(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦続接続された光ファイバラマンデバイスを含む装置であって、
ａ）ある長さの光ファイバと、
ｂ）波長λp のポンプ放射線を前記長さの光ファイバに導くカップラと、
ｃ）各波長λ1 ，λ2 ．．．λn を有する放射線を反射するように選択された反射器であって、隣接するどの２つの波長の波長差も、ストークスシフトに対応すると共に、ｎ≧２である反射器とを含む装置において、
ｄ）前記反射器は、複数の狭帯域反射器を含み、前記狭帯域反射器は各々、２０ｎｍ以下の半最大時全幅（ＦＷＨＭ）を有する反射率曲線を持ち、
ｅ）前記反射器は、さらに、前記ストークスシフトより大きいＦＷＨＭをもつ広帯域反射器を含み、前記狭帯域反射器および広帯域反射器は、波長λ1 ，λ2 ．．．λn の光空洞を提供するように配置されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、ｎ＞２であり、前記光空洞の各々は、２０ｎｍ以下のＦＷＨＭを有する狭帯域反射器と、前記広帯域反射器とで規定されている装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、前記広帯域反射器は、波長λp のポンプ放射線を反射すると共に、波長λ1 ，λ2 ．．．λn のうちの少なくとも１つの波長も反射するように選択されている装置。
【請求項４】
請求項３記載の装置において、前記広帯域反射器は、波長λ1 ，λ2 ．．．λn の各々の放射線を反射するように選択されている装置。
【請求項５】
請求項３記載の装置において、前記広帯域反射器は、前記波長の各々において反射率＞９０％を有する装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、前記広帯域反射器は、光ファイバ端面に配置された多層誘電体ミラーである装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置において、前記デバイスは、波長λp のポンプ放射線をストークスシフトすることによって、波長λn の出力放射線を発生するのに適合したラマンファイバレーザである装置。
【請求項８】
請求項１記載の装置において、前記デバイスは、刺激されたラマン散乱によって、波長λS ＞λn の入力放射線を増幅するのに適合したラマンファイバ増幅器である装置。
【請求項９】
請求項１記載の装置において、前記装置は、波長λS の信号放射線の送信機と、前記信号放射線の受信機と、送信機と受信機を信号伝送可能に接続する光ファイバ伝送路とからなり、前記光ファイバ伝送路には光ファイバ増幅器が配置され、前記増幅器は、請求項１による縦続接続された光ファイバラマンレーザからポンプ放射線を受け取る装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、カスケード（縦つなぎ）に接続（以下、「縦続接続」と呼ぶ）された光ファイバラマンデバイス、たとえばラマンレーザまたは増幅器に関し、特にこのようなデバイスを含む物に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
米国特許第５，３２３，４０４号（参照によりここに含まれる）には、縦続接続された光ファイバラマンレーザおよび増幅器（ひとまとめにして“デバイス”）が開示されている。これらのデバイスは、間隔を置いて配置された反射器の１つまたはそれ以上のペアからなり、各反射器ペアは、同じ中心波長を有している。反射器は、典型的には、ゲルマニウム入りコアを有するＳｉＯ2 ベースの光ファイバに書き込まれた管内屈折率ブラッグ反射器であり、各反射器ペアは、ファイバに光空洞を与える。波長が隣り合っている空洞は、１ストークスシフトだけ波長が異なっており、より長い波長がラマン利得スペクトラム内にある。シリカのラマン利得スペクトラムについては、“光ファイバ通信”，編集者エス・イー・ミラー（Ｓ．Ｅ．Ｍｉｌｌｅｒ）等，アカデミックプレス，１９７９，第１２７ページを参照されたい。光空洞のうちの１つと共振する放射線は、“ストークス列”と呼ばれる。同様に、ディジョバンニ（ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉ）等により１９９７年７月２１日に出願された米国特許出願第０８／８９７，１９５号およびダブリュ・エイ・リード（Ｗ．Ａ．Ｒｅｅｄ）等により１９９７年６月６日に出願された米国特許出願第０８／８７１，０２３号、これらは共に参照によりここに含まれる、も参照されたい。
【０００３】
光ファイバラマンデバイスは、波長λp のポンプ放射線を光ファイバに接続する手段を含み、λp より長い波長の放射線の放射に適合している。従来技術のデバイスのさらなる細部については、’４０４特許および’１９５特許出願を参照されたい。
【０００４】
縦続接続された光ファイバラマンデバイスの多くの可能性のある重要なアプリケーションにおいて、反射器ペアの数は２以上になっている。たとえば、１．５μｍ出力を有し、１．１μｍポンプ放射線を使用するレーザは、典型的に５ペアの反射器を必要とする。各反射器ペアの構成要素は、本質的に同じ中心波長を有するので、製造が難しい同数の反射器を備えたデバイスであるばかりでなく、多数の反射器に起因する望ましくない減衰がかなり生じることがある。たとえば、ストークス列は、放射線が他の波長の反射器を通過するとき、０．５ｄＢ損失まで経験することがある。
【０００５】
縦続接続されたラマンデバイスは、高パワーアプリケーション、たとえば希土類ドープされたファイバ増幅器用または自由空間通信用のポンプ源としてのレーザや、光通信システムにおける増幅器用の増幅器にとって望ましい可能性がある。したがって、このデバイスは、従来技術の縦続接続されたラマンデバイスより高い出力パワーおよび／または低いスレショールドを有する利用可能なデバイスを備えることが大いに望ましい。
【０００６】
当業者に知られているように、ストークスシフトは、ファイバ材料のラマン利得スペクトラムと、波長シフトの量を決定する周波数選択素子、たとえばファイバブラッグ回折格子とによって決定される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ストークス列λ1 ，λ2 ．．．λn を有するように選択された改善された縦続接続された光ファイバラマンデバイス、すなわち縦続接続された光ファイバラマンレーザまたは増幅器を含む物（たとえば、光通信システム）において実施される。ここで、ｎは、典型的に２より大きいかまたは２に等しく、ストークス列の波長は、λ1 からλn へ増加する。
【０００８】
詳細には、この物は、ある長さの光ファイバ，典型的にはゲルマニウムドープされたコアを有するＳｉＯ2 ベースの単一モードファイバからなるデバイスを含む。このデバイスは，さらに，波長λp のポンプ放射線をその長さの光ファイバに導く手段を含み、その上、波長λ1 ，λ2 ．．．λn の各々の放射線を反射するように選択された反射器を含む。ここで、隣接するどの２つの波長の波長差も、ストークスシフトになる。ストークスシフトは、全空洞について同じにする必要はないが、約４００ｃｍ-1のラマン利得スペクトラムにおけるピークまたはその近くになることがあるだろう。オプションとして、このデバイスは、ポンプ放射線λp を反射するように選択された反射器も含む。
【０００９】
重要なことに、反射器は、多数の狭帯域反射器を含む。この狭帯域反射器は各々、２０ｎｍ以下の半最大時全幅（ＦＷＨＭ）を有する反射率曲線を持っている。反射器は、さらに、適切なストークスシフトより大きいＦＷＨＭを有する少なくとも１つの広帯域反射器を含む。反射器は，波長λ1 ，λ2 ．．．λn に対する光空洞を与えるように配置される。
【００１０】
狭帯域反射器は、典型的に、従来の管内屈折率回折格子であり、しばしば３ｎｍ以下のＦＷＨＭを有する。広帯域反射器は、典型的に多層誘電体ミラーであり、典型的には上述の長さの光ファイバの端面に配置される。好適な実施例では、２つ以上の光空洞が、１個の広帯域反射器で限定される。好適には、ｎ個の光空洞はすべて、広帯域反射器で限定され、ｎは典型的に４以上になる。光空洞のいくつかまたはすべてを限定することに加えて、広帯域反射器は、オプション的にポンプ放射線λp を反射するのに役立つこともできる。
【００１１】
驚くべきことに、我々は、いくつかまたはすべての空洞を限定するための広帯域反射器の使用が，同様に空洞を限定する狭帯域反射器にうまく整合しない波長での放射および増幅と関連する著しい損失にならないことがわかった。たとえば、我々は、ストークス列の１つが、反射器の１個を除くすべてを通過するように作られた場合、１個の広帯域反射器が、いくつかの狭帯域反射器のセットよりかなり少ない損失を持つことがわかった。これは、典型的に、より高い変換効率とより低い励起スレショールドになり、より短いファイバ長の使用を促進することができる。さらに、ポンプ放射線は、もはや、狭帯域反射器と整合する厳しい必要条件を満足する必要がない。狭帯域反射器の単一セットの製造は、狭帯域反射器の第２のセットと整合させる必要がないため、比較的容易である。最後に、本発明によるデバイスは、対応する従来技術のデバイスに勝るコスト利点を持つことができる。なぜなら、典型的に、１個の広帯域反射器は、整合された狭帯域反射器のセットより低いコストで提供することができるからである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図面は、縮尺または比例的なものではない。
図１は、従来技術の縦続接続された光ファイバラマンレーザ１０を概略的に示す。このレーザは、ある長さ（たとえば、約１ｋｍ）の光ファイバ１１と、ポンプ放射線源１２とからなる。ポンプ放射線は、従来手段によってその長さの光ファイバに入射される。典型的には、ポンプ波長λp は、１１１７ｎｍであり、ポンプ放射線源１２は、典型的に、クラッディングポンプ式ファイバレーザまたは高パワー固体レーザである。また、ラマンレーザは、狭帯域反射器、典型的には管内屈折率回折格子の２セット（１３，１４）からなる。セット１３は、典型的には６個の回折格子からなり、これらは、典型的には中心波長１１１７，１１７５，１２４０，１３１５，１３９８および１４８０ｎｍを有する。１１１７ｎｍ回折格子は、オプション的なポンプ反射器である。１４８０ｎｍ回折格子を除くすべての回折格子は、高い反射率（たとえば、＞９５％）の狭帯域（ＦＷＨＭ≦３ｎｍ）反射器である。１４８０ｎｍ回折格子（出力カップラと呼ばれる）は、比較的低い反射率（たとえば、約１０−２０％）と、他の回折格子のものと同じＦＷＨＭを有する。回折格子セット１４は、典型的に、中心波長１１７５，１２４０，１３１５，１３９５および１４８０ｎｍを有する回折格子を含むが、他の中心波長を使用することもできる。この長さの光ファイバを１１７ｎｍ放射線でポンプすると、上述の回折格子に対して、利用のために入手可能な１４８０ｎｍ放射線１６のファイバからの放射になる。
【００１３】
図２は、本発明による典型的なラマンデバイスを概略的に示す。このラマンデバイス２０は、ある長さの光ファイバ１１と、ポンプ源１２と、狭帯域反射器１３（典型的には、中心波長１１７５，１２４０，１３１５，１３９５および１４８０ｎｍを有する）のセットとからなる。ポンプ放射線１５（典型的には１１１７ｎｍ）は、従来のカップラ２２（しばしば“ＷＤＭ”と呼ばれる）によってその長さの光ファイバに入射され、ストークスシフトされた１４８０ｎｍの放射線１６が利用のために入手できる。
【００１４】
図２に示されるように、１個の広帯域ミラー２１は、その上に入射されるすべての波長、典型的には１１１７ｎｍポンプ放射線と、１１７５，１２４０，１３１５，１３９５および１４８０ｎｍのストークスシフトされた放射線とを反射する。しかしながら、これは必要条件ではなく、ハイブリッド反射器を備えたレーザが期待される。たとえば、広帯域ミラーは、ポンプ放射線と、ストークスシフトされた波長のうちの１つ以上（たとえば、１１７５および１２４０ｎｍ）とを反射するように選択することができ、残りのストークスシフトされた波長は従来の狭帯域反射器で反射される。
【００１５】
さらなる例として、広帯域反射器は、ストークスシフトされた波長のうちの２つ以上（たとえば、１３１５，１３９５および１４８０ｎｍ）を反射するように選択することができ、残りのストークスシフトされた波長と、ポンプ波長は、従来の狭帯域反射器で反射される。しかしながら、好適な実施例では、広帯域反射器は、ストークスシフトされた波長のすべてを反射し、また、オプション的にλp も反射する。
【００１６】
図３は、本発明の他の実施例、すなわち、縦続接続された光ファイバラマン増幅器３０を概略的に示す。信号放射線３１（典型的には１５５０ｎｍ）は、ラマン増幅器ファイバ１１に接続され、ファイバ中を進み、増幅された信号は、従来のＷＤＭ３３でファイバから接続される。ポンプ放射線１７（典型的には１１１７ｎｍ）は、従来のＷＤＭ１３でラマン増幅器ファイバに接続される。狭帯域反射器（典型的には、１１７５，１２４０，１３１５，１４８０ｎｍ）のセット（１４）は、広帯域反射器３４と共に、光空洞を限定する。信号の増幅は、刺激されたラマン散乱によって起こる。
【００１７】
図４−５は、広帯域反射器の使用により達成できる著しい改善を説明する計算データを示す。ファイバは、ＳｉＯ2 ベースであり、高いΔの、小さなコアの光ファイバであると仮定され、広帯域反射器は、λp とすべてのラマンシフトされた波長とに対して＞９８％（および、典型的には、λn 以上の次のストークス列において＜１０％）の反射率を有すると仮定され、狭帯域反射器は、各中心波長、λp ＝１１１７ｎｍにおいて＞９８％の反射率を有すると仮定され、出力カップラは、１４８０ｎｍで１０％の反射率を有すると仮定される。
【００１８】
図４は、それぞれ１，２および３Ｗのポンプパワーに関するファイバ長の関数としてのレーザ出力パワーを示す。この図は、所定のファイバ長とポンプパワーに対して、広帯域反射器を有するレーザが、対応する従来技術の、狭帯域反射器を有するレーザよりもかなり大きい出力パワーを有することを明らかに示している。
【００１９】
図５および６は、それぞれ５００ｍおよび２５０ｍファイバ長に関する、ポンプパワーの関数としてのレーザ出力パワーを示す。これらの図は、所定のポンプパワーに対して、広帯域反射器を有するレーザが、対応する従来技術の、狭帯域反射器を有するレーザよりかなり大きい出力パワーを有することを示している。また、これらの図は、本発明によるレーザが、対応する従来技術のレーザよりかなり低いスレショールドパワーを有することも示している。
例として、２Ｗポンプパワーにおいて、広帯域反射器の使用は、０．８３Ｗから１．０３Ｗまでの出力増加になり、５００ｍファイバ長では、０．３５８Ｗから０．２８８Ｗまでのスレショールドの減少になる。
【００２０】
図７は、典型的な広帯域反射器、すなわち多層誘電体ミラーの波長対反射率を示す。このような反射器は、たとえばペンシルバニア州ウィローグローブのエバポレイテッド  コーティング社から商業的に入手することができ、特定の必要条件、たとえばλp およびλ1 ，λ2 ．．．λn に対して反射率＞９０％およびλn に直接関するストークス列に対して＜１０％を満足するように製作することができる。後者の条件は、ラマン増幅器の信号波長における励起を防ぐのに望ましい。
【００２１】
図８は、本発明による典型的な通信システム８０を概略的に示す。ここで、数字８１および８２は、それぞれ送信機および受信機を示し、数字８３は、従来の送信ファイバを示す。数字８４は、従来の希土類ドープされた増幅器ファイバを示し、数字８５−８７は、それぞれ、広帯域反射器を有するラマンレーザと、ポンプ放射線源と、ラマンレーザを希土類ドープされた増幅器ファイバに接続するＷＤＭカップラを示す。“ｘ”記号は、ファイバ重ね継ぎを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の縦続接続されたラマンファイバレーザを概略的に示す図である。
【図２】本発明による典型的な縦続接続されたラマンファイバレーザを概略的に示す図である。
【図３】本発明による典型的な縦続接続されたラマンファイバ増幅器を概略的に示す図である。
【図４】本発明によるレーザと対応する従来技術のレーザに関する典型的な計算データを示す図である。
【図５】本発明によるレーザと対応する従来技術のレーザに関する典型的な計算データを示す図である。
【図６】本発明によるレーザと対応する従来技術のレーザに関する典型的な計算データを示す図である。
【図７】典型的な広帯域反射器の反射率曲線を示す図である。
【図８】本発明による典型的な光ファイバ通信システムを概略的に示す図である。
【符号の説明】
１１  光ファイバ
１２  ポンプ源
１３  狭帯域反射器
１５  ポンプ放射線
１６  ストークスシフトされた放射線
２０  ラマンデバイス
２１  広帯域ミラー
２２  カップラ
【図１】
0003749392.tif 000002
【図２】
0003749392.tif 000003
【図３】
0003749392.tif 000004
【図４】
0003749392.tif 000005
【図５】
0003749392.tif 000006
【図６】
0003749392.tif 000007
【図７】
0003749392.tif 000008
【図８】
0003749392.tif 000009