）の出力パワーをそれぞれ３７ｍＷ、１８０ｍＷとし、信号光源１０を、出力を−３５ｄＢｍで、波長１６３０〜１６６０ｎｍの範囲で掃引して利得と雑音指数を測定した結果を示す。図５のように信号光波長１６６０ｎｍにおいて利得が４ｄＢで、雑音指数が３ｄＢである、利得・雑音指数スペクトルが得られた。このとき、ＦＯＭ＝Ｄ・Ｌ／（Ｓ・Ｐ）とすると、ＦＯＭは約３である。ここで、Ｄは増幅媒体である増幅ファイバ１に添加されるエルビウムイオンの濃度（ｐｐｍ）であり、Ｌは増幅ファイバ１と励起光との相互作用長（ｍ）であり、Ｓは増幅ファイバ１と励起光との相互作用断面積（μｍ２）であり、Ｐは増幅ファイバ１に入射される励起光の合計パワー（ｍＷ）である。
【００５５】
図６は、図２に示したレーザ増幅器において、第２の励起光源の出力パワーを変化させることで生じるＦＯＭの変化に対する利得を測定した結果を示すグラフである。図６によれば、ＦＯＭが１以下および１０以上では利得が大きく減少し、最適のＦＯＭはおおよそ３であることが分かる。
【００５６】
なお、図２に示すレーザ増幅器は、第１および第２の励起光源２，４からそれぞれ出射される励起光が、両方とも信号光と同一の方向に増幅ファイバ１中を伝搬する前方励起の構成を有しているが、本実施形態によるレーザ増幅器の構成はこれに限られず、これらの励起光の両方、もしくはどちらか一方が、信号光と逆方向に伝搬する後方励起の構成であってもよい。あるいは、本実施形態によるレーザ増幅器は、これらの励起光の両方、もしくはどちらか一方が信号光と同一の方向および逆方向の双方向に伝搬する、双方向励起の構成であってもよい。
【００５７】
（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ増幅器を示す概略構成図である。
【００５８】
図７に示すように、本実施形態のレーザ増幅器は、信号光を出射する信号光源１０と、第１の励起光源２から出射されたレーザ光をその信号光に合波させる第１の波長多重合波器３と、その信号光に、第２の励起光源４から出射されたレーザ光をさらに合波させる第２の波長多重合波器５と、その信号光を増幅させる増幅ファイバ１とを有している。さらに、このレーザ増幅器は、増幅ファイバ１から出射された信号光に第１の励起光源２’から出射されたレーザ光を合波させる第１の波長多重合波器３’と、その信号光に、第２の励起光源４’から出射されたレーザ光をさらに合波させる第２の波長多重合波器５’と、その信号光を増幅させる増幅ファイバ１’とを有している。
【００５９】
信号光源１０は、出射する信号光の波長が可変である。また、信号光源１０と第１の波長多重合波器３との間と、増幅ファイバ１’の出射端側には、戻り光による意図しないレーザ発振を抑制するために光アイソレータ８がそれぞれ設けられている。
【００６０】
このように、本実施形態のレーザ増幅器は、信号光増幅の高利得化および高効率化を図るために複数の増幅ファイバ１，１’が連続して接続されており、さらに、各増幅ファイバ１，１’に入射する信号光に十分な励起光パワーを与えるために、複数の励起光源２，４，２’，４’からそれぞれ出射される励起光が各増幅ファイバ１，１’に入射する信号光にそれぞれ合波されるように構成されている。
【００６１】
励起光源からある一定のパワーを有する励起光が与えられるときに、増幅ファイバの長さを変えていくと、増幅ファイバがある長さのときに利得が最大となり、増幅ファイバをそれよりも長くしたとしても、利得は逆に減少する。通常は、１つの励起光源から得られる励起光のパワーは有限であり、増幅ファイバの長さに応じて励起光のパワーを増加させることには限界がある。そこで本実施形態のように、励起光源と、励起光源から得られる励起光のパワーに対して利得が最大になる長さを有する増幅ファイバと、信号光源１０からの信号光と励起光源からの励起光とを合波させる波長多重合波器とからなる増幅ユニットを多段に接続することにより、励起光パワーを無駄なく活用して信号光を段階的に増幅することができ、高利得化および高効率化を図ることができる。
【００６２】
なお、図７に示すレーザ増幅器は、励起光源２，４、波長多重合波器３，５、および増幅ファイバ１を含む第１の増幅ユニットと、励起光源２’，４’、波長多重合波器３’，５’、および増幅ファイバ１’を含む第２の増幅ユニットとの２段の増幅ユニットが連続して設置された構成を有しているが、増幅ユニットの段数はこれに限定されるものではなく、さらに多くの増幅ユニットが設置されていてもよい。
【００６３】
増幅ファイバ１は、エルビウム添加濃度が２０００ｐｐｍ、コア径が４．４μｍ、長さが３．２ｍのエルビウム添加フッ化物ガラスファイバからなり、増幅ファイバ１’は、エルビウム添加濃度が２０００ｐｐｍ、コア径が４．４μｍ、長さが５．２ｍのエルビウム添加フッ化物ガラスファイバ１からなる。また、第１の励起光源２，２’には波長９７０ｎｍ帯（９６０〜９８５ｎｍ）のレーザ光を出射する半導体レーザを用い、第２の励起光源４，４’には波長８００ｎｍ帯（７８０〜７９０ｎｍ）のレーザ光を出射するチタンサファイアレーザを用いた。
【００６４】
第１の励起光源の波長帯、第２の励起光源の波長帯については、上記の例に限られるものではなく、第１の実施形態で開示された第１の励起光源の波長帯、第２の励起光源の波長帯を用いることもできる。
【００６５】
上記のように構成されたレーザ増幅器では、信号光源１０から出射された信号光は、第１および第２の励起光源２，４からそれぞれ出射されたレーザ光（励起光）が第１および第２の波長多重合波器３，５によってそれぞれ合波されて、増幅ファイバ１に入射する。さらに、増幅ファイバ１で増幅された信号光に、第１および第２の励起光源２’，４’からそれぞれ出射されたレーザ光（励起光）が第１および第２の波長多重合波器３’，５’によってそれぞれ合波されて、増幅ファイバ１’に入射する。
【００６６】
第１の励起光源２，２’の出力パワーを３７ｍＷ、第２の励起光源４，４’の出力パワーを１８０ｍＷとし、信号光源１０から出射される信号光の波長を１６６０ｎｍ、出力を０ｄＢｍとしたとき、得られた利得は１３ｄＢで、光／光変換効率は約１０％であった。
【００６７】
なお、図７に示すレーザ増幅器は、第１の励起光源２，２’から出射されるレーザ光と、第２の励起光源４，４’から出射されるレーザ光とが、両方とも信号光と同一の方向に増幅ファイバ１，１’中を伝搬する前方励起の構成を有しているが、本実施形態によるレーザ増幅器の構成はこれに限られず、これらのレーザ光の両方、もしくはどちらか一方が、信号光と逆方向に伝搬する後方励起の構成であってもよい。あるいは、本実施形態によるレーザ増幅器は、これらのレーザ光の両方、もしくはどちらか一方が信号光と同一の方向および逆方向の双方向に伝搬する、双方向励起の構成であってもよい。
【００６８】
また、上記では第１の励起光源２，２’は波長９７０ｎｍ帯（９６０〜９８５ｎｍ）のレーザ光を出射する構成について説明したが、第１の励起光源２，２’の各々が出射するレーザ光の波長は共に同一であってもよいし、あるいは、上記の波長範囲（９６０〜９８５ｎｍ）内にある限りにおいて互いに異なっていてもよい。同様に、上記では第２の励起光源４，４’は波長８００ｎｍ帯（７８０〜７９０ｎｍ）のレーザ光を出射する構成について説明したが、第２の励起光源４，４’の各々が出射するレーザ光の波長は共に同一であってもよいし、あるいは、上記の波長範囲（７８０〜７９０ｎｍ）内にある限りにおいて互いに異なっていてもよい。
【００６９】
（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係るレーザ増幅器を示す概略構成図である。
【００７０】
図８に示す本実施形態のレーザ増幅器も、図７に示したレーザ増幅器と同様に、信号光を出射する信号光源１０と、第１の励起光源２から出射されたレーザ光をその信号光に合波させる第１の波長多重合波器３と、その信号光に、第２の励起光源４から出射されたレーザ光をさらに合波させる第２の波長多重合波器５と、その信号光を増幅させる増幅ファイバ１とを有し、さらに、このレーザ増幅器は、増幅ファイバ１から出射された信号光に第１の励起光源２’から出射されたレーザ光を合波させる第１の波長多重合波器３’と、その信号光に、第２の励起光源４’から出射されたレーザ光をさらに合波させる第２の波長多重合波器５’と、その信号光を増幅させる増幅ファイバ１’とを有している。
【００７１】
ただし、本実施形態のレーザ増幅器は、増幅ファイバ１と第１の波長多重合波器３’との間に、波長８２０〜８６０ｎｍの光に対する透過率が０．１％以下である素子としてフィルタ９が配置されている。
【００７２】
信号光源１０は、出射する信号光の波長が可変である。また、信号光源１０と第１の波長多重合波器３との間と、増幅ファイバ１’の出射端側には、戻り光による意図しないレーザ発振を抑制するために光アイソレータ８がそれぞれ設けられている。
【００７３】
このように、本実施形態のレーザ増幅器は、信号光増幅の高利得化および高効率化を図るために複数の増幅ファイバ１，１’が連続して接続されており、さらに、各増幅ファイバ１，１’に入射する信号光に十分な励起光パワーを与えるために、複数の励起光源２，４，２’，４’からそれぞれ出射される励起光が各増幅ファイバ１，１’に入射する信号光にそれぞれ合波されるように構成されており、さらに、上記のようにフィルタ９が設けられていることにより、８５０ｎｍ帯のＡＳＥが抑制されるようになっている。
【００７４】
励起光源から十分な励起光量が得られる場合には、その光量に合わせて増幅ファイバ１，１’の長さを長くすることが可能である。しかし、増幅ファイバ１，１’の長さを長くすれば、それに応じてＡＳＥ光（増幅自然放出光）のパワーも増大し、信号光による誘導放出がそのようなＡＳＥ光によって抑制されることから、光増幅器は高利得を得られなくなる。さらに、励起光のパワーがＡＳＥ光のパワーへと変換されてしまうため、励起光から信号光へのエネルギーの変換効率が低下してしまう。
【００７５】
本発明に係る光増幅器では、光増幅に用いる誘導放出遷移である（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）→４Ｉ９／２遷移に対して４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２遷移が競合し、４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２遷移による波長８５０ｎｍ帯の自然放出光が、目的とする波長１６５０ｎｍ光の増幅を抑制して、利得とエネルギー変換効率を低下させてしまう。そこで、本実施形態のように、望ましくないＡＳＥ光を遮断するフィルタ９を各増幅ファイバ１，１’の間に設置することにより、ＡＳＥ光が次段の増幅ファイバ１’で過剰に増幅されることを防止し、レーザ増幅器の高利得化とエネルギー変換効率の高効率化を図ることが可能になる。
【００７６】
なお、このフィルタ９に代えて光アイソレータ８を各増幅ファイバ１，１’の間に設置することによっても、信号光と逆の方向に伝搬するＡＳＥ光が前段（１段目）の増幅ファイバ１に入射することを防止できるため、上記のようにフィルタ９を設置した場合と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
本実施形態では、増幅ファイバ１は、エルビウムイオン濃度が２０００ｐｐｍ、コア径が４．４μｍ、長さが３．２ｍであり、増幅ファイバ１’は、エルビウムイオン濃度が２０００ｐｐｍ、コア径が４．４μｍ、長さが５．２ｍである。また、第１の励起光源２，２’には波長９７０ｎｍ帯（９６０〜９８５ｎｍ）のレーザ光（励起光）を出射する半導体レーザを用い、第２の励起光源４，４’には波長８００ｎｍ帯（７８０〜７９０ｎｍ）のレーザ光（励起光）を出射するチタンサファイアレーザを用いた。
【００７８】
第１の励起光源の波長帯、第２の励起光源の波長帯については、上記の例に限られるものではなく、第１の実施形態で開示された第１の励起光源の波長帯、第２の励起光源の波長帯も用いることができる。
【００７９】
上記のように構成されたレーザ増幅器では、信号光源１０から出射された信号光は、第１および第２の励起光源２，４からそれぞれ出射されたレーザ光（励起光）が第１および第２の波長多重合波器３，５によってそれぞれ合波されて、増幅ファイバ１に入射する。さらに、増幅ファイバ１で増幅された信号光は、フィルタ９を通過した後に、第１および第２の励起光源２’，４’からそれぞれ出射されたレーザ光（励起光）が第１および第２の波長多重合波器３’，５’によってそれぞれ合波されて、増幅ファイバ１’に入射する。
【００８０】
第１の励起光源２，２’の出力パワーを３７ｍＷ、第２の励起光源４，４’の出力パワーを１８０ｍＷとし、信号光源１０から出射される信号光の波長を１６６０ｎｍ、出力を０ｄＢｍとしたとき、得られた利得は１６ｄＢで、光／光変換効率は約１７％であった。このように、本実施形態のレーザ増幅器は、本実施形態のレーザ増幅器からフィルタ９を除いた構成である図６のレーザ増幅器と比較して、利得および光／光変換効率が向上している。これは、フィルタ９によって８５０ｎｍ帯のＡＳＥを抑制したことにより、（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）→４Ｉ９／２誘導放出遷移が、４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２誘導放出遷移に対して優勢となり、（４Ｓ３／２，２Ｈ１１／２）準位に蓄えられたエネルギーが、信号光のエネルギーへと高効率に変換されたためである。
【００８１】
なお、図８に示すレーザ増幅器は、第１の励起光源２，２’から出射される励起光と、第２の励起光源４，４’から出射される励起光とが、両方とも信号光と同一の方向に増幅ファイバ１，１’中を伝搬する前方励起の構成を有しているが、本実施形態によるレーザ増幅器の構成はこれに限られず、これらの励起光の両方、もしくはどちらか一方が、信号光と逆方向に伝搬する後方励起の構成であってもよい。あるいは、本実施形態によるレーザ増幅器は、これらの励起光の両方、もしくはどちらか一方が信号光と同一の方向および逆方向の双方向に伝搬する、双方向励起の構成であってもよい。
【００８２】
さらに、図８に示すレーザ増幅器は、励起光源２，４、波長多重合波器３，５、および増幅ファイバ１を含む第１の増幅ユニットと、励起光源２’，４’、波長多重合波器３’，５’、および増幅ファイバ１’を含む第２の増幅ユニットとの２段の増幅ユニットが連続して設置された構成を有しているが、増幅ユニットの段数はこれに限定されるものではなく、さらに多くの増幅ユニットが設置されていてもよい。
【００８３】
また、上述したように４Ｓ３／２→４Ｉ１５／２遷移によって波長５５０ｎｍ帯の自然放出光も放射されるため、フィルタ９は波長５００〜５６０ｎｍの光をカットするものであってもよく、さらには波長５００〜５６０ｎｍの光と波長８２０〜８６０ｎｍの光との両方をカットするものであることが好ましい。あるいは、フィルタ９は、磁気光学結晶としてイットリウム鉄ガーネット結晶（ＹＩＧ結晶）を用いた光アイソレータなどの、１６５０ｎｍ帯の光を透過し、波長５００〜５６０ｎｍと波長８２０〜８６０ｎｍの両方の光をカットする特性を有する素子によっても代用可能である。
【００８４】
（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係るレーザ増幅器を示す概略構成図である。
【００８５】
図９に示すように、本実施形態のレーザ増幅器は、信号光を出射する信号光源１０と、第１の励起光源２から出射されたレーザ光をその信号光に合波させる第１の波長多重合波器３と、その信号光に、第２の励起光源４から出射されたレーザ光をさらに合波させる第２の波長多重合波器５と、さらにその信号光に、利得増強光光源６から出射されたレーザ光を合波させる第３の波長多重合波器７と、信号光を増幅させる増幅ファイバ１とを有している。
【００８６】
信号光源１０は、出射する信号光の波長が可変である。また、信号光源１０と第１の波長多重合波器３との間と、増幅ファイバ１の出射端側には、戻り光による意図しないレーザ発振を抑制するために光アイソレータ８がそれぞれ設けられている。増幅ファイバ１は、エルビウムイオン濃度が２０００ｐｐｍ、コア径が４．４μｍ、長さが５．２ｍである。また、第１の励起光源２には波長９７０ｎｍ帯（９６０〜９８５ｎｍ）のレーザ光を出射する半導体レーザを用い、第２の励起光源４には波長８００ｎｍ帯（７８０〜７９０ｎｍ）のレーザ光を出射するチタンサファイアレーザを用い、利得増強光光源６には波長８４１ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザを用いた。
【００８７】
第１の励起光源の波長帯、第２の励起光源の波長帯については、上記の例に限られるものではなく、第１の実施形態で開示された第１の励起光源の波長帯、第２の励起光源の波長帯を用いることもできる。
【００８８】
図１０は、エルビウムイオンの４Ｓ３／２準位と４Ｉ１３／２準位との間の蛍光・吸収断面積を模式的に示すグラフである。波長８４１ｎｍにおける４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２遷移断面積をｓ１（ｃｍ２）とし、４Ｉ１３／２→４Ｓ３／２遷移断面積をｓ２（ｃｍ２）としたとき、その比ｓ１／ｓ２は、約０．５５である。
【００８９】
図１１に示すグラフは、利得増強光を用いない場合の光／光変換効率で規格化した光／光変換効率を示している。このグラフによると、最も光／光変換効率が改善されるｓ１／ｓ２の最適値は約０．７２であり、このときの光の波長は８４５ｎｍである。同じく図１１のグラフより、ｓ１／ｓ２の範囲が０．２以上２．２以下であるときに、利得増強光を入射させない場合に比べて光／光変換効率が１．５倍以上になることがわかる。
【００９０】
上記のように構成されたレーザ増幅器では、信号光源１０から出射された信号光は、第１および第２の励起光源２，４からそれぞれ出射されたレーザ光（励起光）が第１および第２の波長多重合波器３，５によってそれぞれ合波され、さらにその信号光に、利得増強光光源６から出射された利得増強光が第３の波長多重合波器７によって合波されて、増幅ファイバ１に入射する。
【００９１】
第１の励起光源２の出力パワーを３７ｍＷ、第２の励起光源４の出力パワーを１８０ｍＷ、利得増強光光源６の出力パワーを１ｍＷとし、信号光源１０から出射される信号光の波長を１６６０ｎｍ、出力を−５ｄＢｍとしたとき、得られた利得は２３ｄＢで、光／光変換効率は約２８％であった。
【００９２】
なお、図９に示すレーザ増幅器は、第１の励起光源２から出射される励起光と、第２の励起光源４から出射される励起光とが、両方とも信号光と同一の方向に増幅ファイバ１中を伝搬する前方励起の構成を有しているが、本実施形態によるレーザ増幅器の構成はこれに限られず、これらの励起光の両方、もしくはどちらか一方が、信号光と逆方向に伝搬する後方励起の構成であってもよい。あるいは、本実施形態によるレーザ増幅器は、これらの励起光の両方、もしくはどちらか一方が信号光と同一の方向および逆方向の双方向に伝搬する、双方向励起の構成であってもよい。
【００９３】
（第５の実施形態）
図１２は、本発明の光ファイバレーザの一実施形態を示す概略構成図である。
【００９４】
本実施形態に係る光ファイバレーザは、エルビウムイオン添加濃度が２０００ｐｐｍ、コア径が４．４μｍ、長さが５．２ｍである増幅ファイバ１と、増幅ファイバ１を励起する波長９７０ｎｍ帯（９６０〜９８５ｎｍ）のレーザ光を出射する半導体レーザからなる第１の励起光源２と、増幅ファイバ１を励起する波長８００ｎｍ帯（７８０〜７９０ｎｍ）のレーザ光を出射するチタンサファイアレーザからなる第２の励起光源４とを有している。
【００９５】
第１の励起光源２から出射された励起光は、レンズ１１を通った後にダイクロイックミラー１３で反射して、増幅ファイバ１の入射端に入射するようになっている。また、第２の励起光源４から出射された励起光は、レンズ１１’を通った後にダイクロイックミラー１３を透過し、増幅ファイバ１の入射端に入射するようになっている。なお、これらのレンズ１１，１１’は、励起光源２，４から出射された励起光を増幅ファイバ１の入射端に集光させるために用いられるものである。
【００９６】
さらに、増幅ファイバ１の入射端側には、励起光源２，４から出射される波長の光を透過し、発振波長帯（１６５０ｎｍ帯）の光を全反射するリアミラー１２が設置されている。さらに、増幅ファイバ１の出射端側には、発振波長帯（１６５０ｎｍ帯）の光を部分反射する出力ミラー１２’が設置されている。
【００９７】
上記のように構成された光ファイバレーザによれば、励起光源２，４からそれぞれ出射された励起光が、一旦自由空間に放射された後、それぞれレンズ１１，１１’、ダイクロイックミラー１３、およびリアミラー１２を介して増幅ファイバ１に入射されると、増幅ファイバ１の出射端から１６５０ｎｍ帯のファイバレーザ出力光が出力される。
【００９８】
図１３は、図１２に示した構成の光ファイバレーザによって得られるレーザ発振スペクトルを示すグラフである。図１３に示すように、図１２に示した構成の光ファイバレーザによれば、１６５１ｎｍにおいて半値全幅が２．５ｎｍ程度のレーザ発振を得ることができた。
【００９９】
第１の励起光源の波長帯、第２の励起光源の波長帯については、上記の例に限られるものではなく、第１の実施形態で開示された第１の励起光源の波長帯、第２の励起光源の波長帯を用いることもできる。
【０１００】
（第６の実施形態）
図１４は、本発明の光ファイバレーザの他の実施形態を示す概略構成図である。
【０１０１】
本実施形態に係る光ファイバレーザは、図１２に示した構成の光ファイバレーザの出力ミラー１２’に代えてコリメートレンズ１５と回折格子が設けられている。本実施形態の光ファイバレーザのその他の構成は、図１２に示した光ファイバレーザと同様である。
【０１０２】
上記のように構成された光ファイバレーザによれば、励起光源２，４からそれぞれ出射された励起光が、一旦自由空間に放射された後、それぞれレンズ１１，１１’、ダイクロイックミラー１３、およびリアミラー１２を介して増幅ファイバ１に入射されることで、増幅ファイバ１の出射端から出力されたファイバレーザ出力光は、コリメートレンズ１５によって平行光にされ、回折格子１６によって反射される。回折格子１６は、特定波長の光を選択的に反射するものであり、コリメートレンズ１５によって平行光にされた出力光に対する角度を変化させることによって、選択される波長を変えることができる。
【０１０３】
図１５は、図１４に示した構成の光ファイバレーザによって得られるファイバレーザ出力光の波長１．６５μｍ近傍の波長可変幅を示すグラフである。図１５に示すように、本実施形態の光ファイバレーザによれば、ファイバレーザ出力光を５ｎｍ程度の可変幅で変化させることができた。なお、この可変幅は、光ファイバレーザの各構成要素のアライメント精度や、回折格子１６の回折性能に大きく依存するため、それらを改善することでさらに拡げることも可能である。
【０１０４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、増幅媒体に添加された希土類元素イオンを励起し、レーザ上準位とレーザ下準位との間に反転分布を形成する第１の励起手段と、第１の励起手段を構成する励起光の波長とは異なる波長を有する励起光によって励起状態吸収下準位に存在する希土類元素イオンをレーザ上準位もしくはレーザ上準位よりも上位の準位に励起する第２の励起手段とを有しているので、信号光が励起状態吸収下準位の希土類元素イオンによって吸収されるという信号光励起状態吸収（信号光ＥＳＡ）の発生が抑えられることから、信号光の増幅利得および増幅効率を高めることができる。
【０１０５】
特に、希土類元素イオンとしてエルビウムイオンを用い、レーザ上準位が４Ｓ３／２または２Ｈ１１／２であり、レーザ下準位が４Ｉ９／２であり、励起状態吸収下準位が４Ｉ１３／２であるときに、第１の励起手段を構成する励起光の波長を９６０〜９８５ｎｍとし、第２の励起手段を構成する励起光の波長を７８０〜７９０ｎｍとするか、あるいは、第１の励起手段を構成する励起光の波長を７９５〜８０５ｎｍとし、第２の励起手段を構成する励起光の波長を７８０〜７９０ｎｍとすることにより、波長１６５０ｎｍ帯のレーザ光を良好に増幅することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エルビウムのエネルギー準位図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るレーザ増幅器を示す概略構成図である。
【図３】８００ｎｍ帯の励起光の波長とエルビウムイオンの吸収断面積との関係を示すグラフである。
【図４】８００ｎｍ帯励起レーザによるレーザ上準位励起効率を示すグラフである。
【図５】図２に示したレーザ増幅器による、信号光波長の利得・雑音指数スペクトルを示すグラフである。
【図６】図２に示したレーザ増幅器において、第２の励起光源の出力パワーを変化させることで生じるＦＯＭの変化に対する利得を測定した結果を示すグラフである。
【図７】本発明の第２の実施形態に係るレーザ増幅器を示す概略構成図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係るレーザ増幅器を示す概略構成図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係るレーザ増幅器を示す概略構成図である。
【図１０】エルビウムイオンの４Ｓ３／２準位と４Ｉ１３／２準位との間の蛍光・吸収断面積を模式的に示すグラフである。
【図１１】４Ｓ３／２→４Ｉ１３／２遷移断面積ｓ１と４Ｉ１３／２→４Ｓ３／２遷移断面積ｓ２との比ｓ１／ｓ２と、光／光変換効率との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の光ファイバレーザの一実施形態を示す概略構成図である。
【図１３】図１２に示した構成の光ファイバレーザによって得られるレーザ発振スペクトルを示すグラフである。
【図１４】本発明の光ファイバレーザの他の実施形態を示す概略構成図である。
【図１５】図１４に示した構成の光ファイバレーザによって得られるファイバレーザ出力光の波長１．６５μｍ近傍の波長可変幅を示すグラフである。
【図１６】フッ化物ガラス中のエルビウムイオンの２Ｈ１１／２→４Ｉ９／２遷移、あるいは４Ｓ３／２→４Ｉ９／２遷移による発光スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
１，１’　　増幅ファイバ
２，２’　　励起光源（第１の励起光源）
３，３’　　波長多重合波器（第１の波長多重合波器）
４，４’　　第２の励起光源
５，５’　　第２の波長多重合波器
６　　利得増幅光光源
７　　第３の波長多重合波器
８　　光アイソレータ
９　　フィルタ
１０　信号光源
１１，１１’　　レンズ
１２　　リアミラー
１２’　出力ミラー
１３　　ダイクロイックミラー
１４　　ファイバレーザ光
１５　　コリメートレンズ
１６　　回折格子
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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