大モード面積でマルチモードの利得生成光ファイバを用いる高パワー光学装置
【課題】高輝度ポンプ光源でコア・ポンプされるマルチモードのＧＰＦを提供する。
【解決手段】光学装置は、ファイバのコアの中で伝播する信号光に利得を与えるマルチモードの利得生成ファイバと、コアの中で吸収されるポンプ光を供給するポンプ光源とを含み、（ｉ）ポンプ光源が例示的には、低輝度のレーザ・ダイオードのアレイと、ポンプ光の輝度を増大させる変換器とを備え、（ｉｉ）ポンプ光が、コアの中に直接結合され、（ｉｉｉ）コアの面積が、約３５０μｍ２を超えることを特徴とする。一実施形態では、利得生成ファイバに入る前に標準の入力ファイバの中を共に、信号光はシングル・モードで伝播し、ポンプ光は少なくとも同じシングル・モードで前方伝播し、モード・エクスパンダが、入力ファイバと利得生成ファイバの間で配設される。別の実施形態では、複数のポンプが、利得生成ファイバのコアの中に結合される。複数のポンプは、同じ波長の光または異なる波長の光を発生させてよい。
【解決手段】光学装置は、ファイバのコアの中で伝播する信号光に利得を与えるマルチモードの利得生成ファイバと、コアの中で吸収されるポンプ光を供給するポンプ光源とを含み、（ｉ）ポンプ光源が例示的には、低輝度のレーザ・ダイオードのアレイと、ポンプ光の輝度を増大させる変換器とを備え、（ｉｉ）ポンプ光が、コアの中に直接結合され、（ｉｉｉ）コアの面積が、約３５０μｍ２を超えることを特徴とする。一実施形態では、利得生成ファイバに入る前に標準の入力ファイバの中を共に、信号光はシングル・モードで伝播し、ポンプ光は少なくとも同じシングル・モードで前方伝播し、モード・エクスパンダが、入力ファイバと利得生成ファイバの間で配設される。別の実施形態では、複数のポンプが、利得生成ファイバのコアの中に結合される。複数のポンプは、同じ波長の光または異なる波長の光を発生させてよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大モード面積（ＬＭＡ）でマルチモードの利得生成光ファイバを用いる高パワー光学装置に関し、より詳細には高パワー光増幅器およびそのようなファイバを用いるレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバのコアの中で伝播する光信号を増幅するために、典型的にはコアは、利得生成の化学種で添加されており、次いでこの化学種によって吸収される波長で光ポンプによってポンプされる。シリカ光ファイバでは、コアは例示的には、希土類元素（例えば、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｅｒ−Ｙｂ、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏなど）またはクロム（Ｃｒ）で添加されており、それにより近赤外線範囲（例えば、〜１０００から１６００ｎｍ）の波長の信号が増幅されることを可能にする。ＥｒおよびＥｒ−Ｙｂシリカ・ファイバは通常、約１５００ｎｍを上回る波長の信号を増幅するために使用され、典型的には９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍで、あるいは９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの近くでポンプされる。
【０００３】
利得生成ファイバ（ＧＰＦ：ｇａｉｎ−ｐｒｏｄｕｃｔｉｎｇ ｆｉｂｅｒ）の応用は、電気通信などの比較的に低パワーの応用から材料加工、分光法および距離測定などのよりいっそう高パワーの応用まで及ぶ。本明細書においては、後者に目を向けている。
【０００４】
ＧＰＦに基づくレーザおよび増幅器のシステムは、小型で強固な高パワー放射源（例えば、ピーク・パワーが＞数１０ｋＷ）である。安全上の理由により１５００ｎｍを超える目に安全な波長でそのようなシステムを動作させることが望ましい。典型的には、Ｅｒ−Ｙｂを共添加したよく知られているダブル・クラッド・ファイバ（ＤＣＦ：ｄｏｕｂｌｅ ｃｌａｄ ｆｉｂｅｒ）を用いる増幅器が、これらの波長で使用される。これらの増幅器は、低輝度ダイオード・レーザのアレイによってポンプされる。アレイの光出力は、大きな角度分布を有するので、それは大きな開口数（ＮＡ）を有するマルチモード・ファイバの中にだけ効率的に結合できる。ダイオードのエネルギーを効率的に使用するために、（信号が内部を伝播する）中心コアが利得生成の化学種で添加され、高ＮＡの導波管によって囲まれているＤＣＦの形状がＧＰＦに利用される。導波管は、コアを囲むと共にダイオード・アレイ・ポンプ光を誘導する無添加の内側クラッドと、内側クラッドを囲むより低い屈折率の外側クラッドとを含む。このダブル・クラッド形状により、コア面積に対する内側クラッド面積の比におおよそ比例する因子によって単位長さ当りのポンプ吸収を低減させる。したがって、比較的に高濃度のコア・ドーパントが、短いファイバ長にわたって高いポンプ吸収を達成するために必要とされ、そのことは非線形効果、増幅自然放出光（ＡＳＥ）および信号再吸収を最小化するために望ましいものである。
【０００５】
しかし、シリカ中のＥｒ濃度は、ペアにより引き起こされる消光（ｐａｉｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）によって制限される。ポンプ・エネルギーが高濃度のＹｂによって吸収されると共にＥｒへ伝達されるところのＥｒ−Ｙｂ共添加ファイバは、この制限を克服し、高いポンプ吸収および高い単位長さ当りの利得を与える。［Ａ．Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ、「Ｍｏｄｅ−Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｆｉｂｅｒ−Ｂａｓｅｄ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒ．、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．４、５０４〜５１７頁（２００１）を参照。これは、参照により本明細書に組み込まれる。］。この手法により、（非線形性が出始める前は）エネルギー２６２μＪで、しかしＭ２＝２．１の劣化したビームであるパルスの発生という結果になった［Ｍ．Ｓａｖａｇｅ−Ｌｅｕｃｈｓら、「Ｈｉｇｈ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ ｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅ，ｅｙｅ ｓａｆｅ ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ」、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．６１０２、６１０２０７−（１−８）頁、（２００６）を参照。これも、参照により本明細書に組み込まれる。］。しかし、Ｅｒ−Ｙｂ共添加ファイバは、ある種の不都合を有している。ＹｂからＥｒへ効率的なエネルギー伝達を達成するために、Ｅｒ−Ｙｂ共添加ファイバは、大量のリン（Ｐ）で共添加され、それによりコア・インデックスを高くしており、それにより最大達成可能モードフィールド面積（ＭＦＡ：ｍａｘｉｍｕｍ ａｃｈｉｅｖａｂｌｅ ｍｏｄｅ−ｆｉｅｌｄ−ａｒｅａ）を制限し、それらを高くマルチモード化させる。コアの屈折率分布は大抵、製造を行っている間のＰのバーン・ホフにより大きなセンター・ディップ（ｌａｒｇｅ ｃｅｎｔｅｒ ｄｉｐ）を有し、それにより空間モードを歪ませる。それらは、９００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長でポンプされ、したがって、１５００ｎｍでの利得に対する量子効率は低い。したがって、かなりの熱が発生させられ、内側クラッドを囲む高分子被膜に対する損傷を防ぐために冷却が必要とされ得る。
【０００６】
Ｅｒ−Ｙｂに基礎を置く光増幅器の代替として、ＤＣＦ設計が提案されている。［例えば、Ｄ．Ｔａｖｅｒｎｅｒら、「１５８−μＪ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−ｍｏｄｅ，ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ ｅｒｂｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．６、３７８〜３８０頁（１９９７）を参照。これは、参照により本明細書に組み込まれる。］。１０年が経過したこの論文の中で、著者らは、パワー段がＬＭＡのシングル・モードのＥｒ添加ファイバを含んでいる光ファイバ増幅器が、９８０ｎｍのＴｉサファイア・レーザによって逆方向に端面励起されたことを説明している。増幅される１５３４ｎｍの信号は、前置増幅器段を通ってパワー段まで標準のバルク光学部品を介して結合された。Ｅｒ添加ファイバと前置増幅器段の間の結合光学系は、それらの大きなＮＡ不整合を吸収するように選択された。この設計は、１０〜１００ｐＪの信号パルスをエネルギーが１５８μＪおよびピーク・パワーが＞１００ｋＷまで増幅したと報告された。しかし、Ｔａｖｅｒｎｅｒの増幅器設計は、以下のいくつかの理由で不利である。すなわち、（ｉ）Ｔａｖｅｒｎｅｒの増幅器設計は、複数のバルク光学部品を使用し、それにより環境条件が経時的に変化する際に調整することおよび調整を維持することが困難である；（ｉｉ）Ｔａｖｅｒｎｅｒの増幅器設計は、大きくて、制御が困難であり、パワーを制限したＴｉサファイア固体ポンプレーザを使用する；および（ｉｉｉ）Ｔａｖｅｒｎｅｒの増幅器設計は、シングル・モードＥｒ添加ファイバを使用しており、これはＭＦＡが制限されること、およびしたがってファイバのエネルギー蓄積能力が同様に制限されることを意味する。
【特許文献１】米国特許第７０１３６７８号
【特許文献２】米国特許第５８６４６４４号
【非特許文献１】Ａ．Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ、「Ｍｏｄｅ−Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｆｉｂｅｒ−Ｂａｓｅｄ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒ．、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．４、５０４〜５１７頁（２００１）
【非特許文献２】Ｍ．Ｓａｖａｇｅ−Ｌｅｕｃｈｓら、「Ｈｉｇｈ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ ｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅ，ｅｙｅ ｓａｆｅ ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ」、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．６１０２、６１０２０７−（１−８）頁、（２００６）
【非特許文献３】Ｄ．Ｔａｖｅｒｎｅｒら、「１５８−μＪ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−ｍｏｄｅ，ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ ｅｒｂｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．６、３７８〜３８０頁（１９９７）
【非特許文献４】ＵＲＬ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｐ−ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ．ｈｔｍｌ、「Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」
【非特許文献５】Ｃ．Ｈｅａｄｌｅｙによる「Ｒａｍａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、Ｃｈ．７ Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ、３０３〜３７４頁（２００６）
【非特許文献６】Ｊ．Ｍ．Ｆｉｎｉ、「Ｂｅｎｄ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、６９〜８１頁（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、当技術分野では、従来技術の設計の１つまたは複数の欠点を改善する高パワーのＧＰＦ装置の必要が続けて存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
高いポンプ吸収および高い単位長さ当りの利得を達成するために、本発明は、高輝度ポンプ光源でコア・ポンプされるマルチモードのＧＰＦを利用する。コア・ポンプのスキームは、好ましい実施形態において、ポンプ光および信号光が実質的に同じ横モードで伝播し、したがって互いに実質的に完全に重なり、それによりＡＳＥを低減させるという利点を有する。略完全な重なりは、特定の利得に必要とされるファイバ長も最小化し、それはラマン散乱、ブリルアン散乱および自己位相変調などの非線形効果によって引き起こされる悪化を低減させるために重要である。
【０００９】
高パワー・パルス（例えば、＞数１０ｋＷのピーク・パワー）を生成し、その高パワー・パルスを送るために、好ましくは本発明のＧＰＦは、比較的に大きなコア面積を有し、そのことはファイバのエネルギー蓄積能力（したがってパルス・エネルギー）を増大させると共に非線形性効果を減少させるのに有利であり、それによりパルスの劣化を低減させる。
【００１０】
本発明の一態様によれば、光学装置は、ファイバのコアの中で伝播する信号光（光放射）に利得を与えるマルチモードのＧＰＦと、コアの中で吸収されるポンプ光（光放射）を供給するポンプ光源とを含み、（ｉ）ポンプ光源が例示的には、低輝度のレーザ・ダイオードのアレイと、ポンプ光の輝度を増大させる変換器とを備え、（ｉｉ）ポンプ光が、コアの中に直接結合され、（ｉｉｉ）コアの面積が、約３５０μｍ２を超え、好ましくは約８００μｍ２を超えることを特徴とする。
【００１１】
一実施形態では、信号光は、ＧＰＦに入る前に標準の入力ファイバの中をシングル横モードで伝播し、ポンプ光は、入力ファイバの中を少なくとも同じシングル・モードで前方伝播する。すなわち、好ましくはないが、ポンプ光は、いくらかマルチモード化されてよい。加えて、入力ファイバは典型的には、ＧＰＦのコア面積よりも小さなコア面積を有しているので、ファイバ・ベースのモード・エクスパンダ（ｍｏｄｅ ｅｘｐａｎｄｅｒ）が、入力ファイバとＧＰＦの間で配設される。一実施形態では、モード・エクスパンダは、約１０００〜１６００ｎｍの範囲にわたって実質的に波長に依存しない、適切に設計されたファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズを備える。好ましい実施形態では、ＧＰＦはＥｒで添加されており、信号波長は、約１５００〜１６００ｎｍであり、ポンプ波長は、約１４６０〜１４９０ｎｍである。
【００１２】
別の実施形態では、複数のポンプ光源が、ＬＭＡでマルチモードのＧＰＦのコアの中に結合される。複数のポンプ光源は、同じ波長の光または異なる波長の光を発生させてよい。それら複数のポンプ光源の光は、周波数多重化されてよく、または空間的に多重化されてよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の具体的な実施形態によれば、コア面積８７５μｍ２を有するシングル・クラッドＥｒ添加ファイバの中で１５４５ｎｍのナノ秒光パルスの増幅を発明者は実証しており、このコアは１４８０ｎｍの高輝度ラマン・レーザによってポンプされたものであり、パルスは数１００ｋＷの記録的なピーク・パワーを有した。
【００１４】
本発明および本発明の様々な特徴および利点は、添付図面と関連して取り上げられる後続のより詳細な説明から容易に理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
構造の概要
本発明を詳細に述べる前に、まず図１に戻ると、図１は、光源１４から発する信号光（λｓ）をポンプ光（λｐ）がＧＰＦ１２の中で吸収されると同時に増幅するＬＭＡでマルチモードのＧＰＦ１２を備える光増幅器（ＯＡ：ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１０を示している。さらに具体的には、典型的には異なる波長を有する信号光およびポンプ光は、それぞれ別個の典型的には標準の入力光ファイバ２４および２６を介して波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１８へ伝送される。ＷＤＭ１８は、信号およびポンプ光をＧＰＦ１２のコアの中に結合される典型的には標準の入力ファイバ２２上へ多重化する。入力ファイバ２２、２４および２６は、小さなコア面積のシングル・モード・ファイバであってよく、または入力ファイバ２２、２４および２６はより大きなコア面積のマルチモード・ファイバであってよく、しかしいずれにしてもファイバは、好ましくは信号およびポンプ光が同じシングル横モード（例えば基本モード）で伝播するように設計される。代替として、ポンプ光は、他のモードで伝播してもよく、すなわち、ポンプ光のモード群が少なくともシングル・モードの信号光を含むならば、ポンプ光はいくらかマルチモード化されてよい。
【００１６】
典型的な高パワーの応用については、信号光は短期間の高エネルギー・パルスの形態で発生される。そのようなパルスのピーク・パワーは例示的には、数１０キロワットよりも大きく、しばしば数１００キロワットよりも大きい。
【００１７】
本発明の一態様によれば、ＯＡ１０は、本発明の増幅器が記録的なピーク・パワーを有する信号光パルスを発生させることを可能にしている、いくつかの重要な特徴を有する。すなわち、（ｉ）ＧＰＦ１２のコアの面積が、約３５０μｍ２を超え、好ましくは約８００μｍ２を超え、（ｉｉ）ポンプ光源１６が、ポンプ光の高輝度光源であり、（ｉｉｉ）ポンプ光が、（典型的な従来技術のＤＣＦ設計におけるようなクラッドの中にではなく）ＧＰＦ１２のコアの中に直接結合され、（ｉｖ）好ましくは同じシングル横モードで伝播するポンプ光および信号光が、モード・エクスパンダ２０を介してＧＰＦ１２の中に結合される。
【００１８】
ビーム光源の輝度は、遠視野における発散の単位立体角当りのビーム焦点での単位モード面積当りのパワー（Ｐ）として定義される。ビーム光源の輝度は、Ｗ／（ｓｒ ｃｍ２）の単位で測定される。より詳細については、例えば、インターネット上においてＵＲＬ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｐ−ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ．ｈｔｍｌで見つけられ得る「Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」を参照されたい。これは本明細書において参照により組み込まれる。輝度は、光源の面積および光が伝播して通る立体角の関数である面積（ｅｔｅｎｄｕｅ）によって除算されるパワーとして表現できる。簡単なシステムに関しては、面積（ｅｔｅｎｄｕｅ）は、π・Ｓ・ＮＡ２によって近似でき、ここでＳは光源面積である。
【００１９】
直径ｄおよび開口数ＮＡのコアを有するファイバのピグテイル（ｆｉｂｅｒ ｐｉｇｔａｉｌ）によって光をＧＰＦへ送る従来の低輝度レーザ・ダイオード・アレイを考えてみる。典型的な市販のレーザ・ダイオード・アレイは、パワーおおよそ１０Ｗを直径１０５μｍおよび０．２２ＮＡ（面積（ｅｔｅｎｄｕｅ）がおおよそ１．３×１０３ ｓｒ μｍ２）のリード線コアの中に送るものであり、それは出力ビームが輝度約７．６ｍＷ／（ｓｒ μｍ２）を有することを意味する。高輝度により、本発明のポンプ光源の輝度は、従来の低輝度レーザ・ダイオード・アレイの輝度よりも少なくとも３０倍大きい、好ましくは１００倍大きいものであるということを発明者は意味している。したがって、例示の本発明の高輝度ポンプ光源は、少なくとも７６０ｍＷ／（ｓｒ μｍ２）でＧＰＦ１２に送るものである。
【００２０】
概して、モード・エクスパンダ２０の機能は、横モードの次数を変化させることなく、あるモードのサイズ（ＭＦＡ）を増大させることになる。例えば、標準のコア直径８μｍの入力ファイバ２２をマルチモードのコア直径４５μｍのＧＰＦ１２に結合するモード・エクスパンダを考えてみる。基本モード信号光が入力ファイバ２２の中で伝播し、このモードが５０μｍ２のＭＦＡを有すると仮定する。次いで、モード・エクスパンダ２０は例えば、ＧＰＦ１２中でこの信号のＭＦＡを７００μｍ２へ増大させる可能性があるが、基本モードで信号を維持することになるはずである。同様の見解は、図２のエクスパンダ２０を通って伝播するポンプ光に当てはまる。
【００２１】
ここでは、光ファイバのコア面積Ａｃｏｒｅは、単純にコアの断面形状の物理的面積（円形コアの場合はＡｃｏｒｅ＝πＤ２／４）であるのに対して、光ファイバ・モードの有効面積（すなわち、光ファイバのＭＦＡ）は、Ａｍｏｄｅ＝∫｜Ｅ｜２ｄＡ）２／∫｜Ｅ｜４ｄＡによって定義され、ここでＥは局所電場であり、各積分はコアの断面積にわたって行われると理解されることに留意されたい。この積分は、非線形の悪化の影響を正確に定量化するために、光強度の面積の重みづけを捕らえる。これら２つの面積はしばしば、互いからかなり異なる。例えば、１５００ｎｍにおいて、Δｎ＝０．００３の直径３０μｍの円形コアは、モードフィールド直径２４μｍだけを有する横モードを含む。そのようなモードは、コア面積の約６４％だけを満たす。同様に、１５００ｎｍにおいて、Δｎ＝０．００３の４５μｍのコアは、モードフィールド直径３２μｍだけを有するモードを含む。そのようなモードは、コア面積の約５３％だけを満たす。
【００２２】
入力ファイバ２２では、好ましくは信号光およびポンプ光は、同じシングル横モードで伝播し、好ましくは基本モードで伝播する。しかし、ＬＭＡ ＧＰＦ１２のコアは、ファイバ２２のコアよりもかなり大きい（例えば、＞３５０μｍ２のコア面積に対して＞２１μｍ）。したがって、モード・エクスパンダ２０は、比較的により小さいコアの入力ファイバ２２の中の信号光およびポンプ光の比較的により小さいモードフィールドを典型的にはＧＰＦ１２のずっとより大きいのコアの中のより大きいモードフィールドに結合する。
【００２３】
図２中により詳細に示すように、例示的には、モード・エクスパンダ２０は、入力ファイバ２２およびＬＭＡ ＧＰＦ１２と軸方向に位置合わせされたファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズを備える。ＧＲＩＮレンズは、固定された軸方向ピッチで光を焦点から外したり焦点に合わせたりする放物線インデックス分布を有する。光の断面の（放射状の）スポット・サイズは、長手方向に変化する。ＧＲＩＮレンズの長さがこのピッチの倍数である場合は、出力スポット・サイズ（面積）は、入力スポット・サイズと同じである。しかし、この長さがピッチの半分である場合は、ビームはずっとより大きいスポット・サイズで出て行き、このスポット・サイズはＧＲＩＮレンズ自体の直径と同様にできる。よく知られた設計技術を使用してＧＰＦ１２のコア面積と実質的に同じスポット・サイズを作製する。
【００２４】
大変驚いたことに、発明者は、シリカ・ファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズなどのモード・エクスパンダは、約１０００〜１６００ｎｍの範囲にわたって実質的に波長に依存しないということを見出した。例えば、標準のシングル・モード・ファイバから１５５０ｎｍのマルチモードのステップ・インデックス（Δｎ−０．０１）のシングル・クラッドのＥｒ添加ＬＭＡファイバへ光を結合するように設計されるシリカＧＲＩＮレンズを考えてみる。最適化されたＧＲＩＮレンズの放物線屈折率プロファイルを用いて、発明者は８００ｎｍ〜１７００ｎｍのモード結合を計算した。発明者は、１０００〜１６００ｎｍの範囲にわたって、ＬＰ０１モードの結合損失が約０．１２〜０．２０ｄＢだけであることを見出した。加えて、発明者は、ＬＰ０１モードから失われた大部分のエネルギーが高次モード（例えば、ＬＰ０２およびＬＰ０３）の中に放たれることを見出した。これらの計算は、信号波長とポンプ光波長の間の比較的に広い隔たりが許容できることを示す。
【００２５】
ファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズの製作は、２００６年３月２１日に発行された米国特許第７０１３６７８号においてＤ．Ｊ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉらによって説明されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【００２６】
代替のモード・エクスパンダ２０は、よく知られているスプライサにおいて長時間の加熱を用いて生成される単純な拡散のファイバ・スプライスである。入力ファイバ２２のコアは、スプライシングの前に拡散可能であり、それにより入力ファイバ２２のモード面積を増大させてＧＰＦファイバ１２のモード面積と整合させることができる。
【００２７】
別の代替のモード・エクスパンダ２０は、コアの断面積がセグメントの縦軸に沿って先細りである（例えば、セグメントが円形の断面を有するならば、コア直径が先細りである）、マルチモード・ファイバのセグメントを含む。そのような先細りのセグメントの一端では、モードフィールドは、比較的に低損失の信号結合をＧＰＦ１２中に行うためにＧＰＦ１２のモードフィールドと整合すべきである。反対側では、セグメントは、入力ファイバ２２のモードフィールドと整合すべきである。例えば、引伸ばすことによって先細りにすることによりコアの半径方向の寸法を縮小し、その結果、コアは、比較的に低い損失の結合で入力ファイバ２２から信号モードを誘導する。そのような先細りのセグメントは、比較的に低い結合損失でポンプ光をやはり伝送することになる。マルチモード・ファイバの先細りのセグメントは、１本の標準のファイバから、またはＧＰＦ１２の一部から形成可能である。
【００２８】
本発明の代替実施形態では、複数のポンプ光源を使用してマルチモードのＬＭＡ ＧＰＦ１２をポンプする。これらの光源は、ＧＰＦ１２の中に周波数／波長多重化されてよく、または空間的に多重化されてよい。したがって、図３のＯＡ１０’に示すように、ポンプ光源１６．１および１６．２は、典型的には標準の入力ファイバ２６．１および２６．２を介してそれぞれＷＤＭ１８に結合され、一方、信号源１４は、典型的には標準の入力ファイバ２４を介してＷＤＭ１８に結合される。前述のように、ＷＤＭ１８は、信号光およびポンプ光を、ＧＰＦ１２のコアの中に結合される典型的には標準の入力ファイバ２２の上へ多重化する。さらに、図１中のように、信号入力ファイバ２４およびポンプ入力ファイバ２６．１および２６．２は、シングル・モード・ファイバまたはマルチモード・ファイバであってよい。モード・エクスパンダ２０は、ＷＤＭ１８とＧＰＦ１２の間に挿入される。
【００２９】
本実施形態では、複数のポンプ光源は、波長がＧＰＦ１２の吸収スペクトル内であるならば、実質的に同じ波長（λｐ１＝λｐ２；例えば１４８０ｎｍ）を有してよく、または複数のポンプ光源は、異なる波長（λｐ１≠λｐ２；例えば１４８０ｎｍまたは１４８５ｎｍ）を有してよい。いずれにしても、別個のＷＤＭ（図示せず）を利用してポンプ光源それぞれをＧＰＦ１２のコアの中に結合することができ、あるいは薄膜フィルタ・アレイまたはアレイにされた導波管格子（ＡＷＧ：ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）などのマルチポートＷＤＭを使用できる。加えて、ＷＤＭ１８がシングル・モード・ポンプ光を用いて使用される場合は、複数のポンプ光源は、ＷＤＭ１８の干渉効果を避けるために異なる波長を有するべきである。
【００３０】
一方、複数のポンプをＧＰＦ１２のコアの中に空間的に結合するために、図４に示されるタイプの結合の構成が好ましい。ここで、先細りのファイバ束３０は、ＧＲＩＮレンズ・モード・エクスパンダ２０に結合され、ＧＲＩＮレンズ・モード・エクスパンダ２０は、ＧＰＦ１２に結合される。束３０において、ポンプ光は、外側の入力ファイバ２６．１および２６．２によって伝えられ、一方、信号光は、中央の入力ファイバ２４によって伝えられる。３本のファイバ全ては、光をＧＲＩＮレンズ２０の中に（すなわち、ＧＰＦ１２のコアの中に）結合するために使用される、縮小され、密に詰められ、融着した交差部に向けて領域３２で先細りである。しかし、本実施形態では、エクスパンダ２０は、シングル・モード（例えば、基本モード）信号光だけのＭＦＡを増大させる。様々な角度でＧＰＦ１２のコアの中に結合されるポンプ光は、高次モードを励起し、それにより効果的にコアを満たす。したがって、エクスパンダ２０は、そのような高次モードのサイズを増大させるように設計される必要はない。
【００３１】
ファイバ２６．１、２６．２および２４の外径、および場合によってコアは、先細りである。先細りにすることは、加熱された束を物理的に引伸ばすことによって、または引伸ばさずに束の中に融合する前にファイバをエッチングすることによってなされることができる。
【００３２】
単に簡略化のために２つのポンプ光源の使用を選んで例示する。当業者には、３つ以上のポンプ光源を用いることが容易にでき、その実際の個数は、ポンプ光および信号光がＧＲＩＮレンズ２０の中に効率的に結合されることを可能にするように、交差部に向かういっそう多くのファイバを十分に小さく先細りにすることの実際的な制約にだけ依存することを理解されよう。
【００３３】
束３０は、１９９９年１月２６日に発行された米国特許第５８６４６４４号（これは参照により本明細書に組み込まれる）においてＤ．Ｊ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉらによって説明されるものに類似している。しかし、本発明のファイバ束３０は、ポンプ光が、ダブル・クラッドＧＰＦのクラッドの中にではなくシングル・クラッドＧＰＦ１２のコアの中に結合されるという点で主に異なる。
【００３４】
ＧＰＦ１２のコア面は比較的に大きいので、ＧＰＦ１２は多くの横モードを支持でき、ＧＰＦ１２は高輝度ポンプ光を誘導できる。したがって、ポンプ光は、高次横モード４２のコアによって捕らえられることができ（図４）、一方で、信号は典型的には、別のモード（例えば、ガウス分布４０によって表される基本モード）で伝播する。ポンプ光は、ＧＰＦ１２の中で高次モードを励起するので、ポンプ・ファイバ２６．１および２６．２は、マルチモードであってもよく、上述のようにマルチモード・ポンプ光を送ってもよい。しかし、ポンプ光の輝度は、ＧＰＦ１２のコアによって効率的に捕らえられる（すなわち、高輝度ポンプ光源では、光線は、ファイバ軸に対して比較的に浅い角度をなし、したがってより容易に捕らえられる）ために、いっそう適当に高くすべきである。重要なことだが、複数のポンプの使用は、ＧＰＦ１２のコアの中で結合されるポンプ光の量を増大させ、したがって信号光に対する可能な利得を増大させる。しかし、ＧＰＦ１２の大きなコアがポンプ光で満たされた後は、信号光の横方向（径方向）分布とポンプ光の横方向（径方向）分布の間の重なりは、典型的には信号モードがＬＭＡコアの一部だけを満たすのでそれほど完全ではない。この構成では、複数のポンプ光源の使用によりわずかに悪化したポンプ信号の重なりを犠牲にして利得を生成する。しかし、この悪化は、信号モードが存在するところのコア領域への利得ドーパント（ｇａｉｎ ｄｏｐａｎｔ）を制限することによって部分的に修復できる。そのような設計では、ポンプ光は、かなりの信号が存在する領域の中だけで吸収される。
【００３５】
異なるポンプ波長および信号波長の条件により図４のモード・エクスパンダ２０の後に複数のポンプ・モードが励起することに留意されたい。
【００３６】
上述の構成は、本発明の原理の応用を表すために案出され得る、多数の可能性のある具体的な実施形態の単なる例示であることが理解されたい。非常に多くの種々の他の構成が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者によりこれらの原理によって案出可能である。
【００３７】
具体的には、前方伝播ポンプを利用するような図１〜図５のポンプ構成を説明したが、後方伝播ポンプ構成も、好ましくはないが利用可能であり、当業者によく知られている。
【００３８】
さらに、複数のＯＡ段は、互いに前後に並んで配置されてよい。増幅効率を高めるために、各段は、始め（すなわち、信号源の最も近く）は段が最小のコア面積のＧＰＦであり、および最後（すなわち、信号源から最も遠く）は段が最大のコア面積のＧＰＦである、次第に大きくなるコア面積のＧＰＦを含んでよい。
【００３９】
加えて、光共振器の中にＧＰＦ１２を配置することによって、例えば、ＧＰＦ１２の入力端および出力端で標準のファイバの中に適当なファイバ格子または他の反射体（図示せず）を形成することによって、上述したＯＡを利用してレーザに対して必要な利得を与えることができる。もちろんレーザの場合は、別個の信号源１４は、利用される必要はなく、すなわち、信号は、ＧＰＦ１２によって内部に発生されることになり、それによりレーザの能動媒質として働く。
【００４０】
この議論全体にわたって波長になされる言及は、特定の発光の中心波長を意味するように意図されており、そのような発光全部は、中心波長の上下のよく知られている波長の範囲を含む特有の線幅を有すると理解されている。加えて、シングル横モードの光伝播になされる言及は、実質的にシングル・モードの伝播を含むように意図されており、すなわち実質的な意味では、他のモードの完全な抑制は、必ずしも可能であるとは限らない可能性がある。しかし、シングル・モードは、そのような他のモードの強度が小さいまたは取るに足りないことを示唆するものである。
【００４１】
いくつかの実施形態において、発明者は、シングル・クラッドであるＧＰＦ１２に言及した。例示において説明したこれらのシングル・クラッドのファイバは、実際にはシングル光クラッド（例えば、シングル・シリカ・クラッド）によって囲まれるコアを備えていた。しかし、発明者は概して、複数の特徴（例えば、インデックス・リング、溝またはエア・ホール）を有するクラッドなどのより複雑なクラッドを除外するようにシングル・クラッドという句を意図していない。さらに、本明細書で使用されるシングル・クラッドのＧＰＦの重要な態様は、ポンプ光がクラッドではなくコアの中に誘導されるということである。
【００４２】
最後に、目に安全な信号波長の高パワー応用については、図５に示されるタイプのＯＡ１０’’が好ましい。ここで、ＧＰＦ１２は、比較的に大きいコア面積（例えば、＞８００μｍ２）を有するＥｒ添加ファイバである。信号源１４は、短い（例えば、ナノ秒）期間に１５００ｎｍを上回る波長で（例えば、１５４５ｎｍで）光パルスを発生させる。一方、ポンプ光源１６は、約９００〜１０００ｎｍ（例えば、９１５ｎｍ）のポンプ光を発生させる半導体レーザ・ダイオード（ＬＤ）のアレイ１６．３として例示的に表される低輝度の第１の光源を備える。このアレイの輝度は、第２の光源、Ｙｂ添加クラッド・ポンプ式ファイバ・レーザ１６．４をポンプするためにそのＬＤを用いることによって（例えば２００倍に）増大される。（例えば、１１００〜１２００ｎｍの）レーザ１６．４の出力は、カスケード式ラマン共振器レーザ１６．５によって１４８０〜１４９０ｎｍへシフトされる。ラマン・レーザは、Ｃ．Ｈｅａｄｌｅｙによる「Ｒａｍａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、Ｃｈ．７ Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ、３０３〜３７４頁（２００６）の中で説明されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。ラマン・レーザ１６．５の１４８０〜１４９０ｎｍの出力により、上述のやり方で、高輝度ポンプ光をＷＤＭ１８およびモード・エクスパンダ２０介してＧＰＦ１２へ供給する。
【００４３】
もちろん、他の希土類元素（例えば、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏなど）またはクロム（Ｃｒ）などの他の利得生成の化学種を使用して光増幅スキームを実行してよい。例えば、８００ｎｍのＬＤを使用してＮｄ添加ファイバ・レーザをポンプして１０６０ｎｍの高輝度出力を生成することができ、１０６０ｎｍの高輝度出力はＹｂ添加ファイバ増幅器をポンプして１０８０ｎｍの信号に利得を与える。
【実施例】
【００４４】
本実施例により、シングル・クラッドでマルチモードのＬＭＡ Ｅｒ添加ファイバにおけるナノ秒パルスの増幅を説明する。様々な物質、寸法および動作条件は、例示だけによって与えられるが、別段の明示的定めがない限り、それらの様々な物質、寸法および動作条件は、本発明の範囲を限定するように意図されるものではない。Ｅｒ添加コアの面積は、記録が８７５μｍ２だった。このコアは、ラマン・ファイバ・レーザを用いて１４８０ｎｍでポンプされた。Ｅｒ添加ファイバの大きなエネルギー蓄積能力および低い非線形性は、ファイバ系全体が、Ｍ２＜１．１のシングル横モードのパルス当りの記録的なエネルギーおよび記録的なピーク・パワーを発生させることを可能にした。
【００４５】
Ｅｒ添加ＬＭＡファイバは、マルチモード・ファイバだったが、信号光およびポンプ光は、シングル（基本）モードでこのファイバの中を伝播した。
【００４６】
全てのファイバ手段の部品は、自由空間がファイバの中に結合することなく、共に融着する。レーザ・ダイオードおよびファイバのピグテイルを有する他の部品は、自由空間の結合を使用してよく、ただしよく管理されたパッケージの内側で使用してよい。
【００４７】
図６は、本発明の増幅器チェーンの概略である。信号源１４は、（中心波長はλｓ＝１５４５ｎｍに設定した）波長調節可能な外部空洞ｃｗレーザ１４．１（ＥＣＬ：ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ｃｗ ｌａｓｅｒ）と、そのレーザを変調する（Ｐｈｏｔｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ニュージャージ州、Ｐｉｔｔｓｔｏｗｎ）から市販の）高消光電気光学変調器１４．２（ＥＯＭ：ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）と、その後に続くいくつかの前置増幅器段およびフィルタリング段とを備えた。パルスの期間および波長は、正確に制御された。５００ｋＨｚのパルス列は、標準のシングル・モードのＥｒ添加ファイバの前置増幅器１４．３（ＥＤＦＡ：Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で増幅された。パルス列は、（大部分のＡＳＥを除去するために）フィルタ１４．４によって分光的にフィルタされ、Ｅｒ−Ｙｂファイバ前置増幅器１４．５（ダブル・クラッド５／１３０μｍのコア／クラッド直径）で増幅された。次いでパルス列は、（立ち上がり時間１００ｎｓの）音響光学変調器１４．６（ＡＯＭ：ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を通って送信されて最終出力用の所望の値へとパルス繰返し率を減少させた。
【００４８】
初期の高い繰返し率により、（自然とは対照的な）誘導放出によって反転分布の大部分が使い果たされることになり、その結果、低いパルス間ＡＳＥとなった。ＡＯＭを用いて繰返し率を減少させることにより累積したパルス間ＡＳＥをさらに除去した。次いでパルスは、シングル・モードのダブル・クラッドＥｒ−Ｙｂファイバ前置増幅器１４．７（１２／１２５μｍのコア／クラッド直径）の中で増幅された。出力は、幅１ｎｍの帯域フィルタ１４．８を用いて分光的にフィルタされた。スペクトル信号対バックグラウンド比は、＞４５ｄＢだった。次いでこの出力は、ＷＤＭ１８として働く１４８０／１５５０ｎｍ融着ファイバ結合器を介して最終パワー増幅器段に中に結合された。この箇所でのパルスのピーク・パワーは、利得ファイバに続く小面積の標準のシングル・モード・ファイバからなる部品で引き起こされた非線形性によって、〜３００Ｗに制限された。
【００４９】
各アイソレータ１４．９は、フィルタ１４．４と増幅器１４．５の間、増幅器１４．５とＡＯＭ１４．６の間、およびフィルタ１４．８とＷＤＭ１８の間で配設された。
【００５０】
本発明のパワー増幅器段は、４５／１２５μｍのコア／クラッド直径を有する長さ３ｍのシングル・クラッドの大モード面積のＥｒ添加マルチモード・シリカ・ファイバ１２を備えていた。このファイバ１２は、面積〜８７５μｍ２と共にステップ・インデックス分布を有した。単位長さ当りのポンプ吸収は、信号波長１５３５ｎｍで２０ｄＢ／ｍだった。シリカ・ファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズのモード・エクスパンダ２０は、１４８０／１５５０ｎｍ結合器（ＷＤＭ）モードをＥｒ添加ファイバ１２の基本モードに整合させた。マルチパス干渉のスペクトル測定は、光エネルギーの〜１％だけが高次モードの中に結合されることを示した。Ｅｒ添加ファイバのコイル径は、ベンドが引き起こしたモード混合および面積の減少という有害な影響［Ｊ．Ｍ．Ｆｉｎｉ、「Ｂｅｎｄ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、６９〜８１頁（２００６）を参照。これは、参照により本明細書に組み込まれる。］を最小化するために３０ｃｍを超えた。Ｍ２＜１．１は、高い繰返し率および低い増幅レベルで測定されたものであり、それにより増幅器のクリーンな信号モードの励起を確かにした（図７）。ファイバの取扱いは、何ら深刻な問題を生じず、乱されていないファイバの出力ビーム分布は、全てのパワーレベルにおいて一様および定常であり続けた。
【００５１】
パワー増幅器段用ポンプは、図５のポンプ光源１６として示されるタイプの構成を備えたものであり、すなわち、ポンプ光源１６は、カスケード式ラマン共振器（ＣＲＲ；ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）レーザ１６．５によって〜１１００ｎｍから１４８０ｎｍまでシフトされた波長を有する、（低輝度９１５ｎｍダイオードのアレイ１６．３によってポンプされる）クラッド・ポンプＹｂ添加ファイバ・レーザ１６．４（ＣＰＦＬ：Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ，Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ）を備えた。２８Ｗの９１５ｎｍポンプ・パワーを用いて、１４８０ｎｍのシングル・モード・ファイバの〜９Ｗの高輝度の光を発生させることができた。ＣＲＲの出力部で傾斜した格子（図示せず）を使用して、〜１５８５ｎｍに中心がある次のストークス・オーダ（Ｓｔｏｋｅｓ ｏｒｄｅｒ）をフィルタした。
【００５２】
Ｅｒ増幅器の性能は、１ｎｓおよび５ｎｓの入力パルス期間τｐにおけるパルス繰返し周波数ＦＲの関数として特徴付けられた。入力パルス・ピーク・パワーは、全ての繰返し率において２５０Ｗ〜３００Ｗで維持された。
【００５３】
増幅器出力パルス・エネルギーは、２０ＧＨｚサンプリング・オシロスコープを用いて記録されたパルス幅から計算された。追跡面積とパルス・エネルギーの間の相関関係は、高い繰返し率で確立されていた。発明者は、パルス・エネルギーが、様々な繰返し率でファイバによって吸収されるポンプ・パワーの関数として直線的に増大することを観測し、それにより最大パルス・エネルギーにおいて増幅器が不飽和である続けることを実証した。発明者は、繰返し率の関数としてパルス・エネルギー、平均パワー、パルス・ピーク・パワー、および効率の測定も行った。これらの測定は、目に安全な波長１５４５ｎｍでのナノ秒パルスの増幅について記録的なモード面積のＥｒ添加ファイバを用いて発明者が本発明のコア・ポンプのスキーム有効性を実証することを可能にした。記録的なパルス・エネルギー（数１００μＪ）、ピーク・パワー（数１００ｋＷ）、および平均パワー（数１００ｍＷ）が、ファイバ・スキーム全てにおいてＭ２＜１．１のシングル・モード動作の下で達成された。しかし、発明者は、図３〜図４の複数のポンプ光源の設計を用いていっそうより良い結果を予想する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態による光増幅器の概略構成図である。
【図２】本発明の様々な実施形態で使用するためのモード・エクスパンダの概略図である。
【図３】本発明の別な実施形態による複数のポンプ光源を含む光増幅器の概略構成図である。
【図４】例えば、図３の実施形態で使用するためのポンプ結合の構成およびモード・エクスパンダの概略図である。
【図５】高輝度の１４８０ｎｍのポンプ光源によってポンプされるＥｒ添加ファイバを用いる光増幅器の概略構成図である。
【図６】より詳細に信号源を示す、図５の光増幅器の概略構成図である。
【図７】低パワーおよび高いパルス繰返し率で測定されたＭ２＜１．１を示すグラフである。利得生成ファイバを励起する光は、レンズによって光検出器の上へ合焦された。レンズから検出器までの距離が増大され、光ビームの幅が測定された。完全なガウス・ビームの挙動は知られているので、ビームに沿った軸方向距離（走査距離）と共に最小のビーム幅およびビームの変動幅を使用してビームのＭ２を計算した。ビームは典型的には、わずかに非線形だったので、測定は、ｘおよびｙで示される２つの直交方向で行われた。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大モード面積（ＬＭＡ）でマルチモードの利得生成光ファイバを用いる高パワー光学装置に関し、より詳細には高パワー光増幅器およびそのようなファイバを用いるレーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバのコアの中で伝播する光信号を増幅するために、典型的にはコアは、利得生成の化学種で添加されており、次いでこの化学種によって吸収される波長で光ポンプによってポンプされる。シリカ光ファイバでは、コアは例示的には、希土類元素（例えば、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｅｒ−Ｙｂ、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏなど）またはクロム（Ｃｒ）で添加されており、それにより近赤外線範囲（例えば、〜１０００から１６００ｎｍ）の波長の信号が増幅されることを可能にする。ＥｒおよびＥｒ−Ｙｂシリカ・ファイバは通常、約１５００ｎｍを上回る波長の信号を増幅するために使用され、典型的には９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍで、あるいは９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍの近くでポンプされる。
【０００３】
利得生成ファイバ（ＧＰＦ：ｇａｉｎ−ｐｒｏｄｕｃｔｉｎｇ ｆｉｂｅｒ）の応用は、電気通信などの比較的に低パワーの応用から材料加工、分光法および距離測定などのよりいっそう高パワーの応用まで及ぶ。本明細書においては、後者に目を向けている。
【０００４】
ＧＰＦに基づくレーザおよび増幅器のシステムは、小型で強固な高パワー放射源（例えば、ピーク・パワーが＞数１０ｋＷ）である。安全上の理由により１５００ｎｍを超える目に安全な波長でそのようなシステムを動作させることが望ましい。典型的には、Ｅｒ−Ｙｂを共添加したよく知られているダブル・クラッド・ファイバ（ＤＣＦ：ｄｏｕｂｌｅ ｃｌａｄ ｆｉｂｅｒ）を用いる増幅器が、これらの波長で使用される。これらの増幅器は、低輝度ダイオード・レーザのアレイによってポンプされる。アレイの光出力は、大きな角度分布を有するので、それは大きな開口数（ＮＡ）を有するマルチモード・ファイバの中にだけ効率的に結合できる。ダイオードのエネルギーを効率的に使用するために、（信号が内部を伝播する）中心コアが利得生成の化学種で添加され、高ＮＡの導波管によって囲まれているＤＣＦの形状がＧＰＦに利用される。導波管は、コアを囲むと共にダイオード・アレイ・ポンプ光を誘導する無添加の内側クラッドと、内側クラッドを囲むより低い屈折率の外側クラッドとを含む。このダブル・クラッド形状により、コア面積に対する内側クラッド面積の比におおよそ比例する因子によって単位長さ当りのポンプ吸収を低減させる。したがって、比較的に高濃度のコア・ドーパントが、短いファイバ長にわたって高いポンプ吸収を達成するために必要とされ、そのことは非線形効果、増幅自然放出光（ＡＳＥ）および信号再吸収を最小化するために望ましいものである。
【０００５】
しかし、シリカ中のＥｒ濃度は、ペアにより引き起こされる消光（ｐａｉｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）によって制限される。ポンプ・エネルギーが高濃度のＹｂによって吸収されると共にＥｒへ伝達されるところのＥｒ−Ｙｂ共添加ファイバは、この制限を克服し、高いポンプ吸収および高い単位長さ当りの利得を与える。［Ａ．Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ、「Ｍｏｄｅ−Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｆｉｂｅｒ−Ｂａｓｅｄ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒ．、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．４、５０４〜５１７頁（２００１）を参照。これは、参照により本明細書に組み込まれる。］。この手法により、（非線形性が出始める前は）エネルギー２６２μＪで、しかしＭ２＝２．１の劣化したビームであるパルスの発生という結果になった［Ｍ．Ｓａｖａｇｅ−Ｌｅｕｃｈｓら、「Ｈｉｇｈ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ ｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅ，ｅｙｅ ｓａｆｅ ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ」、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．６１０２、６１０２０７−（１−８）頁、（２００６）を参照。これも、参照により本明細書に組み込まれる。］。しかし、Ｅｒ−Ｙｂ共添加ファイバは、ある種の不都合を有している。ＹｂからＥｒへ効率的なエネルギー伝達を達成するために、Ｅｒ−Ｙｂ共添加ファイバは、大量のリン（Ｐ）で共添加され、それによりコア・インデックスを高くしており、それにより最大達成可能モードフィールド面積（ＭＦＡ：ｍａｘｉｍｕｍ ａｃｈｉｅｖａｂｌｅ ｍｏｄｅ−ｆｉｅｌｄ−ａｒｅａ）を制限し、それらを高くマルチモード化させる。コアの屈折率分布は大抵、製造を行っている間のＰのバーン・ホフにより大きなセンター・ディップ（ｌａｒｇｅ ｃｅｎｔｅｒ ｄｉｐ）を有し、それにより空間モードを歪ませる。それらは、９００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長でポンプされ、したがって、１５００ｎｍでの利得に対する量子効率は低い。したがって、かなりの熱が発生させられ、内側クラッドを囲む高分子被膜に対する損傷を防ぐために冷却が必要とされ得る。
【０００６】
Ｅｒ−Ｙｂに基礎を置く光増幅器の代替として、ＤＣＦ設計が提案されている。［例えば、Ｄ．Ｔａｖｅｒｎｅｒら、「１５８−μＪ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−ｍｏｄｅ，ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ ｅｒｂｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．６、３７８〜３８０頁（１９９７）を参照。これは、参照により本明細書に組み込まれる。］。１０年が経過したこの論文の中で、著者らは、パワー段がＬＭＡのシングル・モードのＥｒ添加ファイバを含んでいる光ファイバ増幅器が、９８０ｎｍのＴｉサファイア・レーザによって逆方向に端面励起されたことを説明している。増幅される１５３４ｎｍの信号は、前置増幅器段を通ってパワー段まで標準のバルク光学部品を介して結合された。Ｅｒ添加ファイバと前置増幅器段の間の結合光学系は、それらの大きなＮＡ不整合を吸収するように選択された。この設計は、１０〜１００ｐＪの信号パルスをエネルギーが１５８μＪおよびピーク・パワーが＞１００ｋＷまで増幅したと報告された。しかし、Ｔａｖｅｒｎｅｒの増幅器設計は、以下のいくつかの理由で不利である。すなわち、（ｉ）Ｔａｖｅｒｎｅｒの増幅器設計は、複数のバルク光学部品を使用し、それにより環境条件が経時的に変化する際に調整することおよび調整を維持することが困難である；（ｉｉ）Ｔａｖｅｒｎｅｒの増幅器設計は、大きくて、制御が困難であり、パワーを制限したＴｉサファイア固体ポンプレーザを使用する；および（ｉｉｉ）Ｔａｖｅｒｎｅｒの増幅器設計は、シングル・モードＥｒ添加ファイバを使用しており、これはＭＦＡが制限されること、およびしたがってファイバのエネルギー蓄積能力が同様に制限されることを意味する。
【特許文献１】米国特許第７０１３６７８号
【特許文献２】米国特許第５８６４６４４号
【非特許文献１】Ａ．Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ、「Ｍｏｄｅ−Ｓｃａｌａｂｌｅ Ｆｉｂｅｒ−Ｂａｓｅｄ Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒ．、Ｖｏｌ．７、Ｎｏ．４、５０４〜５１７頁（２００１）
【非特許文献２】Ｍ．Ｓａｖａｇｅ−Ｌｅｕｃｈｓら、「Ｈｉｇｈ ｐｕｌｓｅ ｅｎｅｒｇｙ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｅａｋ ｐｏｗｅｒ ｆｒｏｍ ｓｈｏｒｔ−ｐｕｌｓｅ，ｅｙｅ ｓａｆｅ ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ」、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．６１０２、６１０２０７−（１−８）頁、（２００６）
【非特許文献３】Ｄ．Ｔａｖｅｒｎｅｒら、「１５８−μＪ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ−ｍｏｄｅ，ｌａｒｇｅ−ｍｏｄｅ−ａｒｅａ ｅｒｂｉｕｍ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．２２、Ｎｏ．６、３７８〜３８０頁（１９９７）
【非特許文献４】ＵＲＬ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｐ−ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ．ｈｔｍｌ、「Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」
【非特許文献５】Ｃ．Ｈｅａｄｌｅｙによる「Ｒａｍａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、Ｃｈ．７ Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ、３０３〜３７４頁（２００６）
【非特許文献６】Ｊ．Ｍ．Ｆｉｎｉ、「Ｂｅｎｄ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、６９〜８１頁（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、当技術分野では、従来技術の設計の１つまたは複数の欠点を改善する高パワーのＧＰＦ装置の必要が続けて存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
高いポンプ吸収および高い単位長さ当りの利得を達成するために、本発明は、高輝度ポンプ光源でコア・ポンプされるマルチモードのＧＰＦを利用する。コア・ポンプのスキームは、好ましい実施形態において、ポンプ光および信号光が実質的に同じ横モードで伝播し、したがって互いに実質的に完全に重なり、それによりＡＳＥを低減させるという利点を有する。略完全な重なりは、特定の利得に必要とされるファイバ長も最小化し、それはラマン散乱、ブリルアン散乱および自己位相変調などの非線形効果によって引き起こされる悪化を低減させるために重要である。
【０００９】
高パワー・パルス（例えば、＞数１０ｋＷのピーク・パワー）を生成し、その高パワー・パルスを送るために、好ましくは本発明のＧＰＦは、比較的に大きなコア面積を有し、そのことはファイバのエネルギー蓄積能力（したがってパルス・エネルギー）を増大させると共に非線形性効果を減少させるのに有利であり、それによりパルスの劣化を低減させる。
【００１０】
本発明の一態様によれば、光学装置は、ファイバのコアの中で伝播する信号光（光放射）に利得を与えるマルチモードのＧＰＦと、コアの中で吸収されるポンプ光（光放射）を供給するポンプ光源とを含み、（ｉ）ポンプ光源が例示的には、低輝度のレーザ・ダイオードのアレイと、ポンプ光の輝度を増大させる変換器とを備え、（ｉｉ）ポンプ光が、コアの中に直接結合され、（ｉｉｉ）コアの面積が、約３５０μｍ２を超え、好ましくは約８００μｍ２を超えることを特徴とする。
【００１１】
一実施形態では、信号光は、ＧＰＦに入る前に標準の入力ファイバの中をシングル横モードで伝播し、ポンプ光は、入力ファイバの中を少なくとも同じシングル・モードで前方伝播する。すなわち、好ましくはないが、ポンプ光は、いくらかマルチモード化されてよい。加えて、入力ファイバは典型的には、ＧＰＦのコア面積よりも小さなコア面積を有しているので、ファイバ・ベースのモード・エクスパンダ（ｍｏｄｅ ｅｘｐａｎｄｅｒ）が、入力ファイバとＧＰＦの間で配設される。一実施形態では、モード・エクスパンダは、約１０００〜１６００ｎｍの範囲にわたって実質的に波長に依存しない、適切に設計されたファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズを備える。好ましい実施形態では、ＧＰＦはＥｒで添加されており、信号波長は、約１５００〜１６００ｎｍであり、ポンプ波長は、約１４６０〜１４９０ｎｍである。
【００１２】
別の実施形態では、複数のポンプ光源が、ＬＭＡでマルチモードのＧＰＦのコアの中に結合される。複数のポンプ光源は、同じ波長の光または異なる波長の光を発生させてよい。それら複数のポンプ光源の光は、周波数多重化されてよく、または空間的に多重化されてよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の具体的な実施形態によれば、コア面積８７５μｍ２を有するシングル・クラッドＥｒ添加ファイバの中で１５４５ｎｍのナノ秒光パルスの増幅を発明者は実証しており、このコアは１４８０ｎｍの高輝度ラマン・レーザによってポンプされたものであり、パルスは数１００ｋＷの記録的なピーク・パワーを有した。
【００１４】
本発明および本発明の様々な特徴および利点は、添付図面と関連して取り上げられる後続のより詳細な説明から容易に理解できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
構造の概要
本発明を詳細に述べる前に、まず図１に戻ると、図１は、光源１４から発する信号光（λｓ）をポンプ光（λｐ）がＧＰＦ１２の中で吸収されると同時に増幅するＬＭＡでマルチモードのＧＰＦ１２を備える光増幅器（ＯＡ：ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１０を示している。さらに具体的には、典型的には異なる波長を有する信号光およびポンプ光は、それぞれ別個の典型的には標準の入力光ファイバ２４および２６を介して波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）１８へ伝送される。ＷＤＭ１８は、信号およびポンプ光をＧＰＦ１２のコアの中に結合される典型的には標準の入力ファイバ２２上へ多重化する。入力ファイバ２２、２４および２６は、小さなコア面積のシングル・モード・ファイバであってよく、または入力ファイバ２２、２４および２６はより大きなコア面積のマルチモード・ファイバであってよく、しかしいずれにしてもファイバは、好ましくは信号およびポンプ光が同じシングル横モード（例えば基本モード）で伝播するように設計される。代替として、ポンプ光は、他のモードで伝播してもよく、すなわち、ポンプ光のモード群が少なくともシングル・モードの信号光を含むならば、ポンプ光はいくらかマルチモード化されてよい。
【００１６】
典型的な高パワーの応用については、信号光は短期間の高エネルギー・パルスの形態で発生される。そのようなパルスのピーク・パワーは例示的には、数１０キロワットよりも大きく、しばしば数１００キロワットよりも大きい。
【００１７】
本発明の一態様によれば、ＯＡ１０は、本発明の増幅器が記録的なピーク・パワーを有する信号光パルスを発生させることを可能にしている、いくつかの重要な特徴を有する。すなわち、（ｉ）ＧＰＦ１２のコアの面積が、約３５０μｍ２を超え、好ましくは約８００μｍ２を超え、（ｉｉ）ポンプ光源１６が、ポンプ光の高輝度光源であり、（ｉｉｉ）ポンプ光が、（典型的な従来技術のＤＣＦ設計におけるようなクラッドの中にではなく）ＧＰＦ１２のコアの中に直接結合され、（ｉｖ）好ましくは同じシングル横モードで伝播するポンプ光および信号光が、モード・エクスパンダ２０を介してＧＰＦ１２の中に結合される。
【００１８】
ビーム光源の輝度は、遠視野における発散の単位立体角当りのビーム焦点での単位モード面積当りのパワー（Ｐ）として定義される。ビーム光源の輝度は、Ｗ／（ｓｒ ｃｍ２）の単位で測定される。より詳細については、例えば、インターネット上においてＵＲＬ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒｐ−ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．ｃｏｍ／ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ．ｈｔｍｌで見つけられ得る「Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｌａｓｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」を参照されたい。これは本明細書において参照により組み込まれる。輝度は、光源の面積および光が伝播して通る立体角の関数である面積（ｅｔｅｎｄｕｅ）によって除算されるパワーとして表現できる。簡単なシステムに関しては、面積（ｅｔｅｎｄｕｅ）は、π・Ｓ・ＮＡ２によって近似でき、ここでＳは光源面積である。
【００１９】
直径ｄおよび開口数ＮＡのコアを有するファイバのピグテイル（ｆｉｂｅｒ ｐｉｇｔａｉｌ）によって光をＧＰＦへ送る従来の低輝度レーザ・ダイオード・アレイを考えてみる。典型的な市販のレーザ・ダイオード・アレイは、パワーおおよそ１０Ｗを直径１０５μｍおよび０．２２ＮＡ（面積（ｅｔｅｎｄｕｅ）がおおよそ１．３×１０３ ｓｒ μｍ２）のリード線コアの中に送るものであり、それは出力ビームが輝度約７．６ｍＷ／（ｓｒ μｍ２）を有することを意味する。高輝度により、本発明のポンプ光源の輝度は、従来の低輝度レーザ・ダイオード・アレイの輝度よりも少なくとも３０倍大きい、好ましくは１００倍大きいものであるということを発明者は意味している。したがって、例示の本発明の高輝度ポンプ光源は、少なくとも７６０ｍＷ／（ｓｒ μｍ２）でＧＰＦ１２に送るものである。
【００２０】
概して、モード・エクスパンダ２０の機能は、横モードの次数を変化させることなく、あるモードのサイズ（ＭＦＡ）を増大させることになる。例えば、標準のコア直径８μｍの入力ファイバ２２をマルチモードのコア直径４５μｍのＧＰＦ１２に結合するモード・エクスパンダを考えてみる。基本モード信号光が入力ファイバ２２の中で伝播し、このモードが５０μｍ２のＭＦＡを有すると仮定する。次いで、モード・エクスパンダ２０は例えば、ＧＰＦ１２中でこの信号のＭＦＡを７００μｍ２へ増大させる可能性があるが、基本モードで信号を維持することになるはずである。同様の見解は、図２のエクスパンダ２０を通って伝播するポンプ光に当てはまる。
【００２１】
ここでは、光ファイバのコア面積Ａｃｏｒｅは、単純にコアの断面形状の物理的面積（円形コアの場合はＡｃｏｒｅ＝πＤ２／４）であるのに対して、光ファイバ・モードの有効面積（すなわち、光ファイバのＭＦＡ）は、Ａｍｏｄｅ＝∫｜Ｅ｜２ｄＡ）２／∫｜Ｅ｜４ｄＡによって定義され、ここでＥは局所電場であり、各積分はコアの断面積にわたって行われると理解されることに留意されたい。この積分は、非線形の悪化の影響を正確に定量化するために、光強度の面積の重みづけを捕らえる。これら２つの面積はしばしば、互いからかなり異なる。例えば、１５００ｎｍにおいて、Δｎ＝０．００３の直径３０μｍの円形コアは、モードフィールド直径２４μｍだけを有する横モードを含む。そのようなモードは、コア面積の約６４％だけを満たす。同様に、１５００ｎｍにおいて、Δｎ＝０．００３の４５μｍのコアは、モードフィールド直径３２μｍだけを有するモードを含む。そのようなモードは、コア面積の約５３％だけを満たす。
【００２２】
入力ファイバ２２では、好ましくは信号光およびポンプ光は、同じシングル横モードで伝播し、好ましくは基本モードで伝播する。しかし、ＬＭＡ ＧＰＦ１２のコアは、ファイバ２２のコアよりもかなり大きい（例えば、＞３５０μｍ２のコア面積に対して＞２１μｍ）。したがって、モード・エクスパンダ２０は、比較的により小さいコアの入力ファイバ２２の中の信号光およびポンプ光の比較的により小さいモードフィールドを典型的にはＧＰＦ１２のずっとより大きいのコアの中のより大きいモードフィールドに結合する。
【００２３】
図２中により詳細に示すように、例示的には、モード・エクスパンダ２０は、入力ファイバ２２およびＬＭＡ ＧＰＦ１２と軸方向に位置合わせされたファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズを備える。ＧＲＩＮレンズは、固定された軸方向ピッチで光を焦点から外したり焦点に合わせたりする放物線インデックス分布を有する。光の断面の（放射状の）スポット・サイズは、長手方向に変化する。ＧＲＩＮレンズの長さがこのピッチの倍数である場合は、出力スポット・サイズ（面積）は、入力スポット・サイズと同じである。しかし、この長さがピッチの半分である場合は、ビームはずっとより大きいスポット・サイズで出て行き、このスポット・サイズはＧＲＩＮレンズ自体の直径と同様にできる。よく知られた設計技術を使用してＧＰＦ１２のコア面積と実質的に同じスポット・サイズを作製する。
【００２４】
大変驚いたことに、発明者は、シリカ・ファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズなどのモード・エクスパンダは、約１０００〜１６００ｎｍの範囲にわたって実質的に波長に依存しないということを見出した。例えば、標準のシングル・モード・ファイバから１５５０ｎｍのマルチモードのステップ・インデックス（Δｎ−０．０１）のシングル・クラッドのＥｒ添加ＬＭＡファイバへ光を結合するように設計されるシリカＧＲＩＮレンズを考えてみる。最適化されたＧＲＩＮレンズの放物線屈折率プロファイルを用いて、発明者は８００ｎｍ〜１７００ｎｍのモード結合を計算した。発明者は、１０００〜１６００ｎｍの範囲にわたって、ＬＰ０１モードの結合損失が約０．１２〜０．２０ｄＢだけであることを見出した。加えて、発明者は、ＬＰ０１モードから失われた大部分のエネルギーが高次モード（例えば、ＬＰ０２およびＬＰ０３）の中に放たれることを見出した。これらの計算は、信号波長とポンプ光波長の間の比較的に広い隔たりが許容できることを示す。
【００２５】
ファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズの製作は、２００６年３月２１日に発行された米国特許第７０１３６７８号においてＤ．Ｊ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉらによって説明されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【００２６】
代替のモード・エクスパンダ２０は、よく知られているスプライサにおいて長時間の加熱を用いて生成される単純な拡散のファイバ・スプライスである。入力ファイバ２２のコアは、スプライシングの前に拡散可能であり、それにより入力ファイバ２２のモード面積を増大させてＧＰＦファイバ１２のモード面積と整合させることができる。
【００２７】
別の代替のモード・エクスパンダ２０は、コアの断面積がセグメントの縦軸に沿って先細りである（例えば、セグメントが円形の断面を有するならば、コア直径が先細りである）、マルチモード・ファイバのセグメントを含む。そのような先細りのセグメントの一端では、モードフィールドは、比較的に低損失の信号結合をＧＰＦ１２中に行うためにＧＰＦ１２のモードフィールドと整合すべきである。反対側では、セグメントは、入力ファイバ２２のモードフィールドと整合すべきである。例えば、引伸ばすことによって先細りにすることによりコアの半径方向の寸法を縮小し、その結果、コアは、比較的に低い損失の結合で入力ファイバ２２から信号モードを誘導する。そのような先細りのセグメントは、比較的に低い結合損失でポンプ光をやはり伝送することになる。マルチモード・ファイバの先細りのセグメントは、１本の標準のファイバから、またはＧＰＦ１２の一部から形成可能である。
【００２８】
本発明の代替実施形態では、複数のポンプ光源を使用してマルチモードのＬＭＡ ＧＰＦ１２をポンプする。これらの光源は、ＧＰＦ１２の中に周波数／波長多重化されてよく、または空間的に多重化されてよい。したがって、図３のＯＡ１０’に示すように、ポンプ光源１６．１および１６．２は、典型的には標準の入力ファイバ２６．１および２６．２を介してそれぞれＷＤＭ１８に結合され、一方、信号源１４は、典型的には標準の入力ファイバ２４を介してＷＤＭ１８に結合される。前述のように、ＷＤＭ１８は、信号光およびポンプ光を、ＧＰＦ１２のコアの中に結合される典型的には標準の入力ファイバ２２の上へ多重化する。さらに、図１中のように、信号入力ファイバ２４およびポンプ入力ファイバ２６．１および２６．２は、シングル・モード・ファイバまたはマルチモード・ファイバであってよい。モード・エクスパンダ２０は、ＷＤＭ１８とＧＰＦ１２の間に挿入される。
【００２９】
本実施形態では、複数のポンプ光源は、波長がＧＰＦ１２の吸収スペクトル内であるならば、実質的に同じ波長（λｐ１＝λｐ２；例えば１４８０ｎｍ）を有してよく、または複数のポンプ光源は、異なる波長（λｐ１≠λｐ２；例えば１４８０ｎｍまたは１４８５ｎｍ）を有してよい。いずれにしても、別個のＷＤＭ（図示せず）を利用してポンプ光源それぞれをＧＰＦ１２のコアの中に結合することができ、あるいは薄膜フィルタ・アレイまたはアレイにされた導波管格子（ＡＷＧ：ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ）などのマルチポートＷＤＭを使用できる。加えて、ＷＤＭ１８がシングル・モード・ポンプ光を用いて使用される場合は、複数のポンプ光源は、ＷＤＭ１８の干渉効果を避けるために異なる波長を有するべきである。
【００３０】
一方、複数のポンプをＧＰＦ１２のコアの中に空間的に結合するために、図４に示されるタイプの結合の構成が好ましい。ここで、先細りのファイバ束３０は、ＧＲＩＮレンズ・モード・エクスパンダ２０に結合され、ＧＲＩＮレンズ・モード・エクスパンダ２０は、ＧＰＦ１２に結合される。束３０において、ポンプ光は、外側の入力ファイバ２６．１および２６．２によって伝えられ、一方、信号光は、中央の入力ファイバ２４によって伝えられる。３本のファイバ全ては、光をＧＲＩＮレンズ２０の中に（すなわち、ＧＰＦ１２のコアの中に）結合するために使用される、縮小され、密に詰められ、融着した交差部に向けて領域３２で先細りである。しかし、本実施形態では、エクスパンダ２０は、シングル・モード（例えば、基本モード）信号光だけのＭＦＡを増大させる。様々な角度でＧＰＦ１２のコアの中に結合されるポンプ光は、高次モードを励起し、それにより効果的にコアを満たす。したがって、エクスパンダ２０は、そのような高次モードのサイズを増大させるように設計される必要はない。
【００３１】
ファイバ２６．１、２６．２および２４の外径、および場合によってコアは、先細りである。先細りにすることは、加熱された束を物理的に引伸ばすことによって、または引伸ばさずに束の中に融合する前にファイバをエッチングすることによってなされることができる。
【００３２】
単に簡略化のために２つのポンプ光源の使用を選んで例示する。当業者には、３つ以上のポンプ光源を用いることが容易にでき、その実際の個数は、ポンプ光および信号光がＧＲＩＮレンズ２０の中に効率的に結合されることを可能にするように、交差部に向かういっそう多くのファイバを十分に小さく先細りにすることの実際的な制約にだけ依存することを理解されよう。
【００３３】
束３０は、１９９９年１月２６日に発行された米国特許第５８６４６４４号（これは参照により本明細書に組み込まれる）においてＤ．Ｊ．ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉらによって説明されるものに類似している。しかし、本発明のファイバ束３０は、ポンプ光が、ダブル・クラッドＧＰＦのクラッドの中にではなくシングル・クラッドＧＰＦ１２のコアの中に結合されるという点で主に異なる。
【００３４】
ＧＰＦ１２のコア面は比較的に大きいので、ＧＰＦ１２は多くの横モードを支持でき、ＧＰＦ１２は高輝度ポンプ光を誘導できる。したがって、ポンプ光は、高次横モード４２のコアによって捕らえられることができ（図４）、一方で、信号は典型的には、別のモード（例えば、ガウス分布４０によって表される基本モード）で伝播する。ポンプ光は、ＧＰＦ１２の中で高次モードを励起するので、ポンプ・ファイバ２６．１および２６．２は、マルチモードであってもよく、上述のようにマルチモード・ポンプ光を送ってもよい。しかし、ポンプ光の輝度は、ＧＰＦ１２のコアによって効率的に捕らえられる（すなわち、高輝度ポンプ光源では、光線は、ファイバ軸に対して比較的に浅い角度をなし、したがってより容易に捕らえられる）ために、いっそう適当に高くすべきである。重要なことだが、複数のポンプの使用は、ＧＰＦ１２のコアの中で結合されるポンプ光の量を増大させ、したがって信号光に対する可能な利得を増大させる。しかし、ＧＰＦ１２の大きなコアがポンプ光で満たされた後は、信号光の横方向（径方向）分布とポンプ光の横方向（径方向）分布の間の重なりは、典型的には信号モードがＬＭＡコアの一部だけを満たすのでそれほど完全ではない。この構成では、複数のポンプ光源の使用によりわずかに悪化したポンプ信号の重なりを犠牲にして利得を生成する。しかし、この悪化は、信号モードが存在するところのコア領域への利得ドーパント（ｇａｉｎ ｄｏｐａｎｔ）を制限することによって部分的に修復できる。そのような設計では、ポンプ光は、かなりの信号が存在する領域の中だけで吸収される。
【００３５】
異なるポンプ波長および信号波長の条件により図４のモード・エクスパンダ２０の後に複数のポンプ・モードが励起することに留意されたい。
【００３６】
上述の構成は、本発明の原理の応用を表すために案出され得る、多数の可能性のある具体的な実施形態の単なる例示であることが理解されたい。非常に多くの種々の他の構成が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく当業者によりこれらの原理によって案出可能である。
【００３７】
具体的には、前方伝播ポンプを利用するような図１〜図５のポンプ構成を説明したが、後方伝播ポンプ構成も、好ましくはないが利用可能であり、当業者によく知られている。
【００３８】
さらに、複数のＯＡ段は、互いに前後に並んで配置されてよい。増幅効率を高めるために、各段は、始め（すなわち、信号源の最も近く）は段が最小のコア面積のＧＰＦであり、および最後（すなわち、信号源から最も遠く）は段が最大のコア面積のＧＰＦである、次第に大きくなるコア面積のＧＰＦを含んでよい。
【００３９】
加えて、光共振器の中にＧＰＦ１２を配置することによって、例えば、ＧＰＦ１２の入力端および出力端で標準のファイバの中に適当なファイバ格子または他の反射体（図示せず）を形成することによって、上述したＯＡを利用してレーザに対して必要な利得を与えることができる。もちろんレーザの場合は、別個の信号源１４は、利用される必要はなく、すなわち、信号は、ＧＰＦ１２によって内部に発生されることになり、それによりレーザの能動媒質として働く。
【００４０】
この議論全体にわたって波長になされる言及は、特定の発光の中心波長を意味するように意図されており、そのような発光全部は、中心波長の上下のよく知られている波長の範囲を含む特有の線幅を有すると理解されている。加えて、シングル横モードの光伝播になされる言及は、実質的にシングル・モードの伝播を含むように意図されており、すなわち実質的な意味では、他のモードの完全な抑制は、必ずしも可能であるとは限らない可能性がある。しかし、シングル・モードは、そのような他のモードの強度が小さいまたは取るに足りないことを示唆するものである。
【００４１】
いくつかの実施形態において、発明者は、シングル・クラッドであるＧＰＦ１２に言及した。例示において説明したこれらのシングル・クラッドのファイバは、実際にはシングル光クラッド（例えば、シングル・シリカ・クラッド）によって囲まれるコアを備えていた。しかし、発明者は概して、複数の特徴（例えば、インデックス・リング、溝またはエア・ホール）を有するクラッドなどのより複雑なクラッドを除外するようにシングル・クラッドという句を意図していない。さらに、本明細書で使用されるシングル・クラッドのＧＰＦの重要な態様は、ポンプ光がクラッドではなくコアの中に誘導されるということである。
【００４２】
最後に、目に安全な信号波長の高パワー応用については、図５に示されるタイプのＯＡ１０’’が好ましい。ここで、ＧＰＦ１２は、比較的に大きいコア面積（例えば、＞８００μｍ２）を有するＥｒ添加ファイバである。信号源１４は、短い（例えば、ナノ秒）期間に１５００ｎｍを上回る波長で（例えば、１５４５ｎｍで）光パルスを発生させる。一方、ポンプ光源１６は、約９００〜１０００ｎｍ（例えば、９１５ｎｍ）のポンプ光を発生させる半導体レーザ・ダイオード（ＬＤ）のアレイ１６．３として例示的に表される低輝度の第１の光源を備える。このアレイの輝度は、第２の光源、Ｙｂ添加クラッド・ポンプ式ファイバ・レーザ１６．４をポンプするためにそのＬＤを用いることによって（例えば２００倍に）増大される。（例えば、１１００〜１２００ｎｍの）レーザ１６．４の出力は、カスケード式ラマン共振器レーザ１６．５によって１４８０〜１４９０ｎｍへシフトされる。ラマン・レーザは、Ｃ．Ｈｅａｄｌｅｙによる「Ｒａｍａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、Ｃｈ．７ Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ、３０３〜３７４頁（２００６）の中で説明されており、これは参照により本明細書に組み込まれる。ラマン・レーザ１６．５の１４８０〜１４９０ｎｍの出力により、上述のやり方で、高輝度ポンプ光をＷＤＭ１８およびモード・エクスパンダ２０介してＧＰＦ１２へ供給する。
【００４３】
もちろん、他の希土類元素（例えば、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏなど）またはクロム（Ｃｒ）などの他の利得生成の化学種を使用して光増幅スキームを実行してよい。例えば、８００ｎｍのＬＤを使用してＮｄ添加ファイバ・レーザをポンプして１０６０ｎｍの高輝度出力を生成することができ、１０６０ｎｍの高輝度出力はＹｂ添加ファイバ増幅器をポンプして１０８０ｎｍの信号に利得を与える。
【実施例】
【００４４】
本実施例により、シングル・クラッドでマルチモードのＬＭＡ Ｅｒ添加ファイバにおけるナノ秒パルスの増幅を説明する。様々な物質、寸法および動作条件は、例示だけによって与えられるが、別段の明示的定めがない限り、それらの様々な物質、寸法および動作条件は、本発明の範囲を限定するように意図されるものではない。Ｅｒ添加コアの面積は、記録が８７５μｍ２だった。このコアは、ラマン・ファイバ・レーザを用いて１４８０ｎｍでポンプされた。Ｅｒ添加ファイバの大きなエネルギー蓄積能力および低い非線形性は、ファイバ系全体が、Ｍ２＜１．１のシングル横モードのパルス当りの記録的なエネルギーおよび記録的なピーク・パワーを発生させることを可能にした。
【００４５】
Ｅｒ添加ＬＭＡファイバは、マルチモード・ファイバだったが、信号光およびポンプ光は、シングル（基本）モードでこのファイバの中を伝播した。
【００４６】
全てのファイバ手段の部品は、自由空間がファイバの中に結合することなく、共に融着する。レーザ・ダイオードおよびファイバのピグテイルを有する他の部品は、自由空間の結合を使用してよく、ただしよく管理されたパッケージの内側で使用してよい。
【００４７】
図６は、本発明の増幅器チェーンの概略である。信号源１４は、（中心波長はλｓ＝１５４５ｎｍに設定した）波長調節可能な外部空洞ｃｗレーザ１４．１（ＥＣＬ：ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ｃｗ ｌａｓｅｒ）と、そのレーザを変調する（Ｐｈｏｔｌｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（ニュージャージ州、Ｐｉｔｔｓｔｏｗｎ）から市販の）高消光電気光学変調器１４．２（ＥＯＭ：ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）と、その後に続くいくつかの前置増幅器段およびフィルタリング段とを備えた。パルスの期間および波長は、正確に制御された。５００ｋＨｚのパルス列は、標準のシングル・モードのＥｒ添加ファイバの前置増幅器１４．３（ＥＤＦＡ：Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｐｒｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で増幅された。パルス列は、（大部分のＡＳＥを除去するために）フィルタ１４．４によって分光的にフィルタされ、Ｅｒ−Ｙｂファイバ前置増幅器１４．５（ダブル・クラッド５／１３０μｍのコア／クラッド直径）で増幅された。次いでパルス列は、（立ち上がり時間１００ｎｓの）音響光学変調器１４．６（ＡＯＭ：ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を通って送信されて最終出力用の所望の値へとパルス繰返し率を減少させた。
【００４８】
初期の高い繰返し率により、（自然とは対照的な）誘導放出によって反転分布の大部分が使い果たされることになり、その結果、低いパルス間ＡＳＥとなった。ＡＯＭを用いて繰返し率を減少させることにより累積したパルス間ＡＳＥをさらに除去した。次いでパルスは、シングル・モードのダブル・クラッドＥｒ−Ｙｂファイバ前置増幅器１４．７（１２／１２５μｍのコア／クラッド直径）の中で増幅された。出力は、幅１ｎｍの帯域フィルタ１４．８を用いて分光的にフィルタされた。スペクトル信号対バックグラウンド比は、＞４５ｄＢだった。次いでこの出力は、ＷＤＭ１８として働く１４８０／１５５０ｎｍ融着ファイバ結合器を介して最終パワー増幅器段に中に結合された。この箇所でのパルスのピーク・パワーは、利得ファイバに続く小面積の標準のシングル・モード・ファイバからなる部品で引き起こされた非線形性によって、〜３００Ｗに制限された。
【００４９】
各アイソレータ１４．９は、フィルタ１４．４と増幅器１４．５の間、増幅器１４．５とＡＯＭ１４．６の間、およびフィルタ１４．８とＷＤＭ１８の間で配設された。
【００５０】
本発明のパワー増幅器段は、４５／１２５μｍのコア／クラッド直径を有する長さ３ｍのシングル・クラッドの大モード面積のＥｒ添加マルチモード・シリカ・ファイバ１２を備えていた。このファイバ１２は、面積〜８７５μｍ２と共にステップ・インデックス分布を有した。単位長さ当りのポンプ吸収は、信号波長１５３５ｎｍで２０ｄＢ／ｍだった。シリカ・ファイバ・ベースのＧＲＩＮレンズのモード・エクスパンダ２０は、１４８０／１５５０ｎｍ結合器（ＷＤＭ）モードをＥｒ添加ファイバ１２の基本モードに整合させた。マルチパス干渉のスペクトル測定は、光エネルギーの〜１％だけが高次モードの中に結合されることを示した。Ｅｒ添加ファイバのコイル径は、ベンドが引き起こしたモード混合および面積の減少という有害な影響［Ｊ．Ｍ．Ｆｉｎｉ、「Ｂｅｎｄ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｆｉｂｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、Ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１、６９〜８１頁（２００６）を参照。これは、参照により本明細書に組み込まれる。］を最小化するために３０ｃｍを超えた。Ｍ２＜１．１は、高い繰返し率および低い増幅レベルで測定されたものであり、それにより増幅器のクリーンな信号モードの励起を確かにした（図７）。ファイバの取扱いは、何ら深刻な問題を生じず、乱されていないファイバの出力ビーム分布は、全てのパワーレベルにおいて一様および定常であり続けた。
【００５１】
パワー増幅器段用ポンプは、図５のポンプ光源１６として示されるタイプの構成を備えたものであり、すなわち、ポンプ光源１６は、カスケード式ラマン共振器（ＣＲＲ；ｃａｓｃａｄｅｄ Ｒａｍａｎ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）レーザ１６．５によって〜１１００ｎｍから１４８０ｎｍまでシフトされた波長を有する、（低輝度９１５ｎｍダイオードのアレイ１６．３によってポンプされる）クラッド・ポンプＹｂ添加ファイバ・レーザ１６．４（ＣＰＦＬ：Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ，Ｙｂ−ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ）を備えた。２８Ｗの９１５ｎｍポンプ・パワーを用いて、１４８０ｎｍのシングル・モード・ファイバの〜９Ｗの高輝度の光を発生させることができた。ＣＲＲの出力部で傾斜した格子（図示せず）を使用して、〜１５８５ｎｍに中心がある次のストークス・オーダ（Ｓｔｏｋｅｓ ｏｒｄｅｒ）をフィルタした。
【００５２】
Ｅｒ増幅器の性能は、１ｎｓおよび５ｎｓの入力パルス期間τｐにおけるパルス繰返し周波数ＦＲの関数として特徴付けられた。入力パルス・ピーク・パワーは、全ての繰返し率において２５０Ｗ〜３００Ｗで維持された。
【００５３】
増幅器出力パルス・エネルギーは、２０ＧＨｚサンプリング・オシロスコープを用いて記録されたパルス幅から計算された。追跡面積とパルス・エネルギーの間の相関関係は、高い繰返し率で確立されていた。発明者は、パルス・エネルギーが、様々な繰返し率でファイバによって吸収されるポンプ・パワーの関数として直線的に増大することを観測し、それにより最大パルス・エネルギーにおいて増幅器が不飽和である続けることを実証した。発明者は、繰返し率の関数としてパルス・エネルギー、平均パワー、パルス・ピーク・パワー、および効率の測定も行った。これらの測定は、目に安全な波長１５４５ｎｍでのナノ秒パルスの増幅について記録的なモード面積のＥｒ添加ファイバを用いて発明者が本発明のコア・ポンプのスキーム有効性を実証することを可能にした。記録的なパルス・エネルギー（数１００μＪ）、ピーク・パワー（数１００ｋＷ）、および平均パワー（数１００ｍＷ）が、ファイバ・スキーム全てにおいてＭ２＜１．１のシングル・モード動作の下で達成された。しかし、発明者は、図３〜図４の複数のポンプ光源の設計を用いていっそうより良い結果を予想する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態による光増幅器の概略構成図である。
【図２】本発明の様々な実施形態で使用するためのモード・エクスパンダの概略図である。
【図３】本発明の別な実施形態による複数のポンプ光源を含む光増幅器の概略構成図である。
【図４】例えば、図３の実施形態で使用するためのポンプ結合の構成およびモード・エクスパンダの概略図である。
【図５】高輝度の１４８０ｎｍのポンプ光源によってポンプされるＥｒ添加ファイバを用いる光増幅器の概略構成図である。
【図６】より詳細に信号源を示す、図５の光増幅器の概略構成図である。
【図７】低パワーおよび高いパルス繰返し率で測定されたＭ２＜１．１を示すグラフである。利得生成ファイバを励起する光は、レンズによって光検出器の上へ合焦された。レンズから検出器までの距離が増大され、光ビームの幅が測定された。完全なガウス・ビームの挙動は知られているので、ビームに沿った軸方向距離（走査距離）と共に最小のビーム幅およびビームの変動幅を使用してビームのＭ２を計算した。ビームは典型的には、わずかに非線形だったので、測定は、ｘおよびｙで示される２つの直交方向で行われた。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングル横モードの信号光および少なくとも同じシングル横モードのポンプ光を伝播するように構成される第１のコア領域を有する入力ファイバと、
前記ポンプ光の高輝度光源と、
第２のコア領域および前記第２のコア領域を囲むクラッド領域を有するマルチモードの利得生成光ファイバとを含み、前記第２のコア領域の断面積が約３５０μｍ２を超えると共に前記第１のコア領域の前記断面積を超え、前記第２のコア領域は、その中で前記ポンプ光が吸収されるときにその中で伝播する前記信号光に利得を与えるように構成されており、さらに、
前記信号光および前記ポンプ光を前記第１のコア領域から前記第２のコア領域の中に結合すると共に、前記入力ファイバ中の前記信号光および前記ポンプ光のモードフィールド面積を変えて前記第２のコア領域中の対応するモードフィールド面積を整合するモードエクスパンダとを含むことを特徴とする高パワー光ファイバ装置。
【請求項２】
前記モードエクスパンダがファイバベースのＧＲＩＮレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記信号光が約１５００〜１６００ｎｍの範囲の波長を有し、前記ポンプ光が約１４８０〜１４９０ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記利得生成ファイバがＥｒで添加されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ポンプ光源が、
低輝度の第１のポンプ光を発生させるＬＤのアレイと、
前記第１のポンプ光によってポンプされるファイバレーザとを含み、前記ファイバレーザの出力が前記利得生成ファイバをポンプするように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ファイバレーザが、
前記低輝度ポンプ光に応答してより高輝度の第２のポンプ光を発生させる第１のファイバレーザと、
前記より高輝度の第２のポンプ光に応答して前記より高輝度のポンプ光の波長をシフトアップするラマンファイバレーザとを含み、前記シフトアップされたポンプ光が前記利得生成ファイバに供給されて前記信号光を増幅することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ＬＤのアレイが、前記低輝度の第１のポンプ光を約９００〜１０００ｎｍの波長で発生させるように構成され、前記第１のファイバレーザが前記より高輝度の第２のポンプ光を発生させるように構成されるＹｂ添加ファイバレーザを含み、前記ラマンレーザが、前記第２のポンプ光に応答して前記波長をシフトして前記信号光を増幅することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記Ｙｂ添加レーザがクラッドポンプ式ファイバレーザを含み、前記ラマンレーザがカスケード式ラマン共振器レーザを含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第２のコア領域の面積が約８００μｍ２を超えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ポンプ光の前記高輝度光源が、異なる波長をそれぞれ有する複数のポンプ光光源を含み、前記ポンプ光および前記信号光が前記入力ファイバの上へ多重化されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置が光増幅器を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記装置がレーザを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記利得生成ファイバがシングルクラッドファイバを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記入力ファイバが、前記ポンプ光がその中で前記信号光と同じシングル横モードだけで伝播するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記モードエクスパンダがファイバセグメントを備え、ファイバセグメントのコア領域の断面積が前記セグメントの縦軸に沿って先細りであり、前記セグメントが、前記第２のコア領域に隣接する比較的により大きい面積と前記第１のコア領域に隣接する比較的により小さい面積とを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
基本横モードの信号光およびポンプ光を伝播するように構成される、第１のコア領域を有する入力ファイバと、
低輝度の第１のポンプ光を発生させるＬＤのアレイと、前記低輝度ポンプ光に応答してより高輝度の第２のポンプ光を発生させる第１のファイバレーザと、前記より高輝度の第２のポンプ光に応答して前記より高輝度のポンプ光の波長をシフトアップするラマンファイバレーザとを含む前記ポンプ光の高輝度光源とを含み、前記シフトアップされたポンプ光が前記信号光を増幅するように前記利得生成ファイバに供給され、さらに、
第２のコア領域と前記コア領域を囲むクラッド領域とを有するマルチモードの利得生成Ｅｒ添加シングルクラッド光ファイバを含み、前記第２のコア領域の断面積が、約８００μｍ２を超えると共に前記第１のコア領域の断面積を超え、前記第２のコア領域はその中で前記ポンプ光が吸収されるときにその中で伝播する前記信号光に利得を与えるように構成され、さらに、
前記信号光および前記ポンプ光を前記第１のコア領域から前記第２のコア領域の中に結合すると共に、前記入力ファイバ中の前記信号光および前記ポンプ光のモードフィールド面積を変えて前記第２のコア領域中の対応するモードフィールド面積を整合する、ファイバベースのＧＲＩＮレンズ モードエクスパンダを含み、
前記信号光が約１５００〜１６００ｎｍの範囲の波長を有し、前記ポンプ光が約１４８０〜１４９０ｎｍの波長を有することを特徴とする高パワー光ファイバ増幅器。
【請求項１７】
シングル横モードの信号光を伝播するように構成される第１のコア領域を含む入力ファイバと、
第２のコア領域および前記コア領域を囲むクラッド領域を有するマルチモード利得生成光ファイバを含み、前記コア領域の断面積が約３５０μｍ２を超えると共に前記第１のコア領域の断面積を超え、前記第２のコア領域はその中でポンプ光が吸収されるときにその中で伝播する前記信号光に利得を与えるように構成され、さらに、
前記第２のコア領域の中にだけ結合される前記ポンプ光の複数の高輝度光源と、
前記第２のコア領域内で、シングル横モードの前記信号光および様々な横モードの前記ポンプ光を伝播するように構成される前記利得生成ファイバとを含むことを特徴とする高パワー光ファイバ装置。
【請求項１８】
複数の前記ポンプ光源が実質的に同じ波長でポンプ光を発生させることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
複数の前記ポンプ光源が異なる波長でポンプ光を発生させることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記信号光が約１５００〜１６００ｎｍの範囲の波長を有し、前記ポンプ光が約１４８０〜１４９０ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記コア領域内で前記信号光が基本横モードで伝播し、前記ポンプ光が複数の高次モードで伝播することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記信号光を前記第２のコア領域の中に直接結合するモードエクスパンダをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記信号およびポンプ光を前記モードエクスパンダの中に光学的に結合する結合器をさらに含み、前記結合器が、前記信号光を運ぶ中心ファイバセグメントと前記ポンプ光を運ぶ複数の周辺ファイバセグメントとを含み、各前記セグメントが、前記モードエクスパンダに結合される領域の断面積を減少させるように先細りであることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
前記第２のコア面積が約８００μｍ２を超えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２５】
前記利得生成ファイバがシングルクラッドファイバを備えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２６】
前記装置が光増幅器を備えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２７】
前記装置がレーザを備えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１】
シングル横モードの信号光および少なくとも同じシングル横モードのポンプ光を伝播するように構成される第１のコア領域を有する入力ファイバと、
前記ポンプ光の高輝度光源と、
第２のコア領域および前記第２のコア領域を囲むクラッド領域を有するマルチモードの利得生成光ファイバとを含み、前記第２のコア領域の断面積が約３５０μｍ２を超えると共に前記第１のコア領域の前記断面積を超え、前記第２のコア領域は、その中で前記ポンプ光が吸収されるときにその中で伝播する前記信号光に利得を与えるように構成されており、さらに、
前記信号光および前記ポンプ光を前記第１のコア領域から前記第２のコア領域の中に結合すると共に、前記入力ファイバ中の前記信号光および前記ポンプ光のモードフィールド面積を変えて前記第２のコア領域中の対応するモードフィールド面積を整合するモードエクスパンダとを含むことを特徴とする高パワー光ファイバ装置。
【請求項２】
前記モードエクスパンダがファイバベースのＧＲＩＮレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記信号光が約１５００〜１６００ｎｍの範囲の波長を有し、前記ポンプ光が約１４８０〜１４９０ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記利得生成ファイバがＥｒで添加されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記ポンプ光源が、
低輝度の第１のポンプ光を発生させるＬＤのアレイと、
前記第１のポンプ光によってポンプされるファイバレーザとを含み、前記ファイバレーザの出力が前記利得生成ファイバをポンプするように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ファイバレーザが、
前記低輝度ポンプ光に応答してより高輝度の第２のポンプ光を発生させる第１のファイバレーザと、
前記より高輝度の第２のポンプ光に応答して前記より高輝度のポンプ光の波長をシフトアップするラマンファイバレーザとを含み、前記シフトアップされたポンプ光が前記利得生成ファイバに供給されて前記信号光を増幅することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記ＬＤのアレイが、前記低輝度の第１のポンプ光を約９００〜１０００ｎｍの波長で発生させるように構成され、前記第１のファイバレーザが前記より高輝度の第２のポンプ光を発生させるように構成されるＹｂ添加ファイバレーザを含み、前記ラマンレーザが、前記第２のポンプ光に応答して前記波長をシフトして前記信号光を増幅することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記Ｙｂ添加レーザがクラッドポンプ式ファイバレーザを含み、前記ラマンレーザがカスケード式ラマン共振器レーザを含むことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記第２のコア領域の面積が約８００μｍ２を超えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ポンプ光の前記高輝度光源が、異なる波長をそれぞれ有する複数のポンプ光光源を含み、前記ポンプ光および前記信号光が前記入力ファイバの上へ多重化されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置が光増幅器を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記装置がレーザを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記利得生成ファイバがシングルクラッドファイバを備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記入力ファイバが、前記ポンプ光がその中で前記信号光と同じシングル横モードだけで伝播するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記モードエクスパンダがファイバセグメントを備え、ファイバセグメントのコア領域の断面積が前記セグメントの縦軸に沿って先細りであり、前記セグメントが、前記第２のコア領域に隣接する比較的により大きい面積と前記第１のコア領域に隣接する比較的により小さい面積とを有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
基本横モードの信号光およびポンプ光を伝播するように構成される、第１のコア領域を有する入力ファイバと、
低輝度の第１のポンプ光を発生させるＬＤのアレイと、前記低輝度ポンプ光に応答してより高輝度の第２のポンプ光を発生させる第１のファイバレーザと、前記より高輝度の第２のポンプ光に応答して前記より高輝度のポンプ光の波長をシフトアップするラマンファイバレーザとを含む前記ポンプ光の高輝度光源とを含み、前記シフトアップされたポンプ光が前記信号光を増幅するように前記利得生成ファイバに供給され、さらに、
第２のコア領域と前記コア領域を囲むクラッド領域とを有するマルチモードの利得生成Ｅｒ添加シングルクラッド光ファイバを含み、前記第２のコア領域の断面積が、約８００μｍ２を超えると共に前記第１のコア領域の断面積を超え、前記第２のコア領域はその中で前記ポンプ光が吸収されるときにその中で伝播する前記信号光に利得を与えるように構成され、さらに、
前記信号光および前記ポンプ光を前記第１のコア領域から前記第２のコア領域の中に結合すると共に、前記入力ファイバ中の前記信号光および前記ポンプ光のモードフィールド面積を変えて前記第２のコア領域中の対応するモードフィールド面積を整合する、ファイバベースのＧＲＩＮレンズ モードエクスパンダを含み、
前記信号光が約１５００〜１６００ｎｍの範囲の波長を有し、前記ポンプ光が約１４８０〜１４９０ｎｍの波長を有することを特徴とする高パワー光ファイバ増幅器。
【請求項１７】
シングル横モードの信号光を伝播するように構成される第１のコア領域を含む入力ファイバと、
第２のコア領域および前記コア領域を囲むクラッド領域を有するマルチモード利得生成光ファイバを含み、前記コア領域の断面積が約３５０μｍ２を超えると共に前記第１のコア領域の断面積を超え、前記第２のコア領域はその中でポンプ光が吸収されるときにその中で伝播する前記信号光に利得を与えるように構成され、さらに、
前記第２のコア領域の中にだけ結合される前記ポンプ光の複数の高輝度光源と、
前記第２のコア領域内で、シングル横モードの前記信号光および様々な横モードの前記ポンプ光を伝播するように構成される前記利得生成ファイバとを含むことを特徴とする高パワー光ファイバ装置。
【請求項１８】
複数の前記ポンプ光源が実質的に同じ波長でポンプ光を発生させることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
複数の前記ポンプ光源が異なる波長でポンプ光を発生させることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記信号光が約１５００〜１６００ｎｍの範囲の波長を有し、前記ポンプ光が約１４８０〜１４９０ｎｍの波長を有することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記コア領域内で前記信号光が基本横モードで伝播し、前記ポンプ光が複数の高次モードで伝播することを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記信号光を前記第２のコア領域の中に直接結合するモードエクスパンダをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記信号およびポンプ光を前記モードエクスパンダの中に光学的に結合する結合器をさらに含み、前記結合器が、前記信号光を運ぶ中心ファイバセグメントと前記ポンプ光を運ぶ複数の周辺ファイバセグメントとを含み、各前記セグメントが、前記モードエクスパンダに結合される領域の断面積を減少させるように先細りであることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
前記第２のコア面積が約８００μｍ２を超えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２５】
前記利得生成ファイバがシングルクラッドファイバを備えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２６】
前記装置が光増幅器を備えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項２７】
前記装置がレーザを備えることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−１８７１７６（Ｐ２００８−１８７１７６Ａ）
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００８−１４３７９（Ｐ２００８−１４３７９）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（３０２００３３１４）フルカワ エレクトリック ノース アメリカ インコーポレーテッド (75)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月１４日（２００８．８．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４３７９（Ｐ２００８−１４３７９）
【出願日】平成２０年１月２５日（２００８．１．２５）
【出願人】（３０２００３３１４）フルカワ エレクトリック ノース アメリカ インコーポレーテッド (75)
【Ｆターム（参考）】
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