(57)【要約】【課題】共添加光ファイバーにおける増幅自然放出或いは寄生発振を抑制する。【解決手段】共添加光ファイバーでは、レーザーの注入するエネルギーによってセンシタイザとして機能する添加物が励起され、その励起準位からアクチベータとして機能する添加物にエネルギーが与えられる。屈折率ガイド型のフォトニック結晶光ファイバー（ＰＣＦ）は、曲げた状態で使用されると、短波長ほど損失が増大する。この伝搬特性を用いて、アクチベータの利得スペクトル内の波長では損失が少なく、センシタイザの利得スペクトル内の波長（＜アクチベータの前記波長）では損失が大きくなる曲率半径でＰＣＦを使用する。【選択図】図５
2009044098.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のドーパントと第２のドーパントとが添加されたコア部と、前記コア部の周囲に配置されたクラッド部とを具備する屈折率ガイド型のフォトニック結晶光ファイバーであって、
前記フォトニック結晶光ファイバーは、前記第１のドーパントの利得スペクトル内の波長で正の利得を有し、
前記フォトニック結晶光ファイバーは、前記第１のドーパントの利得スペクトル内の波長よりも前記第２のドーパントの利得スペクトル内の増幅自然放出或いは寄生発振が生ずる波長で損失が大きくなるように決定された曲率半径を有する損失部を備える
利得フォトニック結晶光ファイバー。
【請求項２】
請求項１に記載された利得フォトニック結晶光ファイバーであって、
シングルモードである利得フォトニック結晶光ファイバー。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された利得フォトニック結晶光ファイバーであって、
前記損失部は、短波長側ほど損失が大きい
利得フォトニック結晶光ファイバー。
【請求項４】
第１のドーパントと第２のドーパントとが添加されたコア部と、前記コア部の周囲に配置されたクラッド部とを具備する屈折率ガイド型のフォトニック結晶光ファイバーと、
前記第２のドーパントを励起させる励起エネルギーを供給するレーザーとを具備し、
前記フォトニック結晶光ファイバーは、前記第１のドーパントの利得スペクトル内の波長で正の利得を有し、
前記フォトニック結晶光ファイバーは、前記第１のドーパントの利得スペクトル内の波長よりも前記第２のドーパントの利得スペクトル内の増幅自然放出或いは寄生発振が生ずる波長で損失が大きくなるように決定された曲率半径を有する損失部を備える
レーザー増幅システム。
【請求項５】
所定の波長で正の利得を有する共添加系の屈折率ガイド型のフォトニック結晶光ファイバーを提供するステップと、
前記共添加系の増幅自然放出或いは寄生発振が生ずる前記所定の波長より短い波長において前記フォトニック結晶光ファイバーの損失が所定の基準よりも大きくなるように前記フォトニック結晶光ファイバーの曲率半径を設定して固定するステップ
とを具備する利得フォトニック結晶光ファイバーの設定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶光ファイバーに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー光の大出力化に対応する等の目的で、複数種類の活性イオンが添加された光ファイバーが研究されている。こうした光ファイバーでは、センシタイザとして機能するドーパントが上準位に励起され、そのエネルギーがアクチベータとして機能するドーパントに移行される。図１に示される例では、Ｙｂ３＋がセンシタイザ、Ｅｒ３＋がアクチベータとして機能するイオンである。Ｙｂ３＋が９７５ｎｍ付近の光を吸収して上準位に励起され、そのエネルギーがＥｒ３＋に移行する。Ｅｒ３＋が下準位に移行することにより、１５５０ｎｍ付近の光が放出される。
【０００３】
こうしたレーザー媒質に用いられる複数活性イオンの共添加系では、イオン間のエネルギー移動を用い上準位に励起されたセンシタイザイオンの全エネルギーをアクチベータイオンに移行するのが理想である。しかし実際にはセンシタイザイオンの上準位は有限の寿命を有するため、エネルギー移動せずに基底状態へと緩和する経路が必ず存在する。この緩和経路は、寄生発振や増幅効率・安定性の低下など望ましくない動作を招くことが多い。
【０００４】
例えば図１のＥｒ：Ｙｂ共添加ガラス系は、Ｅｒ系にＹｂを高濃度添加して、ＹｂからＥｒへのエネルギー移動により１．５μｍ帯で利得を有する物質系である。ＹｂはＥｒとは異なり濃度消光が起きないため高濃度添加でき、吸収断面積も一桁大きいことから短尺ファイバー長で高利得を得ることができ、高出力増幅器、高出力レーザー用媒質として極めて重要であり、高密度波長多重化通信における高出力増幅器等として研究が進んでいる。エネルギー移動を効率的に行うために、Ｐを添加し結晶場を変化させることでＥｒの４Ｉ１１／２準位の寿命を短くしたり、ＹｂがＥｒの周りを取り囲むようにクラスタリングするよう添加物の濃度比や添加法を制御するなどの努力が長年行われてきた。
【０００５】
しかしながらガラス中への活性イオン添加は一般的に難しく、クラスタリングにより不均一な結晶場となるため、経験工学の域を出ずイオン間相互作用を理想的に制御することは実現していない。従って増幅自然放出（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）・寄生発振による効率の低下、ジャイアントパルス発生による端面破壊と出力限界、安定性の低下などの問題があり、未だ解決できていない。
【０００６】
Ｅｒ／Ｙｂ共添加光ファイバーレーザーの例として非特許文献１、２を挙げる。
【非特許文献１】J.K. Sahu et al, “A 103 W erbium-ytterbium co-doped large-core fiber laser”, Optics Communications, 2003, Vol. 227, p.159-163
【非特許文献２】P.K. Cheo et al, “Clad-Pumped Yb: Er Codoped Fiber Lasers”, IEEE Photonics Technology Letters, March 2001, Vol. 13, No. 3, p.188-190
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、上述のセンシタイザイオンの緩和経路の遷移エネルギーは利用するアクチベータイオンの遷移エネルギーよりも大きく、従って、光ファイバーで増幅される信号の波長、或いはレーザーの発振波長として使われるアクチベータの利得スペクトル内の波長（波長λＡ）よりも短波長側で発光する。この発光（センシタイザの利得スペクトル内の波長λＳの発光）が更に上準位センシタイザのエネルギーを奪って大きく増幅され、ＡＳＥや寄生発振として増幅効率・安定性の低下を招いたり、高出力動作限界を与える。
【０００８】
この誘導増幅過程を抑制するには、センシタイザの利得スペクトル内の波長λＳ付近の光をカットし、一方波長λＡ付近ではそのまま増幅するような波長依存損失を与えるとよい。しかしファイバーのような長尺の連続媒質では、誘電体多層膜フィルターなどを多数入れることは困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明による利得光ファイバーは、第１のドーパントであるアクチベータと第２のドーパントであるセンシタイザとが添加されたコア部（４）と、コア部の周囲に配置されたクラッド部（６）とを具備する屈折率ガイド型のフォトニック結晶光ファイバー（２）であって、フォトニック結晶光ファイバーは、第１のドーパントの利得スペクトル内の波長で正の利得を有し、第２のドーパントの利得スペクトル内のＡＳＥ或いは寄生発振が生ずる波長で損失が大きくなるように決定された曲率半径を有する損失部を備える。
【００１１】
好ましくは本発明による利得光ファイバーは、シングルモードのフォトニック結晶光ファイバーである。損失部は、短波長側ほど損失が大きい。
【００１２】
本発明によるレーザー増幅システムは、本発明による利得フォトニック結晶光ファイバーと、その第２のドーパントを励起させる励起エネルギーを供給するレーザーとを備える。このレーザー増幅システムは、利得フォトニック結晶光ファイバーに入力され第１のドーパントの利得スペクトル内の波長を有する信号光を増幅するために用いられる。或いは、このレーザー増幅システムは更に共振器を備える。第１のドーパントが添加された利得フォトニック結晶光ファイバーをレーザー媒質として誘導放出した光は、その共振器で共振してレーザー発振する。
【００１３】
本発明による利得フォトニック結晶光ファイバーの設定方法は、所定のレーザーまたは増幅波長λＡで正の利得を有する共添加系の屈折率ガイド型のフォトニック結晶光ファイバーを提供するステップと、波長λＡよりも短い前記共添加系のＡＳＥ或いは寄生発振波長においてフォトニック結晶光ファイバーの損失が所定の基準よりも大きくなるようにフォトニック結晶光ファイバーの曲率半径を設定して固定するステップとを備える。
【発明の効果】
【００１４】
屈折率ガイド型のフォトニック結晶光ファイバー（ＰＣＦ：Photonic Crystal Fiber）では、曲率を印加した際に短波長ほど損失が増大する。短波長ほどクラッド部の実効屈折率が増大し、コアモードとの実効屈折率差が減少するためで、通常のステップインデックスファイバーなどでは見られない特性である。この伝搬特性を用い、複数イオン共添加利得ファイバーのクラッド部に周期的な空孔構造を施してＰＣＦとし、曲率を印加すると、波長λＳ付近では大きな損失を持ち、一方波長λＡ付近ではほとんど損失のない伝搬特性を有する利得フォトニック結晶光ファイバーを作ることができ、上記の課題を解決することができる。
【００１５】
本発明は、高密度波長多重化通信やアイセーフ応用を目的に近年盛んに研究されている高出力Ｅｒ：Ｙｂ共添加ファイバー増幅器・レーザーに特に有効であると期待される。高出力化、高効率化、そしてＹｂからの発光雑音の低減による低雑音化が可能であり、次世代増幅器へとつながるアイデアを提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。図２は、本実施例における屈折率ガイド型のＰＣＦの断面を示す。ＰＣＦ２は、光ファイバーの延長方向に延在するコア４と、そのコア４の周りに配置されたクラッド６とを有する。クラッド６には多数の空孔８が形成されている。それらの空孔８は、コア４に平行に、即ち光ファイバーの延長方向に延在して形成されている。図２に示されるような延長方向に垂直な断面においては、複数の空孔８はピッチΛの三角格子配列で周期的に形成されている。こうしたＰＣＦ２は、空孔８が形成されていることに起因するクラッド６とコア４の光学的性質の差に基づいて、光をコア４に沿って導波させる。
【００１７】
コア４にはＥｒ（エルビウム）イオンとＹｂ（イッテルビウム）イオンとが共添加されている。Ｙｂはセンシタイザ、Ｅｒはアクチベータとして働き、Ｅｒの１．５μｍ帯で利得を有する。ＹｂはＥｒとは異なり濃度消光が起きないため高濃度添加でき、吸収断面積も一桁大きいことから、Ｙｂで励起光を吸収させエネルギー移動させることで、短尺ファイバー長で高利得を得ることができる。Ｅｒ：Ｙｂ共添加ファイバーは、高出力増幅器、高出力レーザー用媒質として極めて重要であり、高密度波長多重化通信における高出力増幅器等として研究が進んでいる。
【００１８】
センシタイザイオン／アクチベータイオンとしては、本実施例におけるＹｂ／Ｅｒに代えて、Ｔｍ３＋／Ｈｏ３＋，Ｙｂ３＋／Ｐｒ３＋，Ｅｒ３＋／Ｔｍ３＋，Ｎｄ３＋／Ｙｂ３＋，Ｃｒ３＋／Ｎｄ３＋などを用いることができる。また、これらのドーパントの対を含む３以上の添加物質を含む共添加系のＰＣＦに適用しても同様の効果が期待できる。
【００１９】
本実施例では、ＰＣＦ２はシングルモードであり、コア４の径＝３５μｍ、モードフィールド直径ＭＦＤ＝２６μｍ、空孔８のピッチΛ＝２２μｍ、空孔８の径とピッチの比ｄ／Λ＝０．５４である。このＰＣＦ２の様々な曲率半径の場合の曲げ損失の計算結果を図３に示す。曲率半径を１０ｃｍよりも小さくすると１μｍ帯で損失が増大する。図４は、実際に白色光のコアモード透過スペクトルを測定した結果を示す。曲率半径９ｃｍ以下で１μｍ付近の損失が発生していることが分かる。
【００２０】
図５にファイバー増幅器の実験図を示す。ファイバーはエアクラッドを有しており、レーザーダイオード（ＬＤ）でクラッド励起される。超短パルスレーザー（１２ｐｓ，２００ｍＷ，４７ＭＨｚ＠１．５５７μｍ）をシードに用いて増幅する。上記のように設定された曲率半径で曲げられた曲げ領域は、共添加ＰＣＦ２の一部であっても以下の効果は得られるが、ほぼ全領域であることが望ましい。例えば光ファイバーが長い場合は、複数回巻くことによって光ファイバーの全領域に上記の曲率半径を印加することができる。
【００２１】
曲率半径が１６ｃｍの時、励起パワーが１５Ｗを越えるとＹｂイオンからの寄生発振が１．０３０μｍ付近で発生し、信号光のパワーを越えてしまう（図６（ａ）参照）。この寄生発振は不安定なジャイアントパルスとして発生し、ファイバー端面が破壊されてしまうのでこれ以上励起パワーを増大することができない。この限界がパワー限界を与える。しかし曲率半径を９ｃｍとすると、寄生発振は完全に抑圧され（図６（ｂ）参照）、１．５５７μｍシード光を安定に増幅することができ、励起パワー限界を向上させることができた。
【００２２】
このように、適切に調節された曲率半径でＰＣＦを積極的に曲げて設置することにより寄生発振を減衰させる方法では、適切な空孔構造と曲げ径の設計が重要である。図２に示したようなＰＣＦで一般的な三角格子構造の場合、空孔８の直径ｄ、空孔８のピッチΛ、ファイバーの材質の屈折率をｎとする。このＰＣＦの実効モード面積をＡｅｆｆ、ＶパラメータをＶＰＣＦとすると、曲率半径Ｒｂｅｎｄでの波長λにおける損失α（λ）［ｄＢ／ｍ］は次の式で書ける。
【数１】
2009044098.tif 000003
【００２３】
ここでＡｅｆｆ、ＶＰＣＦはｄ、Λによって決まり、有限要素法などの数値計算で求めなければならないが、波長に対する依存性が小さいため定数と見なすことができる。通常はＶＰＣＦ〜π付近で用いられる場合が多いため、簡単のためにこのように置く。損失の係数はＡｅｆｆと波長に依存するが、曲げによる特徴的な損失の増大はＦ（ｘ）で決まるため、カットしたい波長をλＳ、ｘ〜２を損失増大点とすれば、臨界曲率半径Ｒｃは、
【数２】
2009044098.tif 000004
と書ける。実施例のΛ＝２２μｍ、λＳ＝１．０３μｍ、ｎ＝１．４４４（シリカ）を代入すれば、Ｒｃ〜８ｃｍとなる。このように、寄生発振波長におけるＰＣＦの損失が所定の基準を満たす大きさとなるように曲率半径を計算し、その曲率半径となるように光ファイバーを固定して使用することによって寄生発振を抑圧できる。
【００２４】
応用として、ＰＣＦ内にらせん状（ｈｅｌｉｃａｌ）にコアを作成したｔｗｉｓｔｅｄコアファイバーが考えられる。図７はその概略図を示す。ＰＣＦ１０の延長方向を中心軸とする螺旋状にコア１２が形成される。コア１２の周囲にコア１２に平行に多数の空孔が周期的に形成されることによってＰＣＦのクラッドが形成される。添加物は図１を参照して例示したものと同様のセンシタイザとアクチベータである。中心からのオフセットと螺旋の周期を精密に設計することで、マクロな曲げによらずに所定の波長依存損失を有する伝搬特性を保持でき、アクチベータイオンからのエネルギー損失が抑制された増幅器・レーザー用利得ファイバーとして用いることができる。
【００２５】
図７に示されたｔｗｉｓｔｅｄコアファイバーにおいて、コア１２の軸方向の螺旋の周期をＰ、中心軸からのオフセットをρとすると、Ｐ＞＞ρの場合、曲率半径は
【数３】
2009044098.tif 000005
で表される。このＲが臨界曲率半径Ｒｃであるとき、（２）式を用いれば、
【数４】
2009044098.tif 000006
となる。実施例の場合、Ｐ２／ρ＝３．１６ｍとなり、例えばＰ＝１０ｍｍとするとρ＝３２μｍのオフセットが必要となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】Ｅｒ／Ｙｂ共添加ガラス系におけるエネルギー準位図を示す。
【図２】ＰＣＦの断面図である。
【図３】曲率半径と損失の関係の計算結果を示す。
【図４】曲率半径を変化させたときの白色光のコアモード透過スペクトルを示す。
【図５】ファイバー増幅器の実験図を示す。
【図６】曲率半径を変えたときの出力特性を示す。
【図７】ｔｗｉｓｔｅｄコアＰＣＦを示す。
【符号の説明】
【００２７】
２  フォトニック結晶光ファイバー（ＰＣＦ）
４  コア
６  クラッド
８  空孔
１０  ＰＣＦ
１２  コア
【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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