(57)【要約】【課題】光ファイバに励起されたエネルギーを効率よく取り出すことができるファイバ増幅器を提供する。【解決手段】シード光を放射するシード光源と、コアに希土類元素が添加され、前記シード光を増幅する光ファイバと、前記希土類元素を励起する励起光源と、ファラデー回転子と、前記シード光源と前記ファラデー回転子との間に配置され、前記シード光を通す第１の偏光子と、前記ファラデー回転子と前記光ファイバの一方の端部との間に設けられた第２の偏光子と、を含む光アイソレータと、前記光ファイバの他方の端部からの増幅光を反射し、前記他方の端部に入射させる反射ミラーと、前記一方の端部と前記シード光源との間に配置され、前記一方の端部からの増幅光を反射させて出力する偏光ビームスプリッタと、を備えたことを特徴としたファイバ増幅器が提供される。【選択図】図１
2009010183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シード光を放射するシード光源と、
コアに希土類元素が添加され、前記シード光を増幅する光ファイバと、
前記希土類元素を励起する励起光源と、
ファラデー回転子と、前記シード光源と前記ファラデー回転子との間に配置され、前記シード光を透過する第１の偏光子と、前記ファラデー回転子と前記光ファイバの一方の端部との間に設けられ、前記第１の偏光子を通り前記ファラデー回転子により偏光方向が略４５度回転した前記シード光を透過する第２の偏光子と、を含む光アイソレータと、
前記光ファイバの他方の端部からの増幅光を反射し、前記他方の端部に入射させる反射ミラーと、
前記一方の端部と前記シード光源との間に配置され、前記一方の端部からの増幅光を反射させて出力する偏光ビームスプリッタと、
を備えたことを特徴とするファイバ増幅器。  
【請求項２】
前記第１の偏光子と前記第２の偏光子との間に配置された１／２波長板をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のファイバ増幅器。
【請求項３】
前記１／２波長板は、偏光方向を４５度回転させることを特徴とする請求項２記載のファイバ増幅器。
【請求項４】
前記偏光ビームスプリッタは、前記第２の偏光子と前記一方の端部との間に配置された第１の薄膜ポラライザと、前記第１の偏光子と前記ファラデー回転子との間に配置された第２の薄膜ポラライザと、を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のファイバ増幅器。
【請求項５】
前記偏光ビームスプリッタは、Ｓ偏光成分を反射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のファイバ増幅器。
【請求項６】
前記一方の端部と前記第１の薄膜ポラライザとの間に配置され、前記第１の端部からの前記増幅光に対する移相子を含むことを特徴とする請求項４記載のファイバ増幅器。
【請求項７】
前記第１及び第２の偏光子はグランレーザプリズムであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のファイバ増幅器。
【請求項８】
前記希土類元素はツリウムを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバ増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９００〜２１００ｎｍの波長範囲の光を発振または増幅するには、希土類元素であるＴｍ３＋（ツリウムイオン）を添加した光ファイバが用いられる。Ｔｍ３＋は７９３ｎｍを極大とする８００ｎｍ近傍に吸収特性を有するので、この波長を放射する半導体レーザを励起光源とすることができる。励起光源によるポンピングとエネルギー準位間の遷移によって１９００〜２１００ｎｍのレーザ光が増幅される。
【０００３】
励起光により光ファイバに励起されたエネルギーを有効に外部に取り出せないと、ノイズ成分となる自然放出光や寄生発振を生じ、エネルギー効率が低下し高い出力を得ることが困難となる。
【０００４】
Ｔｍ及びＮｄ（ネオジウム）をコアに添加した光ファイバを利得媒体とする１．４７μｍ帯の光増幅器の技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、Ｔｍによる光増幅において発生する８００ｎｍ帯の自然放出光をＮｄに吸収させ、１４７０ｎｍ帯の光増幅効率を改善している。
【特許文献１】特開２００２−２４６６７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光ファイバ内で増幅光を往復させてより高い増幅出力を得るためのダブルパス増幅器において、増幅光をシード光源に戻さないための光アイソレータを備えつつ、外部に効率よく光を取り出すには問題があった。本発明は、この問題を解決するためになされたものであり、光ファイバに励起されたエネルギーを効率よく取り出すことができるファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、シード光を放射するシード光源と、コアに希土類元素が添加され、前記シード光を増幅する光ファイバと、前記希土類元素を励起する励起光源と、ファラデー回転子と、前記シード光源と前記ファラデー回転子との間に配置され、前記シード光を透過する第１の偏光子と、前記ファラデー回転子と前記光ファイバの一方の端部との間に設けられ、前記第１の偏光子を通り前記ファラデー回転子により偏光方向が略４５度回転した前記シード光を透過する第２の偏光子と、を含む光アイソレータと、前記光ファイバの他方の端部からの増幅光を反射し、前記他方の端部に入射させる反射ミラーと、前記一方の端部と前記シード光源との間に配置され、前記一方の端部からの増幅光を反射させて出力する偏光ビームスプリッタと、を備えたことを特徴としたファイバ増幅器が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
光ファイバに励起されたエネルギーを効率よく取り出すことができるファイバ増幅器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施形態にかかるファイバ増幅器の構成を表す図である。シード光源８からの１９００〜２１００ｎｍの波長範囲にあるシード光１０は、集光レンズ１２を通った後、グランレーザプリズム１４、ファラデー回転子１８、グランレーザプリズム２２からなる光アイソレータ２６を通る。その後ダイクロイックミラー３２などで折り曲げられた後、集光レンズ３４、光ファイバ３６、集光レンズ３８を通過し２μｍ反射ミラー４０に到達する。
【０００９】
ダイクロイックミラー３２は波長が２μｍ帯のシード光１０を反射により折り曲げ、波長が８００ｎｍ帯の励起光を透過する。励起光源３１であるＬＤ（半導体レーザ）からの励起光３０は、一方の端部３６ａから光ファイバ３６に入射する。他方、２μｍ反射ミラー４０はダイクロイックミラーであり、８００ｎｍ帯の光を透過し、２μｍ帯の増幅光６０を反射する。励起光源４３であるＬＤからの励起光４２は、他方の端部３６ｂから光ファイバ３６に入射する。
【００１０】
Ｔｍ３＋は７９３ｎｍを極大とする８００ｎｍ近傍に吸収特性を有し、光ファイバ３６の端部３６ａ、３６ｂから入射した励起光３０、４２を吸収し、励起され、２μｍ帯の光を放射する。なお、光ファイバ３６の励起は両側の端部３６ａ、３６ｂからの励起に限定されないが、この方がより強くＴｍ３＋を励起することができ、より高い光出力の取り出しが可能となる。
【００１１】
励起されたＴｍ３＋のエネルギー準位間の遷移によって、シード光１０は増幅されて光ファイバ３６の他方の端部３６ｂから出射し、２μｍ反射ミラー４０に到達する。その後２μｍ反射ミラー４０により反射された増幅光６０は再び光ファイバ３６に入射し、逆方向に進みながら増幅されて集光レンズ３４を経由してダイクロイックミラー３２に到達する。すなわち、シード光１０は、光ファイバ３６を往復する間により増幅されより高出力となるので、ダブルパス（double-pass）増幅器と呼ばれる。ダイクロイックミラー３２により２μｍの増幅光６２のみが、光アイソレータ２６に向かって進む。
【００１２】
ここで、光アイソレータ２６の作用について説明する。図２は光アイソレータの構成を表す図である。図２（ａ）において、ＹＩＧ（Yttorium  Iron  Garnet)などの磁気光学結晶に直流磁界Ｈを加えるとファラデー効果により光Ｅ１の偏光面が回転する。光軸１０４に沿って進みレーザ光の偏光方向と同一偏光方向の第１の偏光子（ポラライザ）１００を通過した光Ｅ１を４５度回転させ、偏光方向が４５度回転した第２の偏光子（ポラライザ）１０２を通過して光Ｅ１が出射する。出射した光Ｅ１が反射され、逆方向に戻る光Ｅ２となり、偏光方向がさらに４５度回転し、第１の偏光子１００とは直交した偏光方向の光Ｅ２となり第１の偏光子１００を通過できない。このために、光源に反射光Ｅ２の影響を与えることがない。
【００１３】
また、図２（ｂ）はファラデー回転子１８と第２の偏光子１０２との間に１／２波長板２０を配置した構成を表す図である。１／２波長板２０は直線偏光の方向を０〜９０度の間で変化させることができる。図２（ｂ）において、１／２波長板２０により４５度偏光方向を変えると、１／２波長板２０を通過した光の偏光方向を入射光Ｅ１と略一致させることができる。また、反射光Ｅ２が１／２波長板２０と、ファラデー回転子１８を逆に進むとＥ１と直交するので光源への戻り光を抑制できる。
【００１４】
この場合、１／２波長板２０が無くともファイバ増幅器を構成できるが、光アイソレータ２６の入射光と出射光との間で直線偏光の方向が４５度変化するので、１／２波長板２０を配置し光取り出し部分の構成を簡素にすることがより好ましい。なお、１／２波長板２０にはプラスチックフィルムや雲母の結晶などを用いることができる。
【００１５】
光アイソレータを構成する偏光子としては、（表１）に表すように、薄膜ポラライザ及びグランレーザプリズムなどがある。
【００１６】
【表１】
2009010183.tif 000003
【００１７】
薄膜ポラライザ及びグランレーザプリズムはともに高い耐光性を有しており、増幅出力が高い本実施形態に用いることができる。例えば、薄膜ポラライザでは１ＧＷｃｍ−２よりも高い耐光性を有する。利得帯域が広いＴｍ添加光ファイバ増幅器の場合、光アイソレータとしては広い帯域であることが好ましい。このために約１０ｎｍと狭い帯域である薄膜ポラライザよりも、１００ｎｍよりも広い帯域であるグランレーザプリズムを用いる。
【００１８】
増幅光６２は２μｍ反射ミラー４０により反射されて戻るが、光アイソレータ２６があるためにシード光源８へは戻れず、シード光源８は安定に動作する。グランレーザプリズム１４、２２にはカルサイト結晶などの複屈折材料が用いられる。また、薄膜ポラライザには、例えばポリマーなどのフィルム材料を用いることができる。
【００１９】
しかしながら、グランレーザプリズムは反射したＳ偏光成分が内部で多重反射を生じ、効率よくＰ／Ｓ偏光成分を取り出すことが困難である。他方、薄膜ポラライザは分離後のＰ偏光成分及びＳ偏光成分の取り出しが容易である。このために、本実施形態においては、グランレーザプリズムとファラデー回転子とを組み合わせた光アイソレータを用いる。他方、ダブルパス増幅器からの出力は、薄膜ポラライザを偏光ビームスプリッタとして作用させ、反射により外部に取り出される。
【００２０】
一方の端部３６ａへ入射するシード光１０が直線偏光であっても、光ファイバ３６による増幅光６２は光ファイバ３６内での伝送、増幅により生じた直交成分を含みランダム偏光となっている。このために、偏光ビームスプリッタ２４へ入射する増幅光６２は、入射面に垂直なＳ偏光成分６２ａと、入射面に平行なＰ偏光成分６２ｂとを含む。Ｓ偏光成分６２ａとＰ偏光成分６２ｂとの比率は光ファイバ３６内における伝送、増幅状態により変化するが、例えば１０：１などである。例えばＳ偏光成分６２ａが反射され外部のＯＰＯ（Optical  Parametric  Oscillator)などへ入射する。
【００２１】
Ｐ偏光成分６２ｂ及びＳ偏光成分６２ａのいずれでも偏光ビームスプリッタ２４により反射できるが、図１において、偏光ビームスプリッタ２４はＳ偏光成分６２ａを反射し、Ｐ偏光成分６２ｂを通すものとする。このようにするとより高い反射率でＳ偏光成分６２ａを反射しＯＰＯへ入射させることができる。
【００２２】
他方、ｐ偏光成分６２ｂは光アイソレータ２６へ入射する。図１に表す実施形態において、光アイソレータ２６を構成するファラデー回転子１８と第２の偏光子２２との間に１／２波長板２０が配置され、Ｐ偏光成分６２ｂの偏光方向を９０度変える。ファラデー回転子１８と第１の偏光子１４との間に偏光ビームスプリッタ１６が配置され、Ｐ偏光成分６２ｂがＳ偏光成分６３ａとなり反射されてＯＰＯへ入射する。
【００２３】
このようにして、吸収及び励起により光ファイバ３６に蓄えられたエネルギーが偏光ビームスプリッタ１６、２４により効率よくＯＰＯなどに取り出される。このため、光ファイバ３６内にエネルギーが余りノイズ成分である自然放出（ＡＳＥ：Amplified  Spontaneous  Emission)光や寄生発振となることが抑制され、ファイバ増幅器のエネルギー効率を高く保つことができる。
【００２４】
偏光ビームスプリッタ１６、２４により取り出された増幅光６２ａ、６３ａはＯＰＯにより、例えば３または４μｍ帯の波長光に変換され、外部に放射される。２つのＯＰＯからの出射光をそれぞれ別に用いる場合も、合成して用いる場合もある。
【００２５】
ＯＰＯは、例えば、ＢａＢ２Ｏ４，ＬｉＢ３Ｏ５，ＢｉＢ３Ｏ６，ＬｉＮｂＯ３，ＫＴｉＯＰＯ４などのバルク非線形結晶からなりその非線形光学効果を利用して波長変換を行う。すなわち、２個のミラーで形成される光共振器内に配置された非線形結晶において、１個の高いエネルギー（高周波数）のフォトンが、２個の低エネルギーのフォトンに分割されることにより波長変換がなされる。
【００２６】
図３は、本実施形態の変形例にかかるファイバ増幅器の構成を表す図である。図１の実施形態において、増幅光６２は直交する直線偏波成分を有し、増幅光６２ａと６３ａとが例えば１０：１の比率で取り出された。図３に表す変形例では偏光ビームスプリッタ２４とダイクロイックミラー３２との間に移相子７０を配置し、直交する２つの直線偏光成分の位相差φを変える（０＜φ≦９０°）。移相子７０としては、１／４波長板、１／２波長板、補償板などを用いることができる。このようにすると、増幅光６２の偏光成分の比率を変え、増幅光６４ａ、６５ａの強度の比率を制御でき、例えば略同一強度の増幅光を２つのＯＰＯへそれぞれ入射させることができる。
【００２７】
以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態には限定されない。例えば、ファイバ増幅器を構成する偏光子、移相子、ファラデー回転子、光アイソレータ、ファイバ、反射ミラー、シード光源、励起光源の形状、サイズ、材質、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本実施形態にかかるファイバ増幅器の構成を表す図
【図２】光アイソレータの構成を表す図
【図３】変形例にかかるファイバ増幅器の構成を表す図
【符号の説明】
【００２９】
８  シード光源、１０  シード光、１６、２４  偏光ビームスプリッタ、１４、２２  グランレーザプリズム、１８  ファラデー回転子、２０  １／２波長板、２６  光アイソレータ、３１、４３  励起光源、３６  光ファイバ、３６ａ、３６ｂ  端部、４０  ２μｍ反射ミラー、６２  増幅光、６２ａ、６３ａ、６４ａ、６５ａ  Ｓ偏光成分、７０  移相子、１００、１０２  偏光子
【図１】
2009010183.tif 000004
【図２】
2009010183.tif 000005
【図３】
2009010183.tif 000006