大モード面積光導波路デバイス
【課題】大モード面積光導波路デバイスを提供する。
【解決手段】少なくとも０．１重量％の濃度のＮｄ３＋でドープした超大モード面積能動ダブルクラッド光導波路を使用して、１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の光を効率的に増幅することができる。７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長のポンプ光に少なくとも３ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるのに十分なドーピング濃度で、Ｎｄ３＋は、Ｙｂ３＋よりも極めて低い反転レベルの下で動作する。低い反転レベルのために、Ｎｄ３＋ドープ導波路は、ポンプ・ブリーチングまたは光黒化が低減される傾向がある。
【解決手段】少なくとも０．１重量％の濃度のＮｄ３＋でドープした超大モード面積能動ダブルクラッド光導波路を使用して、１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の光を効率的に増幅することができる。７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長のポンプ光に少なくとも３ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるのに十分なドーピング濃度で、Ｎｄ３＋は、Ｙｂ３＋よりも極めて低い反転レベルの下で動作する。低い反転レベルのために、Ｎｄ３＋ドープ導波路は、ポンプ・ブリーチングまたは光黒化が低減される傾向がある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は能動光導波路デバイスに関し、特に、大モード面積（ｌａｒｇｅ ｍｏｄｅ ａｒｅａ：ＬＭＡ）能動光導波路を使用する増幅器および発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバ・レーザおよび増幅器は、自由空間レーザおよび増幅器と比較していくつかの利点を有する。ファイバ・レーザおよび増幅器では、光は、光利得を与える材料をドープした「能動」ファイバ・コアによって導波され、そのために、ファイバ・レーザおよび増幅器は機械的位置合わせ不良の影響を受けない。能動光ファイバの光導波の性質のために、利得媒体の長さを数十メートル、さらには数百メートルに増加させることもでき、その結果、非常に高い達成可能な光利得がもたらされる。
【０００３】
ダブルクラッド・ファイバ・レーザおよび増幅器ならびに関連する導波路デバイスは、それらの非常に高い効率、輝度、コンパクト性、および費用効果のために、現在、大きい関心が寄せられている。Ｓｎｉｔｚｅｒ等は米国特許第４，８１５，０７９号において、およびＧｒｕｂｂ等は米国特許第６，１５７，７６３号において、ダブルクラッド光ファイバ構造により、レーザ・ダイオードからの多モードのポンプ放射が光ファイバの希土類ドープ単一モード・コアに効率的に結合できるようになることを開示している。
【０００４】
Ｓｎｉｔｚｅｒの特許に述べられているように、ダブルクラッド構成のための有用なガラス・ドーパント材料はネオジウム・イオン（Ｎｄ３＋）およびイッテルビウム・イオン（Ｙｂ３＋）を含むことができ、それらは両方とも約１０６０ｎｍの波長の光を増幅し、それらは両方とも近赤外ＧａＡｓレーザ・ダイオードでポンピングすることができる点で見かけ上は類似している。１９９０年代初頭に、一つには、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶レーザをポンピングするために開発されたＮｄ３＋の８０５ｎｍポンプ波長のレーザ・ダイオードを利用できるという理由で、ダブルクラッドＮｄ３＋レーザを使用する実験が行われた。１９９０年代末期に、９００〜９８０ｎｍ範囲の高信頼性のレーザ・ダイオードが電気通信光増幅器用のポンプとして広く利用できるようになった。この範囲はＹｂ３＋ポンプ帯域を含むので、約１０６０ｎｍの波長で動作するダブルクラッド・レーザのレージング・ドーパントとしてＮｄ３＋ではなくＹｂ３＋を使用することが実用的になった。
【０００５】
Ｙｂ３＋は、当業者に知られている以下の利点のために１０６０ｎｍでの動作に関してＮｄ３＋と比較して急速に好ましいドーパントになった。
（ａ）Ｙｂ３＋は、ポンプ波長の光子と出力波長の光子との間のエネルギー損失がより小さいので、Ｎｄ３＋よりも光を効率的に増幅することができる。例として、シリカ・ファイバ中のＹｂ３＋は９８０ｎｍまででポンピングし、１０３０ｎｍほどの低さの波長の光を増幅することができ、その結果、９５％の量子収率がもたらされるが、一方、Ｎｄ３＋は、典型的には、８０５ｎｍでポンピングされ、１０６０ｎｍの光を増幅し、その結果、わずかに７５％の量子収率がもたらされる。
（ｂ）Ｙｂ３＋ファイバ・レーザはＮｄ３＋よりも高いドーピング・レベルを利用することができる。図１を参照すると、Ｙｂ３＋およびＮｄ３＋のエネルギー準位構造が並んで示されている。Ｙｂ３＋は２つのエネルギー準位マニホルド、すなわち、５Ｆ５／２および５Ｆ７／２しか有しておらず、そのため、濃度消光、励起状態吸収、およびエネルギー移行アップコンバーションなどの多準位寄生過程が本質的に避けられることが分かる。これらの寄生過程は、さらに多くのエネルギー準位、すなわち、４Ｉ９／２から４Ｉ１５／２まで、４Ｆ５／２、および４Ｆ３／２を有するＮｄ３＋に影響を及ぼすことがある。これらの過程は希土類ドーピング濃度と相関するので、Ｎｄ３＋は、一般には、シリカ・ファイバ中でＹｂ３＋よりも低い濃度でドープされ、その結果、Ｙｂ３＋では、ファイバ長の短縮ならびにさらなる効率の利点がもたらされる。
（ｃ）Ｙｂ３＋は、Ｎｄ３＋の約０．２５ｍｓと比較して、約１ｍｓの励起状態寿命を有し、その結果、Ｙｂ３＋ではさらなる効率の利点がもたらされる。
（ｄ）Ｙｂ３＋は１０３０ｎｍから１１４０ｎｍまで広がるより広い波長スペクトルにわたって光を増幅することができるが、一方、Ｎｄ３＋は、一般には、１０５０ｎｍから１１２０ｎｍまで増幅する。その結果、Ｙｂ３＋は超短パルス用途のためにＮｄ３＋よりも短いパルス持続時間をサポートすることができ、より広い出力スペクトルにわたって調整することもできる。
（ｅ）Ｙｂ３＋はＮｄ３＋よりも高い飽和フルエンスを有し、その結果、より高いパルス・エネルギーがＹｂ３＋によって発生されうる。
（ｆ）９００〜９８０ｎｍレーザ・ダイオードは、現在、８００〜８９０ｎｍダイオードよりも強力かつ高信頼であるので、Ｙｂ３＋の９２０ｎｍおよび９７６ｎｍのポンプ帯域は、レーザ・ダイオード技術の観点からすると、Ｎｄ３＋の８０５ｎｍおよび８８５ｎｍのポンプ帯域より優れている。
【０００６】
これらの理由で、およそ１９９６年以来、１０３０〜１０８０ｎｍ波長帯域での動作のためのダブルクラッド・ファイバ・レーザおよび増幅器の取り組みの大部分は、Ｙｂ３＋ドープデバイスのまわりで展開しており、Ｎｄ３＋ドープデバイスではほとんどなにも行われていない。Ｎｄ３＋ドープファイバ・デバイスが、今日、時折使用される主な残った用途は、Ｙｂ３＋がレージング遷移を有していない９２０ｎｍ波長帯域での増幅のためのものである。Ｙｂ３＋ドープファイバおよびファイバ・レーザは、現在、コネチカット州、Ｅａｓｔ ＧｒａｎｂｙのＮｕｆｅｒｎ、およびマサチューセッツ州、ＯｘｆｏｒｄのＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓを含む多数の会社から販売中である。
【０００７】
ファイバ・レーザおよび増幅器は、ますます高くなる平均パワー・レベル、およびパルス・レーザでますます高くなるピークパワー・レベルを発生させるために１９９６年以来開発されている。その結果、ファイバ中の光パワー密度は劇的に増加し、それにより、光損傷および光非線形性に関する問題がもたらされている。ファイバ製造業者は、ファイバ・コアの直径を単一モード・カットオフ以上に増加させることによってこれらの問題に対処している。コアを大きくすると、次の２つの方法で、すなわち、レーザ放射のパワー密度を低減すること、および大きいコアは単位長当たり多くのドーパントを保持することができるので、より短いファイバ長を使用できるようにすることで、非線形性および損傷が低減される。そのようなファイバは、一般に、「大モード面積」、すなわちＬＭＡ、ダブルクラッド・ファイバと呼ばれ、約４．０よりも大きいコアＶナンバ、Ｖ＝（２π ａ ＮＡ）／λ、を有することによって特徴づけられる。ここで、ａはコア半径であり、ＮＡは開口数であり、λはレージング波長である。４．０のＶナンバより下で、いかなる高次モードも一般に非常に高い損失を有する。
【０００８】
レーザ出力は回折限界ビーム内にあることが、多くの場合、好ましく、それは、能動光ファイバが単一空間モードで動作することを必要とする。実験的に、２５マイクロメートル直径および０．０８ＮＡ（開口数）のファイバ・コアに対応して、約６．０までのＶをもつファイバにおいて略単一モードの動作を得ることが可能であることが観察されている。典型的な約１重量％のＹｂ３＋ドーピング・レベル、９７６ｎｍのポンプ波長、および２５０マイクロメートルのクラッド直径をもつそのようなファイバは、長さ２ｍという短いファイバ長で効率的な動作を行うことができる。ＬＭＡファイバは、光非線形性に起因する厳しいパルス歪みおよびスペクトル広がりにもかかわらずナノ秒パルスにおいて２００ｋＷを超えるピーク出力パワーを実証している。
【０００９】
略単一モードの動作でさらにより高いパワー・レベルを達成するには、ファイバ直径はさらに増大される必要がある。非線形性を低減し、信頼性を改善するには、ファイバ長は減少される必要がある。略単一モードの動作を維持しながらコア直径を増大させ、かつファイバをさらに短くするいくつかの技法が開発されている。今後、超大モード面積（Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ：ＶＬＭＡ）ファイバと呼ぶこれらのファイバの共通の特徴は、約２５マイクロメートルよりも大きいＹｂ３＋ドープコア直径、１００マイクロメートルから約４００マイクロメートルの範囲のクラッド直径（一般に、ポンプの輝度によって決定される）、および約２ｍ未満のファイバ長である。
【００１０】
１つのそのようなＶＬＭＡファイバ構造は、Ｌｉｍｐｅｒｔ等により、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１３巻、４号、２００５年２月２１日、１０５５〜１０５８頁で公表された「Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｒｏｄ−Ｔｙｐｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ」という名称の論文で開示されている。デンマーク、ＢｉｒｋｅｒｏｄのＮＫＴ ＰｈｏｔｏｎｉｃｓはこのタイプのＶＬＭＡファイバを製造している。これらのファイバでは、Ｙｂ３＋ドープコアは、典型的には、直径が４０〜１００マイクロメートルであり、基本モード以外のコア・モードはすべてカットオフであるか、または非常に高い損失を有し、その結果、基本モードのみが伝搬されるように、コアのＮＡは非常に低くされている（約０．０３以下）。コアは、コア材料とクラッド材料との間の小さい屈折率差によって、または実効屈折率差を生成する、クラッド中の小さい空気孔の格子によって、または両方によって規定することができる。同様に、ポンプ導波は、屈折率差によって、または実効屈折率差を生成する空気孔の格子によって規定することができる。そのような低いコアＮＡでは、ファイバがかなりの程度まで曲げられる場合、基本モードでさえ歪みおよび曲げ損失を受けることになる。したがって、約１ｍｍ以上の直径を与えるために、ポンプ導波領域の外側にシリカの厚い層をもつファイバが製作され、この堅いファイバは直線ロッドとして使用される。一般には、レーザ形状係数はレーザ・ユーザにとって重要な考慮事項であり、したがって、約１ｍよりも長い長さの直線ロッド・ファイバを収容するレーザ・システムは魅力的でないことがある。しかし、ロッド・タイプのファイバの大きいコア直径のために、Ｙｂ３＋のポンプ吸収係数はそのようなロッド・ファイバでは約１０ｄＢ／ｍを超えることがあり、低い利得用途では、１ｍ以下の長さで有効なポンプ吸収を行うことができる。
【００１１】
別のＶＬＭＡ技法は、Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓによって米国特許第７，４２４，１９３号で開示されたキラル結合コア・ファイバで具現される。この技法では、Ｙｂ３＋ドープファイバ・コアは、一次コアのまわりに螺旋状に巻き付けられた第２のより小さいコアを有するように製作された一次コアである。一次コアは、公称上の多モード（Ｖ＞４．０）であるように選択された直径およびＮＡを有するが、螺旋状に巻き付けられた第２のコアが、高次モードの１つまたは複数に選択的な損失を引き起こすように構成され、その結果、基本モードは他のモードよりも高い正味の利得を有し、したがって優勢である。一般的には、この技法は、高いパワー・レベルでポンプ光を直接的に結合できるようにするためにダブルクラッド構造に組み合わされることになる。
【００１２】
さらなる別のＶＬＭＡ技法は、Ｄｏｎｇ等によって米国特許第７，７８７，７２９号で開示された漏れチャネル・ファイバで具現される。キラル結合コア・ファイバと同様に、この技法は、高次モードの１つまたは複数に選択的な損失を引き起こす構造要素と共に公称上の多モード・コアを利用し、一般には、やはりダブルクラッド構造と組み合わされることになる。この技法では、増幅される信号光は、その構造の基本モードそのものではなく、むしろ、構造要素よって第１のクラッドに閉じ込められ、デバイスの全長にわたって比較的安定なままであるいわゆる「漏れモード」に存在することができる。
【００１３】
予想されるように、上述で列記したようにＮｄ３＋に対するＹｂ３＋ドーピングの利点を考えれば、１０３０〜１０８０ｎｍ波長帯域でこれらのＶＬＭＡ技法を使用している既知の仕事はすべて現在までＹｂ３＋ドープファイバを使用している。しかし、ＶＬＭＡファイバによるパラメータ空間は以前のファイバによるものと著しく異なるので、新しい問題が考慮されなければならない。
【００１４】
特に、Ｌｉｍｐｅｒｔ等は、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１５巻、２００９年１月／２月、１５９〜１６９頁（ｓｅｃｔｉｏｎ ＩＩＩ： Ｇａｉｎ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｈｏｒｔ Ｌｏｗ−ＮＬ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓを参照）、「Ｈｉｇｈ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｅ Ｇｉｇａｗａｔｔ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ： Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ， Ｄｅｓｉｇｎ， ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」という名称の論文において、Ｙｂ３＋ドープＶＬＭＡレーザまたは増幅器の有用なレベルの利得を達成するには、従来のファイバ・レーザまたは増幅器よりもはるかに高いレベルの反転が生成されなければならないことを説明した。これらの非常に高い反転レベルは、レーザ基底状態を空乏化し、ポンプ光子を吸収するのに利用可能なＹｂ３＋イオンの分布数を低減させ、それによって、場合によっては大部分のポンプ・パワーが吸収されずにファイバを通り抜けるようになり、変換効率が低減する。上位レーザ準位への直接的な共鳴ポンピング、例えば、Ｙｂ３＋の９７６ｎｍポンピングが使用される場合、この効果は、ポンプ光子のうちのいくつかが吸収される代わりに既存の反転の下方遷移を刺激することになるので悪化する。これらの２つの関連する問題はまとめてポンプ遷移のブリーチング（ｂｌｅａｃｈｉｎｇ）と呼ばれる。さらに、発明者は、高い反転レベルはＹｂ３＋の急速な光黒化を引き起こし、それにより、場合によっては、デバイスが数分以内に動作不能になることがあることを、さらに他の作業者と一致して観察した。
【００１５】
ポンプ・ブリーチングの問題への解決策は、上述で引用した論文でＬｉｍｐｅｒｔ等が説明しているように、動作利得を減少させ、その動作利得レベルで、ファイバが所望の割合の入力ポンプ・パワーを吸収するのに十分な長さを有するようにファイバ長を増加させることである。この解決策にはいくつかの欠点がある。第１に、一般には、利得が、普通ならありえたものよりも低くなり、したがって、より多くの前置増幅段、したがって、より高いコストが必要となる。第２に、ポンプ吸収は反転に依存するので、低い利得では、ポンプがすべてファイバの短い長さで吸収されるが、一方、より高い反転では、所望のポンプがすべて吸収されるとは限らず、それにより、恐らく、送出されるポンプ光が下流の構成要素を損傷するという問題が引き起こされる。これは、過渡動作のとき、例えば、増幅器ではパルス間のある時に、反転が急激に増大し、利得媒体にポンプ透明性を突然誘起することがある場合に特に危険になることがある。第３に、実施形態の詳細によっては、追加のファイバ長が非線形性の増大を引き起こし、ＶＬＭＡ技法を使用する利点を部分的に無効にすることがある。第４に、ポンプ構成によっては、反転が非常に高いファイバの領域が依然として存在する場合があり、そのために、光黒化がその領域で起こることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第４，８１５，０７９号
【特許文献２】米国特許第６，１５７，７６３号
【特許文献３】米国特許第７，４２４，１９３号
【特許文献４】米国特許第７，７８７，７２９号
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｌｉｍｐｅｒｔ等、「Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｒｏｄ Ｔｙｐｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１３巻、４号、２００５年２月２１日、１０５５〜１０５８頁
【非特許文献２】Ｌｉｍｐｅｒｔ等、「Ｈｉｇｈ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｅ Ｇｉｇａｗａｔｔ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ： Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ， Ｄｅｓｉｇｎ， ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１５巻、２００９年１月／２月、１５９〜１６９頁（ｓｅｃｔｉｏｎ ＩＩＩ： Ｇａｉｎ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｈｏｒｔ Ｌｏｗ−ＮＬ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓを参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
先行技術は、ＶＬＭＡ能動光導波路におけるポンプ・ブリーチングおよびに光黒化の問題に対する低コストで低い非線形性の解決策を欠いている。本発明の目的はそのような解決策を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この問題への本発明の解決策は、１０５０〜１１２０ｎｍの範囲で動作するデバイスのＹｂ３＋ドーパントをＮｄ３＋と取り替えることである。この手法は、Ｙｂ３＋がＮｄ３＋より優れたドーパントという１５年間の「一般通念」と矛盾する。ドーパントとしてのＹｂ３＋の前述の利点は有効なままであるが、ＶＬＭＡ導波路の領域では、Ｎｄ３＋の利点はポンプ・ブリーチングおよび光黒化に関してＹｂ３＋より勝っている。２ｍ未満の所望の短いファイバ長および少なくとも３ｄＢ／ｍの高いポンプ吸収のために、Ｎｄ３＋は、Ｙｂ３＋よりも極めて低い反転レベルの下で動作することが発見された。低い反転レベルの結果、Ｎｄ３＋はポンプ・ブリーチングまたは光黒化という問題がほとんどない。
【００２０】
本発明によれば、
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光を供給するための信号源と、
信号源に結合された能動光導波路であり、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、コアを囲む第１のクラッドであり、第１のクラッドが、コア内に信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、ポンプ光の吸収に際して反転分布がネオジウム・イオンに生成されるとき、信号光がネオジウム・イオンによって増幅される、第１のクラッドと、
第１のクラッドおよびコアにポンプ光を閉じ込めるために、第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
第１のクラッドの屈折率構造は、信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、能動光導波路と
を含む光導波路増幅器アセンブリが提供される。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、
能動光導波路であり、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、コアを囲む第１のクラッドであり、第１のクラッドが、コア内に信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、ポンプ光の吸収に際して反転分布がネオジウム・イオンに生成されるとき、信号光がネオジウム・イオンによって増幅される、第１のクラッドと、
第１のクラッドおよびコアにポンプ光を閉じ込めるために、第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
第１のクラッドの屈折率構造は、信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、能動光導波路と、
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の増幅された信号光を能動光導波路にフィードバックするための、能動光導波路に結合された波長選択光フィードバック要素と
を含む光発振器がさらに提供される。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の光信号を増幅する方法であって、
（ａ）光導波路を用意するステップであり、光導波路が、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、コアを囲む第１のクラッドであり、コア内に信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有する、第１のクラッドと、
第１のクラッドおよびコアにポンプ光を閉じ込めるために、第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含む、ステップと、
（ｂ）７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長のポンプ光で光導波路の第１のクラッドをポンプするステップであり、ポンプ光の吸収に際してネオジウム・イオンに反転分布を生成し、ネオジウム・イオンによって光信号を増幅する、ステップと
を含み、
ステップ（ａ）は、導波光信号の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するように第１のクラッドの屈折率構造を選択するステップを含む、方法がさらに提供される。
【００２３】
本発明のさらなる別の態様によれば、
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光を増幅するためのネオジウム・ドープＶＬＭＡ光導波路の使用であって、ＶＬＭＡ光導波路が、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
コアを囲む、ポンプ光を導波するための第１のクラッドであり、第１のクラッドが、コア内に信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、ポンプ光の吸収に際して反転分布がドーピング材料に生成されるとき、信号光がドーピング材料によって増幅される、第１のクラッドと、
第１のクラッドおよびコアにポンプ光を閉じ込めるために、第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
第１のクラッドの屈折率構造は、信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するように選択される、使用が提供される。
【００２４】
次に、例示的な実施形態が図面に関連して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】Ｙｂ３＋イオンおよびＮｄ３＋イオンの並んでいるエネルギー準位図である。
【図２】本発明のＶＬＭＡ導波路の概略図である。
【図３】Ｙｂ３＋およびＮｄ３＋ドープファイバ増幅器の効率プロットの図である。
【図４Ａ】本発明の光増幅器アセンブリおよび光発振器の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の光増幅器アセンブリおよび光発振器の概略図である。
【図５】テーパ区間を有する本発明のＶＬＭＡ導波路の概略図である。
【図６】本発明のＶＬＭＡ導波路を使用して光信号を増幅する方法の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本教示が様々な実施形態および例に関連して説明されるが、本教示はそのような実施形態に限定されるものではない。それどころか、本教示は、当業者なら理解されるように、様々な代替、変更、および均等物を包含する。
【００２７】
図２を参照すると、本発明の超大モード面積（ＶＬＭＡ）光導波路１０は、ネオジウム（Ｎｄ）イオン１９をドープしたコア２０を含む。コア２０の屈折率ｎ０よりも低い屈折率ｎ１を有する第１のクラッド２１がコア２０を囲む。第１のクラッド２１の屈折率ｎ１よりも低い屈折率ｎ２を有する第２のクラッド２２が第１のクラッド２１を囲む。
【００２８】
動作中、ポンプ光１２は第１のクラッド２１に結合され、第１のクラッド２１はポンプ光１２を導波する。第２のクラッド２２は第１のクラッド２１（および、当然、コア２０）にポンプ光１２を閉じ込める。ポンプ光１２はコア２０中のＮｄイオン１９によって吸収され、Ｎｄイオン１９に反転分布を生成し、それは、誘導放出の現象により信号光１４を増幅する。コアと第１のクラッドとの屈折率の差ｎ０−ｎ１と、コア２０の直径とは、コア２０によって導波される信号光１４の基本空間モード１５が、少なくとも２５マイクロメートルの基本空間モード１５の１／ｅ２（強度による）直径Ｄに対応する少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである。当業者は、コア２０と第１のクラッド２１との屈折率の差ｎ０−ｎ１と、少なくとも５００平方マイクロメートルの所要の基本空間モーアの面積をもたらすコア２０の対応する直径とを計算することができる。例として、コア２０と第１のクラッド２１との屈折率の差ｎ０−ｎ１は０．０１と０．０６との間とすることができ、コア直径は少なくとも２５マイクロメートルとすることができる。
【００２９】
信号光１４とポンプ光１２とが図２では同方向伝搬するように示されているが、逆方向伝搬ポンピングも可能である。
【００３０】
コア２０および第１のクラッド２１は、好ましくは、好適なドーパントをドープした融解石英で製作される。第２のクラッド２２は、融解石英またはフルオロアクリレートなどの高分子で製作することができる。低屈折率フルオロアクリレート・クラッドによると、それぞれ、第１のクラッド２１と第２のクラッド２２との屈折率の差ｎ１−ｎ２が石英ガラス・クラッドよりも高くなる。屈折率差が大きいと、ポンプ光２１を第１のクラッド２１に結合するのが容易になるが、しかし、高いポンプパワー・レベルでは、高分子材料は焼損することがあり、したがって、高いポンプパワー・レベルではシリカ・クラッドが好ましいことがある。いわゆるホーリー・ファイバまたはフォトニック結晶ファイバのように、空気クラッド、またはさらに真空クラッド２２を考えることができる。言い換えれば、コア２０と第１のクラッド２１とによって形成される「内側導波路」は、屈折率ｎ＝１を有する空気中に配置することができる。空気クラッド２２の場合には、第１のクラッド２１から多すぎるポンプ光１２を漏れさせることなく、「内側導波路」を所定位置に保持するように特別に注意しなければならない。
【００３１】
クラッド２１、２２は、複数の空気孔または他のクラッド・フィーチャによって、フォトニック結晶ファイバ、キラル結合コア・ファイバ、漏れチャネル・ファイバ、または当技術分野で既知の類似の構造中に形成することができる。クラッド２１、２２が構造化されたクラッドである場合、第１および／または第２のクラッド２１および２２は、それぞれ、空気孔構造または他のクラッド・フィーチャで規定することができる。第１および／または第２の構造化されたクラッド２１および２２は、それぞれ、対応する実効屈折率ｎ１ＥＦＦおよびｎ２ＥＦＦで特徴づけることができる。ポンプ光１２を第１のクラッド２１およびコア２０に閉じ込めるには、第２のクラッド２２の実効屈折率ｎ２ＥＦＦが、第１のクラッド２１の実効屈折率ｎ１ＥＦＦよりも低い、すなわち、ｎ２ＥＦＦ＜ｎ１ＥＦＦである必要がある。第１のクラッド２１の屈折率構造は、信号光１４をコア２０内に閉じ込め、その結果、信号光１４の基本空間モード１５が少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するように選択されなければならない。この目的のために、図２に示された中実の第１のクラッド２１、フォトニック結晶ファイバにおけるような空気孔構造、および／または漏れチャネル構造を含む、第１のクラッド２１の様々な屈折率構造を使用することができる。基本モード１５の事前定義された直径Ｄを達成するために第１のクラッド２１の適切な屈折率構造を選択することは当技術分野でよく知られている。
【００３２】
ＶＬＭＡ能動光ファイバ１０のＮｄ３＋ドーピングの利点をＹｂ３＋ドーピングと比較して検証するために、数値シミュレーションが行われた。図３を参照すると、出力光パワーが３つのＶＬＭＡ光ファイバについて放射ポンプ・パワーの関数としてプロットされており、１）Ｎｄ３＋ドープで６００ｍｍ長が実線で示され、２）Ｙｂ３＋ドープで１２００ｍｍ長が細かい破線で示され、３）Ｙｂ３＋ドープで６００ｍｍ長が粗い破線で示される。３つの場合すべてにおいて、モデル化されたＶＬＭＡ光ファイバは、０．５重量％でドープされた６０マイクロメートル直径のコア、２００マイクロメートル直径の第１のクラッド、１０６４ｎｍの波長の信号光、０．５Ｗの入力信号パワー、３００ｋＨｚのパルス繰返し率、およびそれぞれ、Ｙｂ３＋およびＮｄ３＋に対して９７６ｎｍおよび８０５ｎｍのポンプ波長を有する石英ガラス・ファイバであった。
【００３３】
これらの条件は、Ｙｂドープファイバに対してＬｉｍｐｅｒｔ等によってモデル化され、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１５巻、２００９年１月／２月、１５９〜１６９頁（特に、図６、７、およびそれに付随する本文）で公表された「Ｈｉｇｈ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｅ Ｇｉｇａｗａｔｔ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ： Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ， Ｄｅｓｉｇｎ， ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」という名称の論文で報告されたものと同様である。Ｙｂ３＋ドープＶＬＭＡ光ファイバに対してＬｉｍｐｅｒｔ等によって計算された出力光パワー依存性は図３に示したものと同様である。６００ｍｍファイバ長のＹｂ３＋ドープＶＬＭＡ光ファイバでは、ポンプ遷移が高度にブリーチされるので有用な出力パワーはほとんど生成されない。１２００ｍｍまで長さを２倍にする場合には大幅な改善があるが、１Ｗ未満の入力信号レベルでは、変換は依然として最適を下回り、変換がポンプ・パワーの増加とともに悪化していることは明らかであり、これはポンプ・ブリーチングの明確な徴候である。
【００３４】
対照的に、６００ｍｍ長のＮｄ３＋では、ポンプ・ブリーチングの兆しはない。レーザが２４ｄＢもの高い利得まで強められるとき、出力パワーはポンプ・パワーに関して線形のままである。Ｙｂ３＋よりも低いＮｄ３＋の固有の量子収率にもかかわらず、６００ｍｍ長のＮｄ３＋ドープファイバの高い利得での正味の効率は、２倍の長さのＹｂ３＋ファイバよりも著しく良好であることが分かる。モデリングによれば、長さが２ｍまでのＶＬＭＡ導波路１０で同様の利点が実証された。
【００３５】
Ｙｂ３＋ドーピングと比較してＮｄ３＋ドーピングの光黒化性能がより良好なのは、以下のように理解することができる。石英ガラス中の希土類元素ドーピング材料の光黒化レートは反転密度の高い指数に依存することが観察されている。例として、Ｋｏｐｏｎｅｎ等は、Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ、７１９５巻、７１９５Ｄ−１から７１９５Ｄ−７頁、２００９年、「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｐｈｏｔｏｄａｒｋｅｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂｌｅａｃｈｉｎｇ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ」という名称の論文において、指数が４と７との間にあることを様々な著者が測定していることを教示している。上述のように、Ｎｄ３＋の反転密度はＹｂ３＋よりも非常に低いことが分かる。図３に示されているシミュレートされた例では、６００ｍｍのＮｄ３＋ファイバの反転は１３．４％であることが見いだされたが、一方、１２００ｍｍのＹｂ３＋ファイバの反転は４４．０％であることが見いだされた。光黒化レートが反転密度の４と７との間の冪に比例すると仮定すれば、その結果として、Ｎｄ３＋の光黒化レートはＹｂ３＋の光黒化レートの０．０２％と０．９％との間にあると予想することができ、それは明らかに強力な利点である。発明者の実験によれば、少なくとも０．７重量％のＮｄ３＋イオンの濃度、６００ｍｍまでの長さ、および２５ｄＢまでの光利得値においてＮｄ３＋に検出可能な光黒化がないことが示された。一般に、Ｎｄ３＋ドーピングは高い利得の条件で特に有利である。
【００３６】
特定のレベルのＮｄ３＋ドーピングおよびＶＬＭＡ導波路１０の長さに関して、実験的に、およびシミュレーションで、少なくとも０．１重量％の濃度でドープされたコア２０を有するＶＬＭＡ導波路１０を光増幅器および発振器（レーザ）で使用することができることが見いだされた。より好ましくは、一般的な導波路の設計および実際的な長さで妥当なレベルのポンプ吸収効率を保証するには、少なくとも０．３重量％の濃度が使用されるべきである。好ましくは、ＶＬＭＡ導波路１０の長さは２ｍを超えるべきでない。ＶＬＭＡ導波路１０の長さを減少させることは、長さに一般的に比例する非線形性を抑制するのに決定的に重要である。さらに、設計によっては、ＶＬＭＡ導波路１０は剛性で真っ直ぐであるので、製品にとって商業的に許容できる形状係数を達成するために長さを最小にすることが重要であり、商用レーザは、典型的には、１ｍから２ｍよりも長くない。Ｎｄ３＋ドープＶＬＭＡ導波路１０の短い長さは、ポンプ・ブリーチング／光黒化をほとんどまたはまったく伴うことなしに達成可能な高い光利得によって可能になる。
【００３７】
ＶＬＭＡ導波路１０の所望のドーピング・レベルの良好な指標はＶＬＭＡ導波路１０の単位長さ当りのポンプ吸収である。発明者自身の実験および計算の示すところによれば、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長のポンプ光１２の３ｄＢ／ｍ減衰に対するＮｄ３＋ドーピング濃度は増幅器および発振器の用途で十分に動作することになる。Ｎｄ３＋ドーピング濃度は、ポンプ光１２の１０ｄＢ／ｍ減衰を達成するためにさらに増加させることができ、その場合、ＶＬＭＡ導波路１０の長さは、好ましくは、０．６ｍに、またはさらにそれ未満に減少されるべきである。７９５ｎｍから８１５ｎｍおよび８８３ｎｍから８８７ｎｍの上述のポンプ波長範囲は、それぞれ、図１に示した共鳴遷移４Ｉ９／２−４Ｆ５／２および４Ｉ９／２−４Ｆ３／２に対応する。後者の共鳴はより弱いが、それはより高い量子収率を有し、したがって、潜在的により高い効率を有する。さらに、８００〜８１０ｎｍよりも８８０〜８９０ｎｍで高いパワーおよび輝度のポンプ・レーザ・ダイオードが市販されている。
【００３８】
Ｎｄ３＋ドーパントに加えて、コア２０は、ポンプ光損失を減少させる、量子効率を改善する、かつ／またはコア２０の屈折率ｎ０を釣り合わせるためにＡｌ、Ｇｅ、Ｐ、Ｆ、およびＢなどの共ドーパント・イオンを含むことができる。
【００３９】
Ｎｄ３＋ドープＶＬＭＡ導波路１０の上述の変形は、それぞれ、図４Ａおよび４Ｂに示した本発明の増幅器および発振器で使用することができる。図２にさらに関連して図４Ａを特に参照すると、光導波路増幅器４０Ａは、信号源４１と、信号源４１に結合されたＶＬＭＡ１０と、ＶＬＭＡ導波路１０の他端でＶＬＭＡ導波路１０に結合されたポンプ・モジュール４２とを含む。信号源４１は１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の光をフィルタ処理するオプションのスペクトル・フィルタ４３を含み、スペクトル・フィルタ４３は光アイソレータ４４に結合される。ポンプ・モジュール４２は、レーザ・ダイオード４５、二色性ビームスプリッタ４７、および合焦レンズ４６を含む。信号源４１は、シード・レーザ、光前置増幅器などを含むことができる。
【００４０】
動作中、レーザ・ダイオード４５はポンプ光１２を放出し、ポンプ光１２は二色性ビームスプリッタ４７によって反射され、レンズ４６によって合焦され、ＶＬＭＡ導波路１０の第１のクラッド２１に結合される。ポンプ光１２はＮｄイオン１９によって吸収され、Ｎｄイオン１９に反転分布を生成する。光源４１からの信号光１４はフィルタ４３によってフィルタ処理され、光アイソレータ４４を通過し、ＶＬＭＡ導波路１０のコア２０に結合される。信号光１４はコア２０中で増幅され、レンズ４６によってコリメートされ、二色性ビームスプリッタ４７を通過し、コリメート・ビーム４８として増幅器４０Ａを出ていく。
【００４１】
次に、図２にさらに関連して図４Ｂを参照すると、光発振器４０Ｂは、ＶＬＭＡ導波路１０と、ＶＬＭＡ１０に結合された反射鏡４９と、他端でＶＬＭＡ導波路１０に結合されたポンプ・モジュール４２とを含む。動作中、ポンプ・モジュール４２はＶＬＭＡ導波路１０の第１のクラッド２１をポンプし、その結果、ＶＬＭＡ導波路１０のコア中の自然放出を増幅することになる。反射鏡４９は増幅された信号光をＶＬＭＡ導波路１０にフィードバックする。ビームスプリッタ４７の垂直面は、１０５０ｎｍから１１２０ｎｍの波長の信号光にとって部分的な二色性反射鏡として働く。当然、当技術分野で知られているように、任意の他の波長選択光フィードバック要素を、反射鏡４９／ビームスプリッタ４７の代わりに使用することができる。
【００４２】
図４Ａおよび４Ｂにさらに関連して図５を参照すると、テーパ状に細くなった区間５０をＶＬＭＡ導波路１０に接合して、出力ビーム４８の品質を改善することができる。テーパ状に細くなった区間５０の機能は、コア２０中を伝搬する信号光１４の非基本空間モードに対して光損失を生成することである。これにより、非基本空間モードと比較して基本空間モード１５が優位になり、ＶＬＭＡ１０を使用するレーザまたは増幅器の略単一モードの性能が保証される。１に近いＭ２パラメータで示される略単一モードの性能は、ほぼ回折限界の出力光ビーム、すなわち、多くのファイバ・レーザおよび増幅器で要求される品質をもたらす。テーパ状に細くなった区間５０は、ＶＬＭＡ導波路１０の制御可能な加熱と引伸し（テーパリング）とによっても得ることができる。ＶＬＭＡ導波路１０のテーパ状に細くなった区間５０は、光増幅器４０Ａおよび光発振器４０Ｂの両方で使用することができる。
【００４３】
次に図６を参照すると、光信号１４を増幅する方法６０が提示される。ステップ５１において、ＶＬＭＡ導波路１０が用意される。ステップ５２において、ＶＬＭＡ導波路１０の第１のクラッド２１がポンプ光１２でポンプされ、ポンプ光１２の吸収に際してＮｄイオン１９に反転分布が生成され、光信号１４がＮｄイオン１９によって増幅される。第１のクラッド２１は、好ましくは、８８３ｎｍと８８７ｎｍと間の波長および／または７９５ｎｍと８１５ｎｍとの間の波長でポンプされ、少なくとも３ｄＢ／ｍ、またはさらに少なくとも１０ｄＢ／ｍのポンプ吸収を達成する。
【００４４】
方法６０はオプションのステップ５３を含み、導波光信号１４の非基本空間モード、すなわち高次空間モードが抑制される。例として、図５のテーパ５０を使用して、非基本モードを抑制することができる。高次空間モードを抑制するための他の手段は、ＶＬＭＡ導波路１０を曲げること、モード・フィルタ処理を行うこと、および基本モード１５を利得導波することを含むことができる。
【００４５】
前述の説明は、１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光１４を増幅するためのネオジウム・ドープＶＬＭＡ導波路１０の使用を概説している。ＶＬＭＡ導波路１０のコア２０は少なくとも０．１重量％の濃度でドープされる。用途によって特定のドーピング濃度を決定することができ、例えば、少なくとも０．３重量％の濃度が好ましいことがある。ドーピング濃度の選択のために従うべき指針は、８８３ｎｍと８８７ｎｍとの間の波長および／または７９５ｎｍと８１５ｎｍとの間の波長で、ポンプ光１２の少なくとも３ｄＢ／ｍ、またはさらに少なくとも１０ｄＢ／ｍの吸収を目標とすることである。
【００４６】
本発明の１つまたは複数の実施形態の前述の説明は例証および説明のために提示された。それは、本発明を言い尽くすものではなく、または本発明を開示された正確な形態に限定するものでない。上述の教示の観点から多くの変更および改変が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ本明細書に添付の特許請求の範囲によって限定されるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 超大モード面積（ＶＬＭＡ）光導波路
１２ ポンプ光
１４ 信号光、光信号
１５ 基本空間モード
１９ ネオジウム（Ｎｄ）イオン
２０ コア
２１ 第１のクラッド
２２ 第２のクラッド
４０Ａ 光導波路増幅器
４０Ｂ 光発振器
４１ 信号源、光源
４２ ポンプ・モジュール
４３ スペクトル・フィルタ
４４ 光アイソレータ
４５ レーザ・ダイオード
４６ 合焦レンズ
４７ 二色性ビームスプリッタ
４８ コリメート・ビーム、出力ビーム
４９ 反射鏡
５０ テーパ状に細くなった区間
【技術分野】
【０００１】
本発明は能動光導波路デバイスに関し、特に、大モード面積（ｌａｒｇｅ ｍｏｄｅ ａｒｅａ：ＬＭＡ）能動光導波路を使用する増幅器および発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバ・レーザおよび増幅器は、自由空間レーザおよび増幅器と比較していくつかの利点を有する。ファイバ・レーザおよび増幅器では、光は、光利得を与える材料をドープした「能動」ファイバ・コアによって導波され、そのために、ファイバ・レーザおよび増幅器は機械的位置合わせ不良の影響を受けない。能動光ファイバの光導波の性質のために、利得媒体の長さを数十メートル、さらには数百メートルに増加させることもでき、その結果、非常に高い達成可能な光利得がもたらされる。
【０００３】
ダブルクラッド・ファイバ・レーザおよび増幅器ならびに関連する導波路デバイスは、それらの非常に高い効率、輝度、コンパクト性、および費用効果のために、現在、大きい関心が寄せられている。Ｓｎｉｔｚｅｒ等は米国特許第４，８１５，０７９号において、およびＧｒｕｂｂ等は米国特許第６，１５７，７６３号において、ダブルクラッド光ファイバ構造により、レーザ・ダイオードからの多モードのポンプ放射が光ファイバの希土類ドープ単一モード・コアに効率的に結合できるようになることを開示している。
【０００４】
Ｓｎｉｔｚｅｒの特許に述べられているように、ダブルクラッド構成のための有用なガラス・ドーパント材料はネオジウム・イオン（Ｎｄ３＋）およびイッテルビウム・イオン（Ｙｂ３＋）を含むことができ、それらは両方とも約１０６０ｎｍの波長の光を増幅し、それらは両方とも近赤外ＧａＡｓレーザ・ダイオードでポンピングすることができる点で見かけ上は類似している。１９９０年代初頭に、一つには、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶レーザをポンピングするために開発されたＮｄ３＋の８０５ｎｍポンプ波長のレーザ・ダイオードを利用できるという理由で、ダブルクラッドＮｄ３＋レーザを使用する実験が行われた。１９９０年代末期に、９００〜９８０ｎｍ範囲の高信頼性のレーザ・ダイオードが電気通信光増幅器用のポンプとして広く利用できるようになった。この範囲はＹｂ３＋ポンプ帯域を含むので、約１０６０ｎｍの波長で動作するダブルクラッド・レーザのレージング・ドーパントとしてＮｄ３＋ではなくＹｂ３＋を使用することが実用的になった。
【０００５】
Ｙｂ３＋は、当業者に知られている以下の利点のために１０６０ｎｍでの動作に関してＮｄ３＋と比較して急速に好ましいドーパントになった。
（ａ）Ｙｂ３＋は、ポンプ波長の光子と出力波長の光子との間のエネルギー損失がより小さいので、Ｎｄ３＋よりも光を効率的に増幅することができる。例として、シリカ・ファイバ中のＹｂ３＋は９８０ｎｍまででポンピングし、１０３０ｎｍほどの低さの波長の光を増幅することができ、その結果、９５％の量子収率がもたらされるが、一方、Ｎｄ３＋は、典型的には、８０５ｎｍでポンピングされ、１０６０ｎｍの光を増幅し、その結果、わずかに７５％の量子収率がもたらされる。
（ｂ）Ｙｂ３＋ファイバ・レーザはＮｄ３＋よりも高いドーピング・レベルを利用することができる。図１を参照すると、Ｙｂ３＋およびＮｄ３＋のエネルギー準位構造が並んで示されている。Ｙｂ３＋は２つのエネルギー準位マニホルド、すなわち、５Ｆ５／２および５Ｆ７／２しか有しておらず、そのため、濃度消光、励起状態吸収、およびエネルギー移行アップコンバーションなどの多準位寄生過程が本質的に避けられることが分かる。これらの寄生過程は、さらに多くのエネルギー準位、すなわち、４Ｉ９／２から４Ｉ１５／２まで、４Ｆ５／２、および４Ｆ３／２を有するＮｄ３＋に影響を及ぼすことがある。これらの過程は希土類ドーピング濃度と相関するので、Ｎｄ３＋は、一般には、シリカ・ファイバ中でＹｂ３＋よりも低い濃度でドープされ、その結果、Ｙｂ３＋では、ファイバ長の短縮ならびにさらなる効率の利点がもたらされる。
（ｃ）Ｙｂ３＋は、Ｎｄ３＋の約０．２５ｍｓと比較して、約１ｍｓの励起状態寿命を有し、その結果、Ｙｂ３＋ではさらなる効率の利点がもたらされる。
（ｄ）Ｙｂ３＋は１０３０ｎｍから１１４０ｎｍまで広がるより広い波長スペクトルにわたって光を増幅することができるが、一方、Ｎｄ３＋は、一般には、１０５０ｎｍから１１２０ｎｍまで増幅する。その結果、Ｙｂ３＋は超短パルス用途のためにＮｄ３＋よりも短いパルス持続時間をサポートすることができ、より広い出力スペクトルにわたって調整することもできる。
（ｅ）Ｙｂ３＋はＮｄ３＋よりも高い飽和フルエンスを有し、その結果、より高いパルス・エネルギーがＹｂ３＋によって発生されうる。
（ｆ）９００〜９８０ｎｍレーザ・ダイオードは、現在、８００〜８９０ｎｍダイオードよりも強力かつ高信頼であるので、Ｙｂ３＋の９２０ｎｍおよび９７６ｎｍのポンプ帯域は、レーザ・ダイオード技術の観点からすると、Ｎｄ３＋の８０５ｎｍおよび８８５ｎｍのポンプ帯域より優れている。
【０００６】
これらの理由で、およそ１９９６年以来、１０３０〜１０８０ｎｍ波長帯域での動作のためのダブルクラッド・ファイバ・レーザおよび増幅器の取り組みの大部分は、Ｙｂ３＋ドープデバイスのまわりで展開しており、Ｎｄ３＋ドープデバイスではほとんどなにも行われていない。Ｎｄ３＋ドープファイバ・デバイスが、今日、時折使用される主な残った用途は、Ｙｂ３＋がレージング遷移を有していない９２０ｎｍ波長帯域での増幅のためのものである。Ｙｂ３＋ドープファイバおよびファイバ・レーザは、現在、コネチカット州、Ｅａｓｔ ＧｒａｎｂｙのＮｕｆｅｒｎ、およびマサチューセッツ州、ＯｘｆｏｒｄのＩＰＧ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓを含む多数の会社から販売中である。
【０００７】
ファイバ・レーザおよび増幅器は、ますます高くなる平均パワー・レベル、およびパルス・レーザでますます高くなるピークパワー・レベルを発生させるために１９９６年以来開発されている。その結果、ファイバ中の光パワー密度は劇的に増加し、それにより、光損傷および光非線形性に関する問題がもたらされている。ファイバ製造業者は、ファイバ・コアの直径を単一モード・カットオフ以上に増加させることによってこれらの問題に対処している。コアを大きくすると、次の２つの方法で、すなわち、レーザ放射のパワー密度を低減すること、および大きいコアは単位長当たり多くのドーパントを保持することができるので、より短いファイバ長を使用できるようにすることで、非線形性および損傷が低減される。そのようなファイバは、一般に、「大モード面積」、すなわちＬＭＡ、ダブルクラッド・ファイバと呼ばれ、約４．０よりも大きいコアＶナンバ、Ｖ＝（２π ａ ＮＡ）／λ、を有することによって特徴づけられる。ここで、ａはコア半径であり、ＮＡは開口数であり、λはレージング波長である。４．０のＶナンバより下で、いかなる高次モードも一般に非常に高い損失を有する。
【０００８】
レーザ出力は回折限界ビーム内にあることが、多くの場合、好ましく、それは、能動光ファイバが単一空間モードで動作することを必要とする。実験的に、２５マイクロメートル直径および０．０８ＮＡ（開口数）のファイバ・コアに対応して、約６．０までのＶをもつファイバにおいて略単一モードの動作を得ることが可能であることが観察されている。典型的な約１重量％のＹｂ３＋ドーピング・レベル、９７６ｎｍのポンプ波長、および２５０マイクロメートルのクラッド直径をもつそのようなファイバは、長さ２ｍという短いファイバ長で効率的な動作を行うことができる。ＬＭＡファイバは、光非線形性に起因する厳しいパルス歪みおよびスペクトル広がりにもかかわらずナノ秒パルスにおいて２００ｋＷを超えるピーク出力パワーを実証している。
【０００９】
略単一モードの動作でさらにより高いパワー・レベルを達成するには、ファイバ直径はさらに増大される必要がある。非線形性を低減し、信頼性を改善するには、ファイバ長は減少される必要がある。略単一モードの動作を維持しながらコア直径を増大させ、かつファイバをさらに短くするいくつかの技法が開発されている。今後、超大モード面積（Ｖｅｒｙ Ｌａｒｇｅ Ｍｏｄｅ Ａｒｅａ：ＶＬＭＡ）ファイバと呼ぶこれらのファイバの共通の特徴は、約２５マイクロメートルよりも大きいＹｂ３＋ドープコア直径、１００マイクロメートルから約４００マイクロメートルの範囲のクラッド直径（一般に、ポンプの輝度によって決定される）、および約２ｍ未満のファイバ長である。
【００１０】
１つのそのようなＶＬＭＡファイバ構造は、Ｌｉｍｐｅｒｔ等により、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１３巻、４号、２００５年２月２１日、１０５５〜１０５８頁で公表された「Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｒｏｄ−Ｔｙｐｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ」という名称の論文で開示されている。デンマーク、ＢｉｒｋｅｒｏｄのＮＫＴ ＰｈｏｔｏｎｉｃｓはこのタイプのＶＬＭＡファイバを製造している。これらのファイバでは、Ｙｂ３＋ドープコアは、典型的には、直径が４０〜１００マイクロメートルであり、基本モード以外のコア・モードはすべてカットオフであるか、または非常に高い損失を有し、その結果、基本モードのみが伝搬されるように、コアのＮＡは非常に低くされている（約０．０３以下）。コアは、コア材料とクラッド材料との間の小さい屈折率差によって、または実効屈折率差を生成する、クラッド中の小さい空気孔の格子によって、または両方によって規定することができる。同様に、ポンプ導波は、屈折率差によって、または実効屈折率差を生成する空気孔の格子によって規定することができる。そのような低いコアＮＡでは、ファイバがかなりの程度まで曲げられる場合、基本モードでさえ歪みおよび曲げ損失を受けることになる。したがって、約１ｍｍ以上の直径を与えるために、ポンプ導波領域の外側にシリカの厚い層をもつファイバが製作され、この堅いファイバは直線ロッドとして使用される。一般には、レーザ形状係数はレーザ・ユーザにとって重要な考慮事項であり、したがって、約１ｍよりも長い長さの直線ロッド・ファイバを収容するレーザ・システムは魅力的でないことがある。しかし、ロッド・タイプのファイバの大きいコア直径のために、Ｙｂ３＋のポンプ吸収係数はそのようなロッド・ファイバでは約１０ｄＢ／ｍを超えることがあり、低い利得用途では、１ｍ以下の長さで有効なポンプ吸収を行うことができる。
【００１１】
別のＶＬＭＡ技法は、Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓによって米国特許第７，４２４，１９３号で開示されたキラル結合コア・ファイバで具現される。この技法では、Ｙｂ３＋ドープファイバ・コアは、一次コアのまわりに螺旋状に巻き付けられた第２のより小さいコアを有するように製作された一次コアである。一次コアは、公称上の多モード（Ｖ＞４．０）であるように選択された直径およびＮＡを有するが、螺旋状に巻き付けられた第２のコアが、高次モードの１つまたは複数に選択的な損失を引き起こすように構成され、その結果、基本モードは他のモードよりも高い正味の利得を有し、したがって優勢である。一般的には、この技法は、高いパワー・レベルでポンプ光を直接的に結合できるようにするためにダブルクラッド構造に組み合わされることになる。
【００１２】
さらなる別のＶＬＭＡ技法は、Ｄｏｎｇ等によって米国特許第７，７８７，７２９号で開示された漏れチャネル・ファイバで具現される。キラル結合コア・ファイバと同様に、この技法は、高次モードの１つまたは複数に選択的な損失を引き起こす構造要素と共に公称上の多モード・コアを利用し、一般には、やはりダブルクラッド構造と組み合わされることになる。この技法では、増幅される信号光は、その構造の基本モードそのものではなく、むしろ、構造要素よって第１のクラッドに閉じ込められ、デバイスの全長にわたって比較的安定なままであるいわゆる「漏れモード」に存在することができる。
【００１３】
予想されるように、上述で列記したようにＮｄ３＋に対するＹｂ３＋ドーピングの利点を考えれば、１０３０〜１０８０ｎｍ波長帯域でこれらのＶＬＭＡ技法を使用している既知の仕事はすべて現在までＹｂ３＋ドープファイバを使用している。しかし、ＶＬＭＡファイバによるパラメータ空間は以前のファイバによるものと著しく異なるので、新しい問題が考慮されなければならない。
【００１４】
特に、Ｌｉｍｐｅｒｔ等は、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１５巻、２００９年１月／２月、１５９〜１６９頁（ｓｅｃｔｉｏｎ ＩＩＩ： Ｇａｉｎ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｈｏｒｔ Ｌｏｗ−ＮＬ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓを参照）、「Ｈｉｇｈ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｅ Ｇｉｇａｗａｔｔ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ： Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ， Ｄｅｓｉｇｎ， ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」という名称の論文において、Ｙｂ３＋ドープＶＬＭＡレーザまたは増幅器の有用なレベルの利得を達成するには、従来のファイバ・レーザまたは増幅器よりもはるかに高いレベルの反転が生成されなければならないことを説明した。これらの非常に高い反転レベルは、レーザ基底状態を空乏化し、ポンプ光子を吸収するのに利用可能なＹｂ３＋イオンの分布数を低減させ、それによって、場合によっては大部分のポンプ・パワーが吸収されずにファイバを通り抜けるようになり、変換効率が低減する。上位レーザ準位への直接的な共鳴ポンピング、例えば、Ｙｂ３＋の９７６ｎｍポンピングが使用される場合、この効果は、ポンプ光子のうちのいくつかが吸収される代わりに既存の反転の下方遷移を刺激することになるので悪化する。これらの２つの関連する問題はまとめてポンプ遷移のブリーチング（ｂｌｅａｃｈｉｎｇ）と呼ばれる。さらに、発明者は、高い反転レベルはＹｂ３＋の急速な光黒化を引き起こし、それにより、場合によっては、デバイスが数分以内に動作不能になることがあることを、さらに他の作業者と一致して観察した。
【００１５】
ポンプ・ブリーチングの問題への解決策は、上述で引用した論文でＬｉｍｐｅｒｔ等が説明しているように、動作利得を減少させ、その動作利得レベルで、ファイバが所望の割合の入力ポンプ・パワーを吸収するのに十分な長さを有するようにファイバ長を増加させることである。この解決策にはいくつかの欠点がある。第１に、一般には、利得が、普通ならありえたものよりも低くなり、したがって、より多くの前置増幅段、したがって、より高いコストが必要となる。第２に、ポンプ吸収は反転に依存するので、低い利得では、ポンプがすべてファイバの短い長さで吸収されるが、一方、より高い反転では、所望のポンプがすべて吸収されるとは限らず、それにより、恐らく、送出されるポンプ光が下流の構成要素を損傷するという問題が引き起こされる。これは、過渡動作のとき、例えば、増幅器ではパルス間のある時に、反転が急激に増大し、利得媒体にポンプ透明性を突然誘起することがある場合に特に危険になることがある。第３に、実施形態の詳細によっては、追加のファイバ長が非線形性の増大を引き起こし、ＶＬＭＡ技法を使用する利点を部分的に無効にすることがある。第４に、ポンプ構成によっては、反転が非常に高いファイバの領域が依然として存在する場合があり、そのために、光黒化がその領域で起こることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第４，８１５，０７９号
【特許文献２】米国特許第６，１５７，７６３号
【特許文献３】米国特許第７，４２４，１９３号
【特許文献４】米国特許第７，７８７，７２９号
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｌｉｍｐｅｒｔ等、「Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ Ｒｏｄ Ｔｙｐｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ、１３巻、４号、２００５年２月２１日、１０５５〜１０５８頁
【非特許文献２】Ｌｉｍｐｅｒｔ等、「Ｈｉｇｈ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｅ Ｇｉｇａｗａｔｔ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ： Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ， Ｄｅｓｉｇｎ， ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１５巻、２００９年１月／２月、１５９〜１６９頁（ｓｅｃｔｉｏｎ ＩＩＩ： Ｇａｉｎ Ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓｈｏｒｔ Ｌｏｗ−ＮＬ Ｆｉｂｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓを参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
先行技術は、ＶＬＭＡ能動光導波路におけるポンプ・ブリーチングおよびに光黒化の問題に対する低コストで低い非線形性の解決策を欠いている。本発明の目的はそのような解決策を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
この問題への本発明の解決策は、１０５０〜１１２０ｎｍの範囲で動作するデバイスのＹｂ３＋ドーパントをＮｄ３＋と取り替えることである。この手法は、Ｙｂ３＋がＮｄ３＋より優れたドーパントという１５年間の「一般通念」と矛盾する。ドーパントとしてのＹｂ３＋の前述の利点は有効なままであるが、ＶＬＭＡ導波路の領域では、Ｎｄ３＋の利点はポンプ・ブリーチングおよび光黒化に関してＹｂ３＋より勝っている。２ｍ未満の所望の短いファイバ長および少なくとも３ｄＢ／ｍの高いポンプ吸収のために、Ｎｄ３＋は、Ｙｂ３＋よりも極めて低い反転レベルの下で動作することが発見された。低い反転レベルの結果、Ｎｄ３＋はポンプ・ブリーチングまたは光黒化という問題がほとんどない。
【００２０】
本発明によれば、
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光を供給するための信号源と、
信号源に結合された能動光導波路であり、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、コアを囲む第１のクラッドであり、第１のクラッドが、コア内に信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、ポンプ光の吸収に際して反転分布がネオジウム・イオンに生成されるとき、信号光がネオジウム・イオンによって増幅される、第１のクラッドと、
第１のクラッドおよびコアにポンプ光を閉じ込めるために、第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
第１のクラッドの屈折率構造は、信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、能動光導波路と
を含む光導波路増幅器アセンブリが提供される。
【００２１】
本発明の別の態様によれば、
能動光導波路であり、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、コアを囲む第１のクラッドであり、第１のクラッドが、コア内に信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、ポンプ光の吸収に際して反転分布がネオジウム・イオンに生成されるとき、信号光がネオジウム・イオンによって増幅される、第１のクラッドと、
第１のクラッドおよびコアにポンプ光を閉じ込めるために、第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
第１のクラッドの屈折率構造は、信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、能動光導波路と、
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の増幅された信号光を能動光導波路にフィードバックするための、能動光導波路に結合された波長選択光フィードバック要素と
を含む光発振器がさらに提供される。
【００２２】
本発明の別の態様によれば、１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の光信号を増幅する方法であって、
（ａ）光導波路を用意するステップであり、光導波路が、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、コアを囲む第１のクラッドであり、コア内に信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有する、第１のクラッドと、
第１のクラッドおよびコアにポンプ光を閉じ込めるために、第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含む、ステップと、
（ｂ）７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長のポンプ光で光導波路の第１のクラッドをポンプするステップであり、ポンプ光の吸収に際してネオジウム・イオンに反転分布を生成し、ネオジウム・イオンによって光信号を増幅する、ステップと
を含み、
ステップ（ａ）は、導波光信号の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するように第１のクラッドの屈折率構造を選択するステップを含む、方法がさらに提供される。
【００２３】
本発明のさらなる別の態様によれば、
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光を増幅するためのネオジウム・ドープＶＬＭＡ光導波路の使用であって、ＶＬＭＡ光導波路が、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
コアを囲む、ポンプ光を導波するための第１のクラッドであり、第１のクラッドが、コア内に信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、ポンプ光の吸収に際して反転分布がドーピング材料に生成されるとき、信号光がドーピング材料によって増幅される、第１のクラッドと、
第１のクラッドおよびコアにポンプ光を閉じ込めるために、第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
第１のクラッドの屈折率構造は、信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するように選択される、使用が提供される。
【００２４】
次に、例示的な実施形態が図面に関連して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】Ｙｂ３＋イオンおよびＮｄ３＋イオンの並んでいるエネルギー準位図である。
【図２】本発明のＶＬＭＡ導波路の概略図である。
【図３】Ｙｂ３＋およびＮｄ３＋ドープファイバ増幅器の効率プロットの図である。
【図４Ａ】本発明の光増幅器アセンブリおよび光発振器の概略図である。
【図４Ｂ】本発明の光増幅器アセンブリおよび光発振器の概略図である。
【図５】テーパ区間を有する本発明のＶＬＭＡ導波路の概略図である。
【図６】本発明のＶＬＭＡ導波路を使用して光信号を増幅する方法の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本教示が様々な実施形態および例に関連して説明されるが、本教示はそのような実施形態に限定されるものではない。それどころか、本教示は、当業者なら理解されるように、様々な代替、変更、および均等物を包含する。
【００２７】
図２を参照すると、本発明の超大モード面積（ＶＬＭＡ）光導波路１０は、ネオジウム（Ｎｄ）イオン１９をドープしたコア２０を含む。コア２０の屈折率ｎ０よりも低い屈折率ｎ１を有する第１のクラッド２１がコア２０を囲む。第１のクラッド２１の屈折率ｎ１よりも低い屈折率ｎ２を有する第２のクラッド２２が第１のクラッド２１を囲む。
【００２８】
動作中、ポンプ光１２は第１のクラッド２１に結合され、第１のクラッド２１はポンプ光１２を導波する。第２のクラッド２２は第１のクラッド２１（および、当然、コア２０）にポンプ光１２を閉じ込める。ポンプ光１２はコア２０中のＮｄイオン１９によって吸収され、Ｎｄイオン１９に反転分布を生成し、それは、誘導放出の現象により信号光１４を増幅する。コアと第１のクラッドとの屈折率の差ｎ０−ｎ１と、コア２０の直径とは、コア２０によって導波される信号光１４の基本空間モード１５が、少なくとも２５マイクロメートルの基本空間モード１５の１／ｅ２（強度による）直径Ｄに対応する少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである。当業者は、コア２０と第１のクラッド２１との屈折率の差ｎ０−ｎ１と、少なくとも５００平方マイクロメートルの所要の基本空間モーアの面積をもたらすコア２０の対応する直径とを計算することができる。例として、コア２０と第１のクラッド２１との屈折率の差ｎ０−ｎ１は０．０１と０．０６との間とすることができ、コア直径は少なくとも２５マイクロメートルとすることができる。
【００２９】
信号光１４とポンプ光１２とが図２では同方向伝搬するように示されているが、逆方向伝搬ポンピングも可能である。
【００３０】
コア２０および第１のクラッド２１は、好ましくは、好適なドーパントをドープした融解石英で製作される。第２のクラッド２２は、融解石英またはフルオロアクリレートなどの高分子で製作することができる。低屈折率フルオロアクリレート・クラッドによると、それぞれ、第１のクラッド２１と第２のクラッド２２との屈折率の差ｎ１−ｎ２が石英ガラス・クラッドよりも高くなる。屈折率差が大きいと、ポンプ光２１を第１のクラッド２１に結合するのが容易になるが、しかし、高いポンプパワー・レベルでは、高分子材料は焼損することがあり、したがって、高いポンプパワー・レベルではシリカ・クラッドが好ましいことがある。いわゆるホーリー・ファイバまたはフォトニック結晶ファイバのように、空気クラッド、またはさらに真空クラッド２２を考えることができる。言い換えれば、コア２０と第１のクラッド２１とによって形成される「内側導波路」は、屈折率ｎ＝１を有する空気中に配置することができる。空気クラッド２２の場合には、第１のクラッド２１から多すぎるポンプ光１２を漏れさせることなく、「内側導波路」を所定位置に保持するように特別に注意しなければならない。
【００３１】
クラッド２１、２２は、複数の空気孔または他のクラッド・フィーチャによって、フォトニック結晶ファイバ、キラル結合コア・ファイバ、漏れチャネル・ファイバ、または当技術分野で既知の類似の構造中に形成することができる。クラッド２１、２２が構造化されたクラッドである場合、第１および／または第２のクラッド２１および２２は、それぞれ、空気孔構造または他のクラッド・フィーチャで規定することができる。第１および／または第２の構造化されたクラッド２１および２２は、それぞれ、対応する実効屈折率ｎ１ＥＦＦおよびｎ２ＥＦＦで特徴づけることができる。ポンプ光１２を第１のクラッド２１およびコア２０に閉じ込めるには、第２のクラッド２２の実効屈折率ｎ２ＥＦＦが、第１のクラッド２１の実効屈折率ｎ１ＥＦＦよりも低い、すなわち、ｎ２ＥＦＦ＜ｎ１ＥＦＦである必要がある。第１のクラッド２１の屈折率構造は、信号光１４をコア２０内に閉じ込め、その結果、信号光１４の基本空間モード１５が少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するように選択されなければならない。この目的のために、図２に示された中実の第１のクラッド２１、フォトニック結晶ファイバにおけるような空気孔構造、および／または漏れチャネル構造を含む、第１のクラッド２１の様々な屈折率構造を使用することができる。基本モード１５の事前定義された直径Ｄを達成するために第１のクラッド２１の適切な屈折率構造を選択することは当技術分野でよく知られている。
【００３２】
ＶＬＭＡ能動光ファイバ１０のＮｄ３＋ドーピングの利点をＹｂ３＋ドーピングと比較して検証するために、数値シミュレーションが行われた。図３を参照すると、出力光パワーが３つのＶＬＭＡ光ファイバについて放射ポンプ・パワーの関数としてプロットされており、１）Ｎｄ３＋ドープで６００ｍｍ長が実線で示され、２）Ｙｂ３＋ドープで１２００ｍｍ長が細かい破線で示され、３）Ｙｂ３＋ドープで６００ｍｍ長が粗い破線で示される。３つの場合すべてにおいて、モデル化されたＶＬＭＡ光ファイバは、０．５重量％でドープされた６０マイクロメートル直径のコア、２００マイクロメートル直径の第１のクラッド、１０６４ｎｍの波長の信号光、０．５Ｗの入力信号パワー、３００ｋＨｚのパルス繰返し率、およびそれぞれ、Ｙｂ３＋およびＮｄ３＋に対して９７６ｎｍおよび８０５ｎｍのポンプ波長を有する石英ガラス・ファイバであった。
【００３３】
これらの条件は、Ｙｂドープファイバに対してＬｉｍｐｅｒｔ等によってモデル化され、ＩＥＥＥ Ｊ． Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、１５巻、２００９年１月／２月、１５９〜１６９頁（特に、図６、７、およびそれに付随する本文）で公表された「Ｈｉｇｈ Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ Ｒａｔｅ Ｇｉｇａｗａｔｔ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ： Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ， Ｄｅｓｉｇｎ， ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ」という名称の論文で報告されたものと同様である。Ｙｂ３＋ドープＶＬＭＡ光ファイバに対してＬｉｍｐｅｒｔ等によって計算された出力光パワー依存性は図３に示したものと同様である。６００ｍｍファイバ長のＹｂ３＋ドープＶＬＭＡ光ファイバでは、ポンプ遷移が高度にブリーチされるので有用な出力パワーはほとんど生成されない。１２００ｍｍまで長さを２倍にする場合には大幅な改善があるが、１Ｗ未満の入力信号レベルでは、変換は依然として最適を下回り、変換がポンプ・パワーの増加とともに悪化していることは明らかであり、これはポンプ・ブリーチングの明確な徴候である。
【００３４】
対照的に、６００ｍｍ長のＮｄ３＋では、ポンプ・ブリーチングの兆しはない。レーザが２４ｄＢもの高い利得まで強められるとき、出力パワーはポンプ・パワーに関して線形のままである。Ｙｂ３＋よりも低いＮｄ３＋の固有の量子収率にもかかわらず、６００ｍｍ長のＮｄ３＋ドープファイバの高い利得での正味の効率は、２倍の長さのＹｂ３＋ファイバよりも著しく良好であることが分かる。モデリングによれば、長さが２ｍまでのＶＬＭＡ導波路１０で同様の利点が実証された。
【００３５】
Ｙｂ３＋ドーピングと比較してＮｄ３＋ドーピングの光黒化性能がより良好なのは、以下のように理解することができる。石英ガラス中の希土類元素ドーピング材料の光黒化レートは反転密度の高い指数に依存することが観察されている。例として、Ｋｏｐｏｎｅｎ等は、Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ、７１９５巻、７１９５Ｄ−１から７１９５Ｄ−７頁、２００９年、「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｐｈｏｔｏｄａｒｋｅｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂｌｅａｃｈｉｎｇ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ Ｙｔｔｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ」という名称の論文において、指数が４と７との間にあることを様々な著者が測定していることを教示している。上述のように、Ｎｄ３＋の反転密度はＹｂ３＋よりも非常に低いことが分かる。図３に示されているシミュレートされた例では、６００ｍｍのＮｄ３＋ファイバの反転は１３．４％であることが見いだされたが、一方、１２００ｍｍのＹｂ３＋ファイバの反転は４４．０％であることが見いだされた。光黒化レートが反転密度の４と７との間の冪に比例すると仮定すれば、その結果として、Ｎｄ３＋の光黒化レートはＹｂ３＋の光黒化レートの０．０２％と０．９％との間にあると予想することができ、それは明らかに強力な利点である。発明者の実験によれば、少なくとも０．７重量％のＮｄ３＋イオンの濃度、６００ｍｍまでの長さ、および２５ｄＢまでの光利得値においてＮｄ３＋に検出可能な光黒化がないことが示された。一般に、Ｎｄ３＋ドーピングは高い利得の条件で特に有利である。
【００３６】
特定のレベルのＮｄ３＋ドーピングおよびＶＬＭＡ導波路１０の長さに関して、実験的に、およびシミュレーションで、少なくとも０．１重量％の濃度でドープされたコア２０を有するＶＬＭＡ導波路１０を光増幅器および発振器（レーザ）で使用することができることが見いだされた。より好ましくは、一般的な導波路の設計および実際的な長さで妥当なレベルのポンプ吸収効率を保証するには、少なくとも０．３重量％の濃度が使用されるべきである。好ましくは、ＶＬＭＡ導波路１０の長さは２ｍを超えるべきでない。ＶＬＭＡ導波路１０の長さを減少させることは、長さに一般的に比例する非線形性を抑制するのに決定的に重要である。さらに、設計によっては、ＶＬＭＡ導波路１０は剛性で真っ直ぐであるので、製品にとって商業的に許容できる形状係数を達成するために長さを最小にすることが重要であり、商用レーザは、典型的には、１ｍから２ｍよりも長くない。Ｎｄ３＋ドープＶＬＭＡ導波路１０の短い長さは、ポンプ・ブリーチング／光黒化をほとんどまたはまったく伴うことなしに達成可能な高い光利得によって可能になる。
【００３７】
ＶＬＭＡ導波路１０の所望のドーピング・レベルの良好な指標はＶＬＭＡ導波路１０の単位長さ当りのポンプ吸収である。発明者自身の実験および計算の示すところによれば、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長のポンプ光１２の３ｄＢ／ｍ減衰に対するＮｄ３＋ドーピング濃度は増幅器および発振器の用途で十分に動作することになる。Ｎｄ３＋ドーピング濃度は、ポンプ光１２の１０ｄＢ／ｍ減衰を達成するためにさらに増加させることができ、その場合、ＶＬＭＡ導波路１０の長さは、好ましくは、０．６ｍに、またはさらにそれ未満に減少されるべきである。７９５ｎｍから８１５ｎｍおよび８８３ｎｍから８８７ｎｍの上述のポンプ波長範囲は、それぞれ、図１に示した共鳴遷移４Ｉ９／２−４Ｆ５／２および４Ｉ９／２−４Ｆ３／２に対応する。後者の共鳴はより弱いが、それはより高い量子収率を有し、したがって、潜在的により高い効率を有する。さらに、８００〜８１０ｎｍよりも８８０〜８９０ｎｍで高いパワーおよび輝度のポンプ・レーザ・ダイオードが市販されている。
【００３８】
Ｎｄ３＋ドーパントに加えて、コア２０は、ポンプ光損失を減少させる、量子効率を改善する、かつ／またはコア２０の屈折率ｎ０を釣り合わせるためにＡｌ、Ｇｅ、Ｐ、Ｆ、およびＢなどの共ドーパント・イオンを含むことができる。
【００３９】
Ｎｄ３＋ドープＶＬＭＡ導波路１０の上述の変形は、それぞれ、図４Ａおよび４Ｂに示した本発明の増幅器および発振器で使用することができる。図２にさらに関連して図４Ａを特に参照すると、光導波路増幅器４０Ａは、信号源４１と、信号源４１に結合されたＶＬＭＡ１０と、ＶＬＭＡ導波路１０の他端でＶＬＭＡ導波路１０に結合されたポンプ・モジュール４２とを含む。信号源４１は１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の光をフィルタ処理するオプションのスペクトル・フィルタ４３を含み、スペクトル・フィルタ４３は光アイソレータ４４に結合される。ポンプ・モジュール４２は、レーザ・ダイオード４５、二色性ビームスプリッタ４７、および合焦レンズ４６を含む。信号源４１は、シード・レーザ、光前置増幅器などを含むことができる。
【００４０】
動作中、レーザ・ダイオード４５はポンプ光１２を放出し、ポンプ光１２は二色性ビームスプリッタ４７によって反射され、レンズ４６によって合焦され、ＶＬＭＡ導波路１０の第１のクラッド２１に結合される。ポンプ光１２はＮｄイオン１９によって吸収され、Ｎｄイオン１９に反転分布を生成する。光源４１からの信号光１４はフィルタ４３によってフィルタ処理され、光アイソレータ４４を通過し、ＶＬＭＡ導波路１０のコア２０に結合される。信号光１４はコア２０中で増幅され、レンズ４６によってコリメートされ、二色性ビームスプリッタ４７を通過し、コリメート・ビーム４８として増幅器４０Ａを出ていく。
【００４１】
次に、図２にさらに関連して図４Ｂを参照すると、光発振器４０Ｂは、ＶＬＭＡ導波路１０と、ＶＬＭＡ１０に結合された反射鏡４９と、他端でＶＬＭＡ導波路１０に結合されたポンプ・モジュール４２とを含む。動作中、ポンプ・モジュール４２はＶＬＭＡ導波路１０の第１のクラッド２１をポンプし、その結果、ＶＬＭＡ導波路１０のコア中の自然放出を増幅することになる。反射鏡４９は増幅された信号光をＶＬＭＡ導波路１０にフィードバックする。ビームスプリッタ４７の垂直面は、１０５０ｎｍから１１２０ｎｍの波長の信号光にとって部分的な二色性反射鏡として働く。当然、当技術分野で知られているように、任意の他の波長選択光フィードバック要素を、反射鏡４９／ビームスプリッタ４７の代わりに使用することができる。
【００４２】
図４Ａおよび４Ｂにさらに関連して図５を参照すると、テーパ状に細くなった区間５０をＶＬＭＡ導波路１０に接合して、出力ビーム４８の品質を改善することができる。テーパ状に細くなった区間５０の機能は、コア２０中を伝搬する信号光１４の非基本空間モードに対して光損失を生成することである。これにより、非基本空間モードと比較して基本空間モード１５が優位になり、ＶＬＭＡ１０を使用するレーザまたは増幅器の略単一モードの性能が保証される。１に近いＭ２パラメータで示される略単一モードの性能は、ほぼ回折限界の出力光ビーム、すなわち、多くのファイバ・レーザおよび増幅器で要求される品質をもたらす。テーパ状に細くなった区間５０は、ＶＬＭＡ導波路１０の制御可能な加熱と引伸し（テーパリング）とによっても得ることができる。ＶＬＭＡ導波路１０のテーパ状に細くなった区間５０は、光増幅器４０Ａおよび光発振器４０Ｂの両方で使用することができる。
【００４３】
次に図６を参照すると、光信号１４を増幅する方法６０が提示される。ステップ５１において、ＶＬＭＡ導波路１０が用意される。ステップ５２において、ＶＬＭＡ導波路１０の第１のクラッド２１がポンプ光１２でポンプされ、ポンプ光１２の吸収に際してＮｄイオン１９に反転分布が生成され、光信号１４がＮｄイオン１９によって増幅される。第１のクラッド２１は、好ましくは、８８３ｎｍと８８７ｎｍと間の波長および／または７９５ｎｍと８１５ｎｍとの間の波長でポンプされ、少なくとも３ｄＢ／ｍ、またはさらに少なくとも１０ｄＢ／ｍのポンプ吸収を達成する。
【００４４】
方法６０はオプションのステップ５３を含み、導波光信号１４の非基本空間モード、すなわち高次空間モードが抑制される。例として、図５のテーパ５０を使用して、非基本モードを抑制することができる。高次空間モードを抑制するための他の手段は、ＶＬＭＡ導波路１０を曲げること、モード・フィルタ処理を行うこと、および基本モード１５を利得導波することを含むことができる。
【００４５】
前述の説明は、１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光１４を増幅するためのネオジウム・ドープＶＬＭＡ導波路１０の使用を概説している。ＶＬＭＡ導波路１０のコア２０は少なくとも０．１重量％の濃度でドープされる。用途によって特定のドーピング濃度を決定することができ、例えば、少なくとも０．３重量％の濃度が好ましいことがある。ドーピング濃度の選択のために従うべき指針は、８８３ｎｍと８８７ｎｍとの間の波長および／または７９５ｎｍと８１５ｎｍとの間の波長で、ポンプ光１２の少なくとも３ｄＢ／ｍ、またはさらに少なくとも１０ｄＢ／ｍの吸収を目標とすることである。
【００４６】
本発明の１つまたは複数の実施形態の前述の説明は例証および説明のために提示された。それは、本発明を言い尽くすものではなく、または本発明を開示された正確な形態に限定するものでない。上述の教示の観点から多くの変更および改変が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、むしろ本明細書に添付の特許請求の範囲によって限定されるものである。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 超大モード面積（ＶＬＭＡ）光導波路
１２ ポンプ光
１４ 信号光、光信号
１５ 基本空間モード
１９ ネオジウム（Ｎｄ）イオン
２０ コア
２１ 第１のクラッド
２２ 第２のクラッド
４０Ａ 光導波路増幅器
４０Ｂ 光発振器
４１ 信号源、光源
４２ ポンプ・モジュール
４３ スペクトル・フィルタ
４４ 光アイソレータ
４５ レーザ・ダイオード
４６ 合焦レンズ
４７ 二色性ビームスプリッタ
４８ コリメート・ビーム、出力ビーム
４９ 反射鏡
５０ テーパ状に細くなった区間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光を供給するための信号源と、
前記信号源に結合された能動光導波路であり、前記能動光導波路が、
前記信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、前記コアを囲む第１のクラッドであり、前記第１のクラッドが、前記コア内に前記信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、前記ポンプ光の吸収に際して反転分布が前記ネオジウム・イオンに生成されるとき、前記信号光が前記ネオジウム・イオンによって増幅される、第１のクラッドと、
前記第１のクラッドおよび前記コアに前記ポンプ光を閉じ込めるために、前記第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、前記第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
前記第１のクラッドの前記屈折率構造は、前記信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、能動光導波路と
を含む、光導波路増幅器アセンブリ。
【請求項２】
前記能動光導波路の長さが２ｍ以下である、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項３】
前記コア中の前記ネオジウム・イオンが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも３ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度を有する、請求項２に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項４】
前記コア中の前記ネオジウム・イオンが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも１０ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度を有する、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項５】
前記コアが少なくとも０．３重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされる、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項６】
前記第１のクラッドが中実クラッドである、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項７】
前記コアの屈折率と前記中実の第１のクラッドの屈折率との間の差が０．０１と０．０６との間にあり、前記コア直径が少なくとも２５マイクロメートルである、請求項６に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項８】
前記第２のクラッドが、空気、融解石英、および高分子からなる群から選択された材料を含む、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項９】
前記コアが、Ａｌ、Ｇｅ、Ｐ、Ｆ、およびＢからなる群から選択された共ドーパント・イオンを含む、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項１０】
前記能動光導波路が、前記コア中を伝搬する前記信号光の非基本空間モードに光損失を生成するためのテーパ状に細くなった区間を含む、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項１１】
能動光導波路であり、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、前記コアを囲む第１のクラッドであり、前記第１のクラッドが、前記コア内に前記信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、前記ポンプ光の吸収に際して反転分布が前記ネオジウム・イオンに生成されるとき、前記信号光が前記ネオジウム・イオンによって増幅される、第１のクラッドと、
前記第１のクラッドおよび前記コアに前記ポンプ光を閉じ込めるために、前記第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、前記第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
前記第１のクラッドの前記屈折率構造は、前記信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、能動光導波路と、
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の増幅された信号光を前記能動光導波路にフィードバックするための、前記能動光導波路に結合された波長選択光フィードバック要素と
を含む光発振器。
【請求項１２】
前記能動光導波路の長さが２ｍ以下である、請求項１１に記載の光発振器。
【請求項１３】
前記コア中の前記ネオジウム・イオンが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも３ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度を有する、請求項１２に記載の光発振器。
【請求項１４】
前記コア中の前記ネオジウム・イオンが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも１０ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度を有する、請求項１１に記載の光発振器。
【請求項１５】
前記第１のクラッドが中実クラッドであり、前記コアの屈折率と前記第１のクラッドの屈折率との間の差が０．０１と０．０６との間にあり、前記コア直径が少なくとも２５マイクロメートルである、請求項１１に記載の光発振器。
【請求項１６】
前記能動光導波路が、前記コア中を伝搬する前記信号光の非基本空間モードに光損失を生成するためのテーパ状に細くなった区間を含む、請求項１１に記載の光発振器。
【請求項１７】
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の光信号を増幅する方法であって、
（ａ）光導波路を用意するステップであり、前記光導波路が、
前記光信号を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、前記コアを囲む第１のクラッドであり、前記コア内に前記信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有する、第１のクラッドと、
前記第１のクラッドおよび前記コアに前記ポンプ光を閉じ込めるために、前記第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、前記第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含む、ステップと、
（ｂ）７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光で前記光導波路の前記第１のクラッドをポンプするステップであり、前記ポンプ光の吸収に際して前記ネオジウム・イオンに反転分布を生成し、前記ネオジウム・イオンによって前記光信号を増幅する、ステップと
を含み、
ステップ（ａ）は、前記導波光信号の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するように前記第１のクラッドの前記屈折率構造を選択するステップを含む、方法。
【請求項１８】
ステップ（ａ）が、少なくとも３ｄＢ／ｍの前記ポンプ光の正味の光吸収を行うように前記コア中の前記ネオジウム・イオンの濃度を選択するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
ステップ（ａ）が、少なくとも１０ｄＢ／ｍの前記ポンプ光の正味の光吸収を行うように前記コア中の前記ネオジウム・イオンの濃度を選択するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
（ｃ）前記導波光信号の非基本空間モードを抑制するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光を増幅するためのネオジウム・ドープＶＬＭＡ光導波路の使用であって、前記ＶＬＭＡ光導波路が、
前記信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
前記コアを囲む、ポンプ光を導波するための第１のクラッドであり、前記第１のクラッドが、前記コア内に前記信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、前記ポンプ光の吸収に際して反転分布がドーピング材料に生成されるとき、前記信号光が前記ドーピング材料によって増幅される、第１のクラッドと、
前記第１のクラッドおよび前記コアに前記ポンプ光を閉じ込めるために、前記第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、前記第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
前記第１のクラッドの前記屈折率構造は、前記信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、使用。
【請求項２２】
前記コアが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも３ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度でドープされる、請求項２１に記載の使用。
【請求項２３】
前記光導波路が、前記コア中を伝搬する前記信号光の非基本空間モードに光損失を生成するためのテーパ状に細くなった区間を含む、請求項２１に記載の使用。
【請求項１】
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光を供給するための信号源と、
前記信号源に結合された能動光導波路であり、前記能動光導波路が、
前記信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、前記コアを囲む第１のクラッドであり、前記第１のクラッドが、前記コア内に前記信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、前記ポンプ光の吸収に際して反転分布が前記ネオジウム・イオンに生成されるとき、前記信号光が前記ネオジウム・イオンによって増幅される、第１のクラッドと、
前記第１のクラッドおよび前記コアに前記ポンプ光を閉じ込めるために、前記第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、前記第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
前記第１のクラッドの前記屈折率構造は、前記信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、能動光導波路と
を含む、光導波路増幅器アセンブリ。
【請求項２】
前記能動光導波路の長さが２ｍ以下である、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項３】
前記コア中の前記ネオジウム・イオンが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも３ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度を有する、請求項２に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項４】
前記コア中の前記ネオジウム・イオンが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも１０ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度を有する、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項５】
前記コアが少なくとも０．３重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされる、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項６】
前記第１のクラッドが中実クラッドである、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項７】
前記コアの屈折率と前記中実の第１のクラッドの屈折率との間の差が０．０１と０．０６との間にあり、前記コア直径が少なくとも２５マイクロメートルである、請求項６に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項８】
前記第２のクラッドが、空気、融解石英、および高分子からなる群から選択された材料を含む、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項９】
前記コアが、Ａｌ、Ｇｅ、Ｐ、Ｆ、およびＢからなる群から選択された共ドーパント・イオンを含む、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項１０】
前記能動光導波路が、前記コア中を伝搬する前記信号光の非基本空間モードに光損失を生成するためのテーパ状に細くなった区間を含む、請求項１に記載の増幅器アセンブリ。
【請求項１１】
能動光導波路であり、
信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、前記コアを囲む第１のクラッドであり、前記第１のクラッドが、前記コア内に前記信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、前記ポンプ光の吸収に際して反転分布が前記ネオジウム・イオンに生成されるとき、前記信号光が前記ネオジウム・イオンによって増幅される、第１のクラッドと、
前記第１のクラッドおよび前記コアに前記ポンプ光を閉じ込めるために、前記第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、前記第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
前記第１のクラッドの前記屈折率構造は、前記信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、能動光導波路と、
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の増幅された信号光を前記能動光導波路にフィードバックするための、前記能動光導波路に結合された波長選択光フィードバック要素と
を含む光発振器。
【請求項１２】
前記能動光導波路の長さが２ｍ以下である、請求項１１に記載の光発振器。
【請求項１３】
前記コア中の前記ネオジウム・イオンが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも３ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度を有する、請求項１２に記載の光発振器。
【請求項１４】
前記コア中の前記ネオジウム・イオンが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも１０ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度を有する、請求項１１に記載の光発振器。
【請求項１５】
前記第１のクラッドが中実クラッドであり、前記コアの屈折率と前記第１のクラッドの屈折率との間の差が０．０１と０．０６との間にあり、前記コア直径が少なくとも２５マイクロメートルである、請求項１１に記載の光発振器。
【請求項１６】
前記能動光導波路が、前記コア中を伝搬する前記信号光の非基本空間モードに光損失を生成するためのテーパ状に細くなった区間を含む、請求項１１に記載の光発振器。
【請求項１７】
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の光信号を増幅する方法であって、
（ａ）光導波路を用意するステップであり、前記光導波路が、
前記光信号を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
ポンプ光を導波するための、前記コアを囲む第１のクラッドであり、前記コア内に前記信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有する、第１のクラッドと、
前記第１のクラッドおよび前記コアに前記ポンプ光を閉じ込めるために、前記第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、前記第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含む、ステップと、
（ｂ）７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光で前記光導波路の前記第１のクラッドをポンプするステップであり、前記ポンプ光の吸収に際して前記ネオジウム・イオンに反転分布を生成し、前記ネオジウム・イオンによって前記光信号を増幅する、ステップと
を含み、
ステップ（ａ）は、前記導波光信号の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するように前記第１のクラッドの前記屈折率構造を選択するステップを含む、方法。
【請求項１８】
ステップ（ａ）が、少なくとも３ｄＢ／ｍの前記ポンプ光の正味の光吸収を行うように前記コア中の前記ネオジウム・イオンの濃度を選択するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
ステップ（ａ）が、少なくとも１０ｄＢ／ｍの前記ポンプ光の正味の光吸収を行うように前記コア中の前記ネオジウム・イオンの濃度を選択するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
（ｃ）前記導波光信号の非基本空間モードを抑制するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
１０５０ｎｍと１１２０ｎｍとの間の波長の信号光を増幅するためのネオジウム・ドープＶＬＭＡ光導波路の使用であって、前記ＶＬＭＡ光導波路が、
前記信号光を導波するためのコアであり、少なくとも０．１重量％の濃度のネオジウム・イオンでドープされている、コアと、
前記コアを囲む、ポンプ光を導波するための第１のクラッドであり、前記第１のクラッドが、前記コア内に前記信号光を閉じ込めるために屈折率構造を有し、動作中、前記ポンプ光の吸収に際して反転分布がドーピング材料に生成されるとき、前記信号光が前記ドーピング材料によって増幅される、第１のクラッドと、
前記第１のクラッドおよび前記コアに前記ポンプ光を閉じ込めるために、前記第１のクラッドの実効屈折率よりも低い実効屈折率を有する、前記第１のクラッドを囲む第２のクラッドと
を含み、
前記第１のクラッドの前記屈折率構造は、前記信号光の基本空間モードが少なくとも５００平方マイクロメートルの面積を有するようなものである、使用。
【請求項２２】
前記コアが、７９５ｎｍから８１５ｎｍまたは８８３ｎｍから８８７ｎｍの波長の前記ポンプ光に少なくとも３ｄＢ／ｍの正味の光吸収を与えるための濃度でドープされる、請求項２１に記載の使用。
【請求項２３】
前記光導波路が、前記コア中を伝搬する前記信号光の非基本空間モードに光損失を生成するためのテーパ状に細くなった区間を含む、請求項２１に記載の使用。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−４９７８（Ｐ２０１３−４９７８Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１３４３０５（Ｐ２０１２−１３４３０５）
【出願日】平成２４年６月１３日（２０１２．６．１３）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】４３０ Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｍｉｌｐｉｔａｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ９５０３５， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３４３０５（Ｐ２０１２−１３４３０５）
【出願日】平成２４年６月１３日（２０１２．６．１３）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】４３０ Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｍｉｌｐｉｔａｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ９５０３５， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
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