(57)【要約】【課題】高出力パルス光源のピーク出力をさらに高める。【解決手段】パルス種光源２が生成したパルス種光を、誘導放出効果によって増幅する希土類添加光ファイバ増幅器３を備えている。光ファイバ増幅器３を構成する希土類添加光ファイバ７は、濃度消光の生じる希土類添加濃度に設定されている。これにより、非線形効果を抑制して利得やエネルギー効率を上げる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス種光を生成するパルス種光源と、
前記パルス種光源が生成したパルス種光を、誘導放出効果によって増幅する希土類添加光ファイバ増幅器と、
を備え、
前記希土類添加光ファイバ増幅器は希土類添加光ファイバを有しており、この希土類添加光ファイバは、その希土類添加濃度が当該希土類添加光ファイバで濃度消光が生じる濃度に設定されたものである、
ことを特徴とする高出力パルス光源。
【請求項２】
請求項１に記載の高出力パルス光源において、
前記希土類添加光ファイバは、希土類としてエルビウムが添加されたものであり、かつ、エルビウムの添加濃度が１０００ｐｐｍより高く設定されたものである、
ことを特徴とする高出力パルス光源。
【請求項３】
請求項１に記載の高出力パルス光源において、
前記希土類添加光ファイバは、希土類としてエルビウムが添加されたものであり、かつ、エルビウムの添加濃度が１５００ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下に設定されたものである、
ことを特徴とする高出力パルス光源。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の高出力パルス光源において、
この高出力パルス光源は、１ｋＷ以上のピーク出力パワーを有するパルス出力光を出力するものである、
ことを特徴とする高出力パルス光源。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の高出力パルス光源において、
前記希土類添加光ファイバ増幅器が複数設けられるとともにこれら複数の希土類添加光ファイバ増幅器が互いに直列に多段接続されており、
これら複数の希土類添加光ファイバ増幅器のうち、少なくとも、光伝送方向最終段に設けられた希土類添加光ファイバ増幅器を構成する希土類添加光ファイバは、その希土類添加濃度が当該希土類添加光ファイバで濃度消光が生じる希土類添加濃度を有するものである、
ことを特徴とする高出力パルス光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高出力パルス光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高出力光を発生させる光源として、希土類元素（エルビウム等）が添加された光ファイバにより入力光を増幅するものがある。この光源においては、希土類添加光ファイバが励起光を受けることにより希土類電子が上位準位に励起されたのち励起状態の電子が基底状態に移行する際にエネルギーを放出する。そして、放出されるエネルギーが入力光に付与されることで誘導放出が生じ、これによって入力光が増幅される。
【０００３】
高出力光源においては、希土類電子の励起状態を維持することが重要となる。しかしながら、高出力光を得るために、パワーの大きい入力光を連続的に光源に入力すると、その増幅に消費されるエネルギーが過大なものとなってしまう。そうすると、励起状態にある希土類の電子数が減少して利得が低下し、最終的には出力光のパワーが一定（飽和状態）となってしまって出力を上げることが不可能となる。
【０００４】
このような不都合を解消した高出力光源として、従来から、入力光としてパルス光を用い、このパルス光を希土類添加光ファイバで増幅するものがある。このような高出力パルス光源によれば、パルスオフ時には希土類の電子を励起状態に復帰させることが可能となり、一時的にもジャイアントパルス光（高出力光）が得られることになる。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２７４４９０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、希土類添加光ファイバにおいては、利得やエネルギー効率を高めて増幅度を上げることで出力ピークを高めている。ここで、希土類添加光ファイバには、希土類添加濃度を高くし過ぎると濃度消光が生じて利得やエネルギー効率が低下するという特性がある。そのため、利得やエネルギー効率を高めるうえでは、希土類の添加濃度を必要以上に上げない（抑える）ことが重要となる。例えば、入力光としてＣバンド領域光（１．５５μｍ帯）を用い希土類としてエルビウムを用いる場合には、エルビウム濃度を１０００ｐｐｍ以下に抑えることで、利得やエネルギー効率を高く維持することが可能となる。
【０００７】
このような希土類添加光ファイバの特性を踏まえて、高出力パルス光源においては、希土類添加濃度を抑える（エルビウム添加光ファイバの場合であって、入力光がＣバンド領域である場合には１０００ｐｐｍ未満にする）ことで、利得やエネルギー効率を高めて増幅度を上げている。
【０００８】
しかしながら、高出力パルス光源においては、希土類添加濃度を抑えるだけでピーク出力を上昇させることには限界があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、上記課題について誠意研究を重ねた結果、次のことを見出した。希土類添加濃度を抑えることで利得やエネルギー効率を高める構成は、比較的低い出力を発生させる場合においては有効となる。しかしながら、高いピーク出力を出力する場合においては、かえって利得やエネルギー効率を悪化させる要因になる。以下、説明する。
【００１０】
希土類添加光ファイバで得られる利得は濃度条長積（希土類濃度×有効ファイバ条長）に依存することが知られている。したがって、所定の利得を得るために必要な濃度条長積は一定であって、高出力パルス光源に用いる希土類添加光ファイバにおいても、最大利得を得るために必要な濃度条長積は一定の値を示す。そのため、希土類元素の添加量の上限値を設けた状態で最大ピーク出力を上げようとすると、希土類添加光ファイバのファイバ長は長くならざるを得ない。このような理由により、高出力パルス光源に用いられる希土類添加光ファイバの条長は、比較的低いピーク出力を求められる他の希土類添加光ファイバの条長に比べて格段に長くなる。
【００１１】
希土類添加光ファイバのエネルギー効率や利得を阻害する要因としては濃度消光とともに非線形効果が重要である。非線形効果の主なものとしては誘導ラマン散乱がある。非線形効果は希土類添加光ファイバのファイバ条長に依存し、ファイバ条長が長くなればなるほど非線形効果は起き易くなる。
【００１２】
比較的低いピーク出力が求められる希土類添加光ファイバにおいては、上述した濃度条長積の理論によりその条長も比較的短くなるために、構造的に非線形効果は生じにくい。したがって、そのような用途に用いられる希土類添加光ファイバにおいては、所望の利得に適した濃度条長積を得るために多少ファイバ条長が長くなったとしても、利得やエネルギー効率を高く維持した状態で高利得を得るうえでは希土類元素の添加量の上限値を設けることが有効となる。
【００１３】
しかしながら、高いピーク出力が求められる高出力パルス光源においては、濃度条長積の理論により希土類添加光ファイバのファイバ条長が格段に長くなるために、濃度消光の影響よりも非線形効果の影響の方が大きくなる。そのため、高出力パルス光源では、利得やエネルギー効率の低下作用が大きくなって思うような高ピーク出力が得られなくなる。
【００１４】
このような新しい着目点に基づいて、本発明では、高いピーク出力が求められる高出力パルス光源において、従来では用いられることがなかった希土類濃度（濃度消光が生じる希土類濃度）を有する希土類添加光ファイバを用いることでピーク出力を高めている。具体的には、次の構成を本発明は有している。
【００１５】
本発明は、パルス種光を生成するパルス種光源と、前記パルス種光源が生成したパルス種光を、誘導放出効果によって増幅する希土類添加光ファイバ増幅器とを備え、前記希土類添加光ファイバ増幅器は、希土類添加光ファイバを有しており、この希土類添加光ファイバは、その希土類添加濃度が当該希土類添加光ファイバで濃度消光が生じる濃度に設定されたものであることに特徴を有している。
【００１６】
希土類としてエルビウムが添加された場合、本発明の効果を発揮できる希土類添加濃度としては、１０００ｐｐｍより高いことが例として挙げられる。１０００ｐｐｍは、エルビウム添加光ファイバでＣバンド領域光（１．５５μｍ帯）を増幅する際に濃度消光が生じる添加濃度の閾値として知られている。この場合、さらに好ましい希土類（エルビウム）添加濃度としては、１５００ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍ以下が挙げられる。
【００１７】
また、本発明は、１ｋＷ以上のピーク出力パワーを有するパルス出力光を出力する高出力パルス光源においてその効果を十分に享受することができる。これは、１ｋＷ以上のピーク出力パワーを必要とする高出力パルス光源においては、高いピーク出力を維持するためにファイバ条長を長くした場合、濃度消光に起因するピーク出力の減少より非線形効果に起因するピーク出力の減少の方が明らかに顕著になる。そのため、このようなピーク出力を必要とする高出力パルス光源において本発明を実施すれば、その効果を十分に享受することができる。
【００１８】
また、本発明は、複数の希土類添加光ファイバ増幅器が多段配置された希土類添加光ファイバ増幅器を備えた高出力パルス光源において、光伝送方向最終段に設けられた希土類添加光ファイバ増幅器を構成する希土類添加光ファイバに実施されるのが好ましい。すなわち、光伝送方向最終段に設けられた希土類添加光ファイバ増幅器においては、比較的高い入力光を用いて極めて高い出力を出力する構成となる。そのため、このような部位に設けられる希土類添加光ファイバ増幅器において本発明を実施すれば、顕著な効果を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態の高出力パルス光源の構成を示すブロック図である。図２は、実施形態の高出力パルス光源を構成する希土類添加光ファイバ増幅器の構成を示す図である。
【００２０】
この高出力パルス光源１は、パルス種光源２と希土類添加光ファイバ増幅器（以下、光ファイバ増幅器と略す）３とを備えている。
【００２１】
パルス種光源２は、任意のパルス形態を有する電気パルス信号を生成するＰｕｌｓｅ  Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（以下、ＰＰＧと略す）４と、電気パルス信号を光パルス種信号に変換するレーザーダイオード（以下、ＬＤと略す）５とを備えている。
【００２２】
光ファイバ増幅器３は、複数（本実施形態では、２つ）の光ファイバ増幅器（本実施形態では、第１光ファイバ増幅器３Ａ，第２光ファイバ増幅器３Ｂ）を備えており、これら複数の光ファイバ増幅器３Ａ，３Ｂが直列に多段接続された構成を備えている。第１光ファイバ増幅器３Ａと第２光ファイバ増幅器３Ｂとの間には光バンドパスフィルタ（以下、ＢＰＦと略す）６が介装配置されている。ＢＰＦ６は、第１光ファイバ増幅器３Ａの増幅光（例えば、１．５５μｍ帯の波長光）のみを透過させるように構成されている。
【００２３】
第１，第２光ファイバ増幅器３Ａ，３Ｂは、図２に示すように、希土類（この例ではエルビウム）が添加された光ファイバ（以下、希土類添加光ファイバという）７と、励起光を発生させる励起光源８Ａ，８Ｂと、励起光を希土類添加光ファイバ７に入力する光合波器９Ａ，９Ｂとを備えている。希土類添加光ファイバ７は、その入力端から入力光（パルス種光等）が入力されるようになっており、入力される入力光を励起光を用いて光増幅したのち増幅光を出力端から出力する構成となっている。
【００２４】
第１，第２光ファイバ増幅器３Ａ，３Ｂは、図２に示すように、双方向励起型の光ファイバ増幅器の構造を有しており、励起光源８Ａと光合波器９Ａとは希土類添加光ファイバ７の入力端側に設けられている。光合波器９Ａは希土類添加光ファイバ７の入力端側から伝送用光ファイバ（図示省略）を介して入力される入力光と、励起光源８Ａで発生された励起光とを合波して希土類添加光ファイバ７に入力している。
【００２５】
励起光源８Ｂと光合波器９Ｂとは希土類添加光ファイバ７の出力端側に設けられている。光合波器９Ｂは励起光源８Ｂで発生された励起光を希土類添加光ファイバ７の出力端側から希土類添加光ファイバ７に入力している。
【００２６】
高出力パルス光源１は、Ｃバンド領域（１．５５μｍ帯域）のパルス種光を増幅して極めて高い出力（ｋＷ級）を発生させる光源であって、希土類添加光ファイバ７には希土類としてエルビウムが添加されている。励起光源８Ａ，８Ｂは、Ｃバンド増幅に対応して０．９８μｍ，１．４８μｍ帯等の励起光を発生させている。
【００２７】
以下、この高出力パルス光源１の基本動作を説明する。ＰＰＧ４からパルス状電気信号が出力されると、ＬＤ５は、そのパルス状電気信号を１．５５μｍ帯のパルス種光（ピーク出力数十ｍＷ程度）に変換して出力する。ＬＤ５から出力されたパルス種光（入力光）は、第１光ファイバ増幅器３Ａに入力される。第１光ファイバ増幅器３Ａは入力されるパルス種光をピーク出力数百Ｗ程度に増幅して出力する。第１光ファイバ増幅器３Ａは、光合波器９Ａ，９Ｂから供給される励起光により励起されたエルビウムの電子が基底状態に移行する際に放出するエネルギーをパルス光に付与することで誘導放出を発生させて光増幅を行う。第１光ファイバ増幅器３Ａから出力された増幅パルス光は、ＢＰＦ６に入力される。ＢＰＦ６は第１光ファイバ増幅器３Ａの増幅光（例えば、１．５５μｍ帯光）を全透過し、その他の波長光を遮断する。
【００２８】
ＢＰＦ６を全透過した１．５５μｍ帯の増幅パルス光（入力光）は、第２光ファイバ増幅器３Ｂに入力されて増幅される。第２光ファイバ増幅器３Ｂは、第１光ファイバ増幅器３Ａと同様、光合波器８Ａ，８Ｂから供給される励起光により励起されたエルビウムの電子が基底状態に移行する際に放出するエネルギーをパルス光に付与することで誘導放出を発生させて光増幅を行う。第２光ファイバ増幅器３Ｂでは、増幅パルス光に基づいて、高いピーク出力（例えば、１ｋＷ程度）を有するジャイアントパルス光を生成して出力する。
【００２９】
以上の増幅作用を発生させる高出力パルス光源１において、本発明は、次の特徴を有している。まず、本発明が実施対象としていない低ピーク出力光（例えば、数百Ｗ程度以下を発生させる希土類添加光ファイバ増幅器について説明する。この種の希土類添加光ファイバ増幅器においては、利得やエネルギー効率を高めるうえで希土類添加濃度を抑えることが有効となる。以下、図３を参照してその理由を説明する。
【００３０】
図３は、数百Ｗ程度やそれ以下の出力光を生成する希土類添加光ファイバ増幅器において、希土類（エルビウム）の添加量と光ファイバ条長とを種々調整した場合における利得の変化を示している。図３において、ｉは、希土類添加量を５００ｐｐｍとした場合における光ファイバ条長と利得との相対関係を示している。ｊは、希土類添加量を１５００ｐｐｍとした場合において、濃度消光が生じないと仮定した状態における光ファイバ条長と利得との相対関係を示している。ｋは、希土類添加量を１５００ｐｐｍとした場合において、濃度消光が生じる実際の状態における光ファイバ条長と利得との相対関係を示している。
【００３１】
図３により明らかなように、希土類添加量を１０００ｐｐｍ以下（この例では５００ｐｐｍ）とした場合においては、条長が２４ｍと長くなるものの、最大利得はαｄＢを得ることができる。これに対して、希土類添加量を１０００ｐｐｍより高くした（この例では１５００ｐｐｍとした）場合においては、条長が８ｍと短くなるものの、理想的にはαｄＢが得られるはずが実際には濃度消光に起因する利得減少βｄＢを差し引いた（α−β）ｄＢしか得ることができない。
【００３２】
このように、数百Ｗ程度やそれ以下のピーク出力光を生成する希土類添加光ファイバ増幅器においては、光ファイバ中における非線形効果（誘導ラマン散乱等）に起因する利得低下に比べて、濃度消光に起因する利得低下が格段に大きい。そのため、濃度消光の防止に効果がある希土類濃度の抑制（１０００ｐｐｍ以下にすること）が、利得を向上させるうえで有効となる。
【００３３】
しかしながら、本発明が実施対象としている極めて高い出力（１ｋＷ程度もしくはそれ以上の出力）を発生させる構成においては、希土類添加濃度を抑えて利得やエネルギー効率を高める構成は、かえってピーク出力を下げる要因となる。以下、図４を参照してその理由を説明する。
【００３４】
図４は、１ｋＷ程度やそれ以上のピーク出力光を生成する希土類添加光ファイバ増幅器（高出力パルス光源１）において、希土類（エルビウム）の添加量と光ファイバ条長とを種々調整した場合における利得の変化を示している。図４において、ｐは、希土類添加光ファイバに非線形効果が生じないと仮定した状態において希土類添加量を５００ｐｐｍとした場合における光ファイバ条長と利得との相対関係を示している。ｑは、希土類添加量を５００ｐｐｍとした場合において、希土類添加光ファイバに非線形効果が生じた実際の状態における光ファイバ条長と利得との相対関係を示している。ｒは、希土類添加量を１５００ｐｐｍとした場合において濃度消光が生じないと仮定した状態における光ファイバ条長と利得との相対関係を示している。ｓは、希土類添加量を１５００ｐｐｍとした場合において、濃度消光が生じた実際の状態における光ファイバ条長と利得との相対関係を示している。
【００３５】
図４により明らかなように、希土類添加量を１０００ｐｐｍより大きい値（この例では１５００ｐｐｍ）とした場合においては、最大利得として理想的にはγｄＢ（例えば、４０ｄＢ）が得られるはずが実際には濃度消光に起因する利得減少δｄＢ（例えば、３ｄＢ）を差し引いた（γ−δ）ｄＢ（例えば、３７ｄＢ）が最大利得として得られる。この場合、最大利得は、理想値γｄＢから低下するものの、光ファイバ条長が比較的短い（例えば、８ｍ）ために非線形効果（誘導ラマン散乱等）はほとんど生ぜず、そのために利得低下量はδｄＢ（例えば、３ｄＢ）と比較的小さな値となる。
【００３６】
これに対して、希土類添加量を１０００ｐｐｍ以下（５００ｐｐｍ）とした場合においては、上述したように、濃度消光はほとんど生じないものの、光ファイバ条長が２４ｍと長くなることに起因する光ファイバの非線形効果（誘導ラマン散乱等）の影響が大きくなる結果、最大利得は理想値γｄＢから、非線形効果に起因する利得減少εｄＢ（ε＞δ）を差し引いた（γ−ε）ｄＢまで下がる。
【００３７】
このように、１ｋＷ程度やそれ以上の出力光を生成する希土類添加光ファイバ増幅器（高出力パルス光源１）においては、濃度消光に起因する利得低下（δ）に比べて、光ファイバ中における非線形効果（誘導ラマン散乱等）に起因する利得低下（ε）が格段に大きくなる。そのため、１ｋＷ程度やそれ以上の出力光を生成する希土類添加光ファイバ増幅器（高出力パルス光源１）において高出力化を促進するためには、光ファイバ中における非線形効果の抑制に重きをおいた設計、すなわち、光ファイバ条長の短尺化が有効となる。
【００３８】
濃度条長積の理論によれば、非線形効果が生じない程度まで光ファイバを短尺化したうえで、高い利得（高いピーク出力、例えば１ｋＷ出力）を得るためには、希土類濃度を、濃度消光の観点から従来設定されていなかった１０００ｐｐｍより大きくする必要がある。そこで、本実施形態の高出力パルス光源１では、光ファイバ増幅器（特に、後段側に配置された第２光ファイバ増幅器３Ｂ）を構成する希土類添加光ファイバ７として、希土類（エルビウム）の添加濃度を１０００ｐｐｍより大きくする（この例では、１５００ｐｐｍにする）ことで、光ファイバ条長を非線形効果が生じない程度まで短尺化（たとえば、８ｍ程度）している。これにより、非線形効果の影響を抑えて、高い利得（高いピーク出力、例えば１ｋＷ出力）を得ている。
【００３９】
高出力パルス光源１において、さらに非線形効果の影響を抑えて、高い利得（高いピーク出力）を得るうえでは、希土類添加光ファイバ７の希土類（エルビウム）濃度を１５００ｐｐｍ以上２０００ｐｐｍとするのが好ましい。
【００４０】
なお、高出力パルス光源１では、光伝送方向最終段に設けられた光ファイバ増幅器３Ｂを構成する希土類添加光ファイバ７において、その希土類濃度を上記したように設定している。これは、光ファイバ増幅器３Ｂにおいては、比較的低い入力光を用いて極めて高い出力を出力する構成となるために、このような部位に設けられる光ファイバ増幅器３Ｂにおいて本発明を実施すれば、顕著な効果を得ることができるためである。
【００４１】
上述した実施形態では、希土類添加光ファイバ７に添加する希土類としてエルビウムを例にしたが、希土類は特にこれに限定されるものではなく、希土類としてネオジウムやイットリウムを添加した希土類添加光ファイバであっても本発明は同様に実施することができる。
【００４２】
また、上述した実施形態では、第１，第２光ファイバ増幅器３Ａ，３Ｂとして、双方向励起型の光ファイバ増幅器を用いていたが、本発明は、このような光ファイバ増幅器においてのみ実施できるものではなく、前方励起型の光ファイバ増幅器においても、後方励起型の光ファイバ増幅器においても同様に実施することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高出力パルス光源において、そのピーク出力をさらに高めることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の高出力パルス光源の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態の高出力パルス光源の主要素である光ファイバ増幅器の構成を示す図である。
【図３】比較的低い出力光を出力する光ファイバ増幅器の利得−光ファイバ条長特性を示す図である。
【図４】比較的高い出力光を出力する光ファイバ増幅器の利得−光ファイバ条長特性を示す図である。
【符号の説明】
１  高出力パルス光源    ２  パルス種光源
３  光ファイバ増幅器    ３Ａ  第１光ファイバ増幅器
３Ｂ  第２光ファイバ増幅器  ４  ＰＰＧ
５  ＬＤ        ６  ＢＰＦ
７  希土類添加光ファイバ    ８Ａ  励起光源
８Ｂ  励起光源      ９Ａ  光合波器
９Ｂ  光合波器
【図１】
2004153069.tif 000003
【図２】
2004153069.tif 000004
【図３】
2004153069.tif 000005
【図４】
2004153069.tif 000006