JP3567233B2 - 高エネルギーレベルを有する高ピークパワーを供給する光増幅器 - Google Patents

Description

発明の属する技術分野
本願発明は光利得媒体に関し、より具体的には、kWからMWの範囲の高パワー及びmJ範囲の高エネルギーレベルを有するパルスを出力する光ファイバ増幅器もしくはカスケード式光ファイバ増幅器などの固体利得媒体に関する。本明細書において、固体利得媒体とは光ファイバ増幅器もしくは光ファイバレーザを指す。
発明の背景
光ファイバ増幅器は、レーザ注入光源から比較的に低パワーのコヒーレント光を受け取り、その光をより高度のパワーに増幅する。そうした増幅器は、ファイバの伝送線で伝送されている変調光信号をパワーアップするために光通信やケーブルTVシステムの分野で用いられている。エルビウムドープファイバ増幅器（EDFA）は、その増幅波長（約1.54μｍ）がガラス伝送ファイバでの光信号の低損失伝搬を助成するので、光通信システムで特に都合がいいことが知られている。様々な米国特許にそうしたシステムだけでなく、そうしたシステムで用いられるファイバ増幅器が記載されている。そうした米国特許の例をあげると、5,185,826（Delavaux）、5,218,608（Aoki）、5,218,665（Grasso他）、5,331,449（Huber他）、5,337,175（Ohnsorge他）、5,339,183（Suzuki）などがある。これらのシステムでは様々な形の信号変調を用いる。レーザダイオード信号源は、低変調駆動電流を用いて、概して10MHz以上の高い変調率で、10mWから100mWの単一モードの変調光ビームを供給することができる。変調信号は、次に、ファイバ増幅器によって最も典型的には最高で約100mWのより高度なパワーに増幅される。
Toeppenに付与された米国特許5,335,236には、シードビーム及びパルスポンプビームを注入するファイバ増幅器が開示されている。注入シードビームは、一般的には連続しているが、パルスでもいい。但し、それはそのパルス長が要求される出力パルスのパルス長以上の場合に限る。増幅器は、パルス式増幅出力を行い、そのパルス長はポンプのパルス長で決められる。
LIDARシステム、非線形周波数変換レーザ印刷、火花技術応用分野、材料加工（材料切断やマーキングなど）などファイバ増幅器の使用が考えられる多くの用途にとっては、光ファイバ通信で通常使用されているものよりもレベルの高いエネルギーが必要である。そうした用途で最も好ましく且つ最も効率的に動作するようにするには、下が10Wで上が100kW以上の高ピークパワーと下が１μＪで上が10mJ以上の高パルスエネルギーを有する増幅パルス出力が必要である。例えば、非線形変換結晶装置に入力する光がより高い印加エネルギーレベルを有するより高いピークパワーで供給されると、その装置で高周波数変換効率を達成することができる。パルス反復度が高く且つ平均パワーも高い（1Wクラスまたはそれ以上）ことが望まれる。そうした出力パルスは、Duling,III et al.に付与された米国特許番号5,303,314やZirngiblに付与された5,128,800などに開示されているように、Ｑスイッチ固体レーザで普通実現することができる。これらの特許は、変調された、もしくはパルスの入力信号でトリガするＱスイッチ又は利得スイッチ機構を用いてパルス出力を行なうファイバレーザを開示している。しかしながら、このタイプのシステムは大型で複雑である。1993年８月２日発行の応用物理学（Applied Physic Letters）第63（５）巻586頁から588頁に掲載のB.Desthieux et al.著「ゲート型カスケード式のエルビウムドープファイバ増幅器３台を用いての1.5μｍで111kW（0.5mJ）パルス増幅」（111kW（0.5mJ）Pulse Amplification at 1.5 μm Using a Gated Cascade of Three Erbium−Doped Fiber Amplifiers）に例証されているように、EDFAの出現に伴い、mJ範囲で高エネルギーレベルを有する高パワーレベルを供給するこれらのそれほど複雑でない光増幅器から高パワー及び高エネルギーのパルス出力が実現できることが注目されている。低入力反復度では、1.5μｍ波長で111kWのピーク出力パワーと0.5mJのエネルギーが多モードのファイバ光源から供給される。従って、それほど複雑でないシステムでより高いパワーレベル及び高エネルギーを実現するには、多段のファイバ増幅器を使用することができる。
ダブルクラッド・ファイバ増幅器など増幅媒体には、例えば、Md³⁺又はYb³⁺などのドープコアを有する希土類ドープダブルクラッドファイバを使用する。注入光源は、ファイバコアに注入する信号を供給する。そうした光源となるのは、一般に費用効率がよく最も入手し易いレーザダイオードである。注入型レーザダイオード光源からの典型的なパワーレベルは、数10μＷから数100mWである。ファイバは、ポンプレーザダイオードのアレイなど高パワーの励起光源で励起され、その出力はファイバの内部クラッドに光結合される。ダブルクラッド・ファイバ増幅器の出力パワーレベルは、数10kW以上に達する出力パワーレベルを実現できるが、そうするためには40dBから60dBの利得が増幅器に必要である。しかしながら、後方及び前方の増幅自然放出（ASE）の発生および増大以前に、利得は、普通、30dBから40dBといった範囲に制限され、そして、利得媒体で生じた後方レイリー散乱は、その他の散乱ノイズと同様に、利得媒体中に散乱し、ファイバコア内で伝搬してポンプエネルギーを最終的に枯渇させることになり、その結果、注入信号増幅のための励起パワーがほとんど又は完全になくなってしまう。このタイプの散乱ノイズをこれ以降、集合的に「散乱ノイズ」と称する。勿論、この利得限定によってファイバ増幅器のパルス動作でより高いピークパワーレベルを実現する可能性が限定される。従って、十分なパワー及びエネルギーレベルを実現する効率的な注入光源信号増幅の鍵は、ファイバ利得を飽和させ、散乱ノイズを最小限に抑えることである。解決すべき問題は、これをいかにして効率的に達成するかということである。典型的なファイバ増幅器の構成においては、増幅された後方散乱ノイズがポンプ光源にとって損失の重要なメカニズムである。
散乱ノイズの問題は、後ろへ走るノイズが、前のステージから伝搬するカスケード式の結合ファイバ増幅器のステージにおいて一層深刻な問題になるので、ステージとステージの間に或るタイプの抑制器を設けてノイズの量を低減させることが必要である。そうしないと、ノイズの増幅利得が原因で信号入力の増幅が非常に限定されるか或いは部分的に存在しなくなり、多段増幅器で得られる利得が限定される。従って、上述のB.Desthieux et al.にあるように、ノイズの利得を除去するために、cw動作の結合増幅器のステージの場合は飽和性吸収体を採用する。パルス動作の高パワー出力結合増幅器のステージの場合は、増幅ステージと増幅ステージの間に同期タイミングのゲートを用いて、考えられる後方及び前方ノイズの量を低減させるのに役立てる。ゲートは、音響光学変調器もしくはその他の変調器の形で結合増幅器のステージとステージの間に設けられ、この後方及び前方に走るノイズを抑え、且つ初期ステージの増幅器を介して入力信号増幅のため一層多く利得をもたらす。そうしたゲートを用いることは光増幅器の有意なコスト増となるとともに強健性が弱くなり図体のかさばった構成になってしまう。
本願発明の目的は、高ピークパワー、高エネルギーのパルスを出力できる光増幅器システムを提供することである。
本願発明のもう一つの目的は、ファイバの利得を飽和させることによってピークパワーが一層高い、高エネルギーのパルス出力を実現して散乱ノイズを最小限に抑えることのできる１段以上のステージを有する光増幅器システムを提供することである。
さらにもう一つの本願発明の目的は、散乱ノイズを抑えるために増幅器のステージ間に同期タイミングのアクティブゲートを設ける必要なく、即ち、ステージ間にゲートや変調器を必要とせず又は考慮しなくていい、一層高いピークパワー及びエネルギーのパルス出力をより効果的に供給する光増幅器を提供することである。
また別の本願発明の目的は、散乱ノイズを抑えてより高度なピークパワー、より高度なエネルギーのパルスの生成を可能にするパルスモードで光ファイバ増幅器を動作させる方法を提供することである。
発明の概要
２つの基本的なアプローチによって上に述べた目的を達成する。第１の基本的アプローチでは、ファイバの内部クラッドに結合されているポンプ光を用いて増幅するために、ファイバコアを介して、レーザダイオードから継続時間の短い高周波数の変調注入信号のパルスを受取るようにするため少なくとも１個のレーザダイオードパルス式又はcwポンプ式ダブルクラッドのファイバ増幅器を用いる。重要なことは、ファイバ増幅器の入力の方向に逆に走ると共にファイバ増幅器の出力において、或いはファイバ増幅器の出力において、もしくは第２の又は後続の結合ファイバ増幅器のステージから後方に走る、例えば、ASE又はレイリー散乱など散乱ノイズが、発生したり増大していくのを最小限に抑えるようにするためにファイバの利得を飽和させる程度に平均信号パワーを維持することである。注入信号源パルスのデューティサイクルは、パルスとパルスの間においてファイバ増幅器で十分な利得を回復できるように決められる。
本願発明のレーザ注入型光ファイバ増幅器装置は、パルスレーザ光源と、散乱ノイズを発生させることなく信号パルスの利得を生むポンプ及び注入信号パルスの選ばれた特性を有する少なくとも数100mWの平均パワーの高パワーポンプ光源によって励起される希土類ドープダブルクラッドファイバとを組み合わせる。具体的に、ファイバに注入される信号パルスは、ファイバ中に利得を飽和させる程度のパワーレベル（平均が約1mWでピークが少なくとも100mWのパワー）を有し、信号パルスのパルス反復度及びデューティサイクルは、パルスとパルスの間に完全に或いは部分的に利得を回復できる程度である。中位から高パルス反復度、（即ち、約10kHzから1MHz以上）の場合、パルスとパルスとの間の間隔が既に光ファイバの活性ドーパントイオンの蛍光時定数よりはるかに小さいので、そのために散乱ノイズの発生を避ける。低反復度では、ファイバ増幅器のポンプ光源も、注入信号パルスがポンプのパルスと時間的に同期をとったパルス式とされる。ポンプパルスの継続時間がファイバドーパントの蛍光時定数、例えば、400μsecから10msec以上より短いから、ドーパントイオンの励起状態で格納されるポンプエネルギーは、散乱ノイズの発生によって枯渇するというよりむしろ注入信号パルスに最大利得をもたらす。増幅されている注入信号パルスのパルス継続時間はポンプビームより短く、典型的には10nsec以下だから、パルスのエネルギーが、ファイバ増幅器の出力において生じる少なくとも数ワット以上のパワーを有する非常に高いピークパワーパルスに集中する。数100kWになるような、つまり数10μsecのパルス長になるようなピークパワーレベルのより高いパルスは、数kHz以上の周波数で達成することができる。例えば、注入パルス反復度が固体利得媒体の時定数より速ければ、パルス入力の利得はcw注入信号の利得と同じである。固体媒体の時定数より低い反復度では、パルス間の利得がcw注入の利得より高い値に増大する可能性がある。固体媒体の典型的な時定数は、Ndドープファイバの数100μsecからErドープファイバの10msecまでの範囲である。
時定数がこの範囲であるとすれば、およそ１〜10kHz以上の変調は、利得の平均化をもたらし、１〜10kHz以下の変調は、パルス間で相当な利得の増大をもたらし、それは平均利得以上である。
システムの動作を定義する第２のパラメータはパルス長である。パルス長は、フェムト秒からマイクロ秒の間で変動する。LIDARの用途では、およそ10nsecのパルス長で動作しなければならない。レーザビームを用いての切断やドリル作業など熱加工での用途には数マイクロ秒かそれ以上の長いパルスで対応することができる。10ワット平均のパワーファイバ光源及び10nsecの動作を仮定すると、10kHz及び100kHzの反復度でのピークパワーは1kW及び100Wである。フェムト秒のパルス動作は、ピークパワーレベルがナノ秒動作に比してはるかに高い。
増幅する注入パルスを供給するレーザ光源は、半導体レーザ又は主発振器パワー増幅器（MOPA）装置でかまわない。高いパルス反復度を実現するためには、パルスレーザ又はMOPA装置はレーザ又はMOPA装置をＱスイッチするために一時的な可変損失を生むように共振器に飽和性吸収体もしくは能動変調素子を有することができる。或いは、レーザ又はMOPA装置にパルス電流を注入してパルスを生成してもいい。レーザやMOPA装置の利得領域の一部にそうしたパルス注入を行ない、その間、利得領域の他の部分を非パルスの電流注入によって独立で励起する。さらに、電流注入パルスのタイミングをダイオードレーザ又はMOPA装置のレーザ共振器の光が一回転する時間に合わせるようにしてモードがロックされた動作になるようにすることができる。パルス電流注入によってパルス動作を直接制御すると、光のパルス継続時間及び形状を適合するように変えることができる。
本願発明のもう一つの態様において、レーザ光源は、例えば、事前増幅器（preamplifier）として機能することのできるファイバ増幅器の第１ステージに結合されているレーザダイオード光源であってもいい。増幅器の第１ステージで増幅されたレーザ光は、ピークパワーが10〜100kW或いはそれ以上に到達し得るまでにさらに増幅するためにファイバ増幅器の第２ステージに注入される。この２段ファイバ増幅によって、第１ファイバ増幅器がステージごとに、より一層完全に近い利得の飽和状態が得られるように、より低いパワーレベルで個別に励起され、且つ散乱ノイズの総体的な影響を低減できるようになる。その上、２段構成によって光アイソレータなどの他の素子を２個のファイバ間に挿入することができるようになるので、１個のファイバ増幅器から別のファイバ増幅器に伝搬する散乱ノイズが低減し、そのために２段構成から得られる総利得が増える。ファイバ増幅器の第１ステージでは、100mW以下といった低ピークパワーのレーザパルスをファイバ増幅器の第２ステージへの注入に必要なレベルにまで増幅することができる。ファイバ増幅器の第１ステージは、シングルクラッドもしくはダブルクラッドのファイバで、第２ステージのダブルクラッドファイバ増幅器と同じか又は異なるドーパントでドープされていていい。但し、その場合、個々のドーパントが同じ波長で利得に対応するようにオーバラップする利得スペクトルを有していることを前提とする。
第２の基本的なアプローチにおいて、カスケード式の多段光ファイバ増幅器は第２ステージの増幅媒体に光結合されている第１の増幅媒体からなる。そうした増幅媒体は、光ファイバ増幅器、固体レーザ媒体、又は半導体光増幅導波路媒体から構成される。増幅器のステージごとにパルスの反復度及び波長の異なる第１及び第２のポンプ光源がそれぞれ設けられており、その両方とも信号源のパルス反復度に合わせて同期化されている。このパルス差分は、２つの結合増幅器のステージ間の時間同期ゲートと同義だから、その異なるポンプパルス長によって通過させないようにすることによって増幅器の第１のステージにおける散乱の発生及び増大が抑えられる。特に、例えば、第１ステージのポンプ光源のポンプパルスの継続時間は、第２ステージのポンプ光源のポンプパルスの継続時間より短いので、第２ステージの増幅器で発生するノイズ、即ち、散乱ノイズは、第１ステージの増幅器の励起においてより短いポンプパルス継続時間を活用するから、帰還すると第１ステージの増幅器での増幅から実質的に抑制される。言い換えれば、第１ステージ増幅器への帰還でこの第２ステージのノイズが増幅されたとしても、それは第１ステージの増幅器に入力として供給される短いポンプパルスの飽和状態期間にだけ起きる。その結果、増幅された散乱ノイズの量は、第１ステージのポンプパルスが継続時間にして長いか或いは時間にしてcwであるかいずれかである場合に比して小さい。従って、第２ステージの増幅器に関して第１ステージ増幅器の励起にこのゲーティング効果を用いることによって、増幅散乱ノイズを有意に低減させるので、多段光ファイバ増幅器や多段固体媒体に音響光学ゲートなど追加の光学構成要素を配置する必要がなくなる。
例えば、パルス長又は継続時間の異なるパルスを有するファイバ増幅器のステージごとに個別のポンプ光源を有するカスケード式の２段ファイバ増幅器の形での上述の２段光増幅媒体は、出力をファイバ増幅器の第１ステージからファイバ増幅器の第２ステージへと接続するのに２段の増幅器ステージ間に結合素子、即ち、結合光学素子が必要である。しかしながら、個別のステージのポンプ光源を共に第１ステージへの入力として結合させることによって、この構成をさらに簡素化することが可能で、そこにおいて第２ポンプ光源の波長は、増幅器の第１ステージの吸収スペクトルに対して透明である。従って、この場合、結合光学素子を必要とすることなくファイバ増幅器の第１及び第２ステージを単に永久接続すればいい。２段の光ファイバ増幅器は、増幅対象の注入信号と共に第１ステージの増幅器と２つポンプの入力光源からなり、それにおいてその２ポンプ光源は、パルス反復度及びパルス長が異なり、両方共に信号源のパルス反復度に合わせて同期をとり、且つ結合された増幅器の２ステージ間に時間同期ゲートを提供する。
その結果、異なるポンプパルス長を用いることにより通過させないようにすることによって、増幅器の第１ステージにおける散乱ノイズの発生及び蓄積が抑制されるので、増幅器の第２ステージに実際に導入されない。具体的に、継続時間の短いポンプパルスは、第１ステージのファイバ増幅器の蛍光時定数より短いので、短くなったポンプパルス長では散乱ノイズを増大させる時間的余裕がない、つまり、比較的に継続時間の短い第１ステージの増幅器において吸収されるポンプパルスを採用することによって、ノイズ発生の可能性が事実上シャットアウトされる。第２の又はより長いポンプパルスは、第１ステージの増幅器の利得吸収スペクトルに対して透明だから、第１ステージのファイバ増幅器を通って直接に第２ステージのファイバ増幅器に渡る。継続時間がより長い第２ポンプパルスは、第２ステージのファイバ増幅器の吸収スペクトル範囲内にあり、例えば、10mJ以上の高エネルギーレベルを有する1MWを超えるような高ピークパワーレベルを実現するのに必要なエネルギーと、結果として生じる利得とを第２ステージにもたらす。
【図面の簡単な説明】
図1A〜1Dは、本願発明の第１の基本的なアプローチを表す一般的な概略図である。図1Aは、光ファイバ増幅器のレーザダイオードポンピングを表す概略図である。図1Bは、第１ステージがファイバポンピングレーザであり且つ第２ステージがファイバパワー増幅器である２段の利得媒体を示す概略図である。図1Cは、光ファイバ増幅器の複数の光ファイバレーザを用いるポンピングを表す概略図である。図1Dは、信号パルスの反復度が比較的に低い場合の図1Aに示すファイバ増幅器における信号増幅とその回復が原因で生じる利得の枯渇を示した図である。図1Eは、図1Aに示したファイバ増幅器における平均利得を維持することによって利得を回復した信号パルス反復度が比較的に高い場合を示した図である。
図２は、本願発明の第１の基本的なアプローチの第１の実施例である周波数ダブラ導波路に用いられるレーザ注入型光ファイバ増幅器の概略側面図である。
図３は、本願発明の第１の基本的なアプローチの第２の実施例である信号注入２段光ファイバ増幅器のそれぞれの部分の概略側面図である。
図４は、本願発明の実施例のどれでもと共に用いることのできるダブルクラッド希土類ドープファイバ増幅器の断面図である。
図５は、図２に示した第１の実施例に関して、パルスポンプデューティサイクルで、パルスポンプ動作を説明する光パワー対時間を示すタイミング図である。
図６は、本願発明の第２の基本的なアプローチを表す一般的な概略図である。
図７は、図４に示した第２の基本的なアプローチの第１の実施例を図解した概略図である。
図８は、図４に示した第２の基本的なアプローチの第２の実施例を図解した概略図である。
図９は、図４に示した第２の基本的なアプローチの第３の実施例を図解した概略図である。
図10は、第１ステージの増幅器に対する注入光源の結合効率に関して本願発明のもう一つの態様による２段ダブルクラッド増幅器を表す図である。
図11は、ファイバコアの注入光源ビームの重なりを示す図10に示した第１ステージの増幅器の入力面の端面図である。
図12は、本願発明の第１及び第２の基本的なアプローチのいずれか又はその両方を活用する第１及び第２ステージの増幅システムからなる本願発明の更なる実施例である。
図12Aは、図12の第２ステージの増幅器アレイのパワー対時間又は位置出力を表す図である。
図13は、２重通過増幅に対応できる図12のアプローチに示した第１ステージ増幅の変形である。
図14は、光ファイバ増幅システムの複数波長の励起光源として用いる第１のタイプの複数波長光源を示す概略図である。
図15Aは、光ファイバ増幅システムの複数波長の励起光源として用いる第２のタイプの複数波長光源を示す概略図である。
図15Bは、図15Aの複数波長の光源によって生み出される波長バンドを表す図である。
図16は、光ファイバ増幅システムの複数波長の励起光源として用いる第３のタイプの複数波長光源を示す概略図である。
図17は、光ファイバ増幅システムの複数波長の励起光源として用いる複数冗長光源を表す概略図である。
発明を実施するための最良の形態
図1A〜1Dに本願発明の第１の基本的なアプローチの実施例を示す。図1Aは、単一モード、希土類ドープコア及びマルチモードの内部クラッドからなる伝統的な希土類ドープダブルクラッドファイバ増幅器10を表す。これらのファイバ増幅器は、Nd³⁺、Yb³、Tm³⁺又はPr³など希土類イオンでドープされている。ファイバ増幅器は、入力がファイバのマルチモードの内部クラッドに結合されている波長λ_ｐを有するポンプ光源P_sで励起され、例えば、約100mW以上のパワーレベルを実現するcwを動作する高パワーレーザダイオード又はレーザアレイからなる。数10kHzから数MHzといった既定の高反復度又は周波数を有する注入信号源I_sからの波長λ_ｓの注入信号S₁が増幅器10のコアに入力として供給される。そのコアは単一モードコアかもしれない。ファイバ増幅器の動作の特定条件が満たされれば、増幅器出力でパルスピークパワーが数100ワット台から100kW、或いはさらに数MWといった、波長λ_ｓを有する増幅パルス信号S₂の高ピークパワーが得られる。注入パルスS₁に対する入力のパルスパワー及びデューティサイクルが正しく設定されていれば、第１に、注入信号パルスパワーがファイバ増幅器の利得を飽和する程度で、且つ第２として、パルス間のファイバ増幅器における利得の回復が十分に行なえるように注入パルスのデューティサイクルを決めれば、今まで可能とは考えれていなかった、先に述べた高ピークパワーを達することができる。
希土類ドープダブルクラッドのファイバ増幅器10のポンピングは、図1Bに示したように、ファイバレーザを用いて実現してもいい。増幅器10の励起光源は、光帰還用にフィアバ回折格子12A及び12Bが形成されているファイバレーザ12からなる。ファイバレーザは、励起光源P_sから結合レンズ10Lを介して励起信号λ_ｐを受取る。ファイバレーザ12は、シングルドープのコアファイバを有するダブルクラッドファイバでよく、そのコアは、例えば、Nd³⁺、Yb³、Tm³⁺又はPr³でドープされており、ファイバレーザ12は、レーザダイオードポンプ光源Psからレンズシステム10Lを通してドープファイバコアの吸収バンド範囲内である波長λ_ｐを有するポンプ信号S₁であるパワーを受け取る。ファイバレーザ12からの高パワー出力は、ファイバと一体の、つまり、同じファイバ、もしくは結合レンズ10Lに類似したレンズを用いてファイバ間に光結合を実現する別個のファイバ体から作られた手段（図示せず）によって、希土類ドープダブルクラッドのファイバ増幅器10に入力として供給される。
１個のダブルクラッドファイバ増幅器から非常に高パワーレベルを得るために、図1Cに示すように、希土類ドープのファイバレーザからなる励起光源12_s1,12_s2,...12_snのアレイを活用する。レンズシステム10Lを介してダブルクラッドファイバ増幅器の内部クラッドに注入するには高レベルのポンプパワーが必要である。固定サイズの内部クラッドがあると仮定すれば、ポンプパワーはポンプ光源の輝度によって決められる。低輝度の光源は、大きな面積に焦点を合わせるので、比較的わずかな数の低輝度の光源が増幅器の内部クラッドへ結合することができる。従って、高パワーダブルクラッドの増幅器10の理想的なポンプ光源は、ダブルクラッド増幅器10の吸収帯域での出力波長を有する１個以上のダブルクラッドファイバ増幅器又はレーザである。図1Cの例は、Nd又はYbドープのダブルクラッドレーザ12_s1,12_s2,...12_snのアレイを有するダブルクラッドEr:Ybドープのファイバ増幅器10の1.06μｍ波長でのポンピングで、反射回折格子14_G1,14_G2,...14_Gnがあるために約1.06μｍ波長を出力する。反射回折格子は、この選択された波長で動作を維持する。
ファイバ増幅器の利得飽和は、数10以上から数100kHzといった高パルスレートで平均注入パルスパワーによって決めれれる。入力パルスの平均注入パワーは、効率的にパルス増幅するためにはファイバ増幅器からの平均出力パワーを飽和する程度のパルス長又は継続時間がなければならない。例えば、パルス長は、10nsec以下から約1msecまでがいい。ファイバ増幅器の利得を飽和させる程度のパルスパワーのバランスがなければならない。それによって散乱ノイズの発生及び増大を最低限に抑えるが、図1D及び1Eに破線曲線で示すように、利得回復を可能にする程度の時間がパルスとパルスの間にある。従って、増幅器で平均利得が維持され、生成された最小量の散乱ノイズが、十分なファイバ利得回復と結合されて信号パルス増幅S₂の効率を最善の状態にすることが可能になる。
例えば、図1Eに示したように、100kHz以上の非常に高い反復度では、利得応答は図1Dに示す回復に比して非常に遅い。その結果、ファイバの利得はほぼ一定で、入力パルスの利得は平均利得と同じである。
例えば、図1Dに示したように、100kHz以下の低反復度では、時間の関数として利得に実質的な波的変動があるかもしれない。この場合、信号パルス時に存在する利得回復は、図1Eの場合の平均利得より実質的に高くなることがある。最高ピーク利得は、実質的なレベルの散乱ノイズの発生によって決まる。但し、散乱ノイズが蓄積していく時間が短いので、ピーク利得は平均利得より高くなる。
図1Aのファイバ増幅器の動作の具体的な実施は、804nm〜808nmで波長λ_ｐを有し約1.06μｍで利得を与えるP6ファイバ結合のレーザダイオード配列からなるポンプ光源Ｐで励起されるNd³⁺ドープダブルクラッドのファイバ増幅器からなる。注入光源I_sは、高パワーの波長可変レーザダイオードで、1.06μｍの波長λ_ｓに同調される。注入光源I_sの出力は、音響光学変調器を介して高周波数で変調され、ダブルクラッドファイバ増幅器の単一モードコアに結合される。約7Wのポンプパワーがcwでファイバ増幅器に結合されていれば、デューティサイクル６％、レーザダイオードからの直流ピークパワー40mWを有するパルスの形状が長方形の150kHzの注入パルス信号は、増幅されてピークパワー29W、パルスエネルギー15μＪのDC増幅出力パワーになる。パルス間のピーク利得は、散乱ノイズによってポンプパワーを枯渇してしまう利得レベルを超えない限り、低注入パルス周波数でパルスエネルギーを上昇させることができる。従って、同じポンピングパワーレベルを用いて、約10kHzと100kHzの間の注入パルス反復度で100μＪ以上のエネルギーレベルを有するパルスを達成することが可能である。数MHz以上の周波数に達するには、レーザダイオードや音響光学変調器の代わりに電気パルスDBRレーザダイオード又はMOPAレーザダイオードを使用するといい。そうした高ピークパワーは、入力ピークパワーの増大に何かしら比例して特定用途での機能効率が向上する高速印刷、LIDAR、及び非線形周波数変換といった分野で非常に大きな実用性がある。本願発明のこの重要な実用性は、繰り返して述べる価値がある。例えば、周波数変換効率は、周波数２倍化の場合に、所定の非線形周波数変換器の周波数変換効率が使用可能なパルスのピークパワーに伴い上昇するのと同様に、上昇する。
従って、本願発明によるダブルクラッドファイバ増幅器の動作で重要なのは、高パワーレーザダイオード注入信号源からの高ピーク注入パワーがあれば注入信号パルスのデューティサイクルを下げると同時に、所定のデューティサイクル内に高度の入力パルスエネルギーを継続時間の短いパルス又はパルス長に集中させることによりダブルクラッドのファイバ増幅器によって一層高いピークパワーパルスを生成できるようになるという事実である。この場合、注入電流変調による利得スイッチング又はモードロックの手法を用いるか或いは飽和性吸収体をレーザダイオード構造の中に組み込むかのいずれかによって比較的ピークパワーの高いナノ秒以下からピコ秒以下のレーザダイオードパルスを得ることが出来る。図２に、本願発明のこの第１の基本的アプローチによるポンプ式光増幅器媒体をより詳細に示す。図２において、レーザ注入光源11は、波長λ_ｓでコヒーレント光パルスを発し、その波長は光ファイバ増幅器13に注入されて高度のピークパワー及びパルスエネルギーレベルになる。ファイバ増幅器13からの増幅パルスは、非線形周波数変換、レーザ印刷、LIDAR（light detection and ranging）など、数多くの用途がある。図２において、非線形結晶の第２高調波生成器（例えば、周波数２倍器）15は、一つの用途として描かれており、波長λ_ｓで増幅器13から増幅されたパルスを受け取り、変換された波長（1/2・λ_ｓ）でパルスを効率的に生成する。そうしたダブラ結晶15やその他の非線形デバイスの変換効率は、これらのデバイスに結合される或る瞬間の光強度に直接関係するので、ファイバ増幅器13が達成可能なピークパルスのパワーレベルによって異なる。平行光線化・合焦光学素子39は、複数の連続するステージ11、13、15間で光を結合する。そうした光学素子39には伝統的な先行技術と同様にレンズと光ファイバの組み合わせなどがある。或いは、レーザダイオードファイバと非線形結晶との間に多重結合を用いてもいい。
レーザ光源11は、半導体レーザダイオード21又は半導体MOPA装置からなる。外部変調器を有するレーザ変調器、DBRレーザもしくはDBR発振器付きMOPAは、光源11を備えていて良い。なぜならばパルス状態ではチャーピングが抑制されるので、1MHzを超えるような高パルス反復度でも少なくとも数100mWのピークパワーレベルに達する単一（狭帯域）の安定した周波数又は波長の光を発するからである。レーザダイオードは、単一空間モード発光を保持しながら、より高度の出力パワーを生成するために、フレア利得領域を有する不安定な共振器幾何学を用いてもいい。そうしたMOPA型装置は、単一モードのレーザ発振器部分に結合され、さらに可能ならばオプションで単一モードの事前増幅器部分、飽和性吸収体、或いは変調器素子に結合されるフレア型増幅部分を備えているのが好ましい。MOPAの構造、事前増幅器部分、飽和性吸収体、変調器素子に関しては、本願と同じ出願人による米国特許5,392,308及びゼロックス株式会社（Xerox Corporation）を出願人とする米国特許5,175,643を参照することにより両特許は本明細書に組み込まれているものとする。
ファイバ増幅器13は、希土類ドープ光ファイバ23及び高パワー光ポンプ光源25からなる。ダイクロイックビームスプリッタ27又はファイバ結合器などその他の組み合わせ素子を用いて波長λ_ｐのポンプ光は注入信号源11の波長λ_ｓの入力パルスと光併合する。ファイバ23用の希土類ドーパントは、ネオジム（Nd³⁺）、イッテルビウム（Yb³⁺）、エルビウム（Er³⁺）、ツリウム（Tm³⁺）、ホルミウム（Ho³⁺）、及びエルビウムとイッテルビウムの組み合わせ（Er³⁺:Yb³⁺）など、誘導放出によって利得達成するファイバ増幅器やレーザに伝統的に用いられているものならどれでもいい。レーザ光源11からの入力パルスの波長λ_ｓは、特定の活性ドーパントの利得幅に合うように選択される。ネオジムの場合は、約1.06μｍが最も一般的だが、0.90μｍから0.95μｍ、イッテルビウムは1.03から1.14μｍ及び1.26から1.34μｍ、エルビウムだけ又はエルビウムとイッテルビウムとの組み合わせの場合は約1.54μｍ、ツリウムは約1.7μｍ又は2.0μｍ、ホルミウムは約2.1μｍである。ポンプ波長λ_ｐも同様にファイバ増幅器に使用される特定のドーパントの吸収波長幅に合うように選択される。ドーパントのホストとしての役目を果たすように選択されるガラスのファイバコア材料によって波長幅に普通多少の変異がある。普通、石英ガラスが用いられる。
ファイバ23は、希土類活性イオンでドープされた第１屈折率の中心コア29を有するダブルクラッドのファイバで、より小さな第２屈折率の第１の内部クラッド31がコア29を囲み、さらに小さい第３屈折率の第２の外部クラッド33が内部クラッド31を包囲しているのが好ましい。このタイプのファイバにおいて、コアは入力パルスの導波路及び増幅媒体としての役目を果たし、一方、内部クラッドはポンプ光の導波路としての役目を果たす。一つのそうした好ましいダブルクラッドファイバの断面図を図４に示す。コア40は、直径が約10μｍより小さく単一空間モードの光だけを伝搬するものが好ましい。但し、そうしたければ、より大型のマルチモードのコアでも構わない。偏光保持のために、図示したように、断面が円筒形か、或いは矩形又は楕円形など何か他の形状になっていてもいい。内部クラッド42は、典型的にはマルチモードの導波路で、極限の結合効率を求めて、大きさと形状がポンプ光源25から受取ったポンプ光に合うように選択されている。楕円形やその他の形状を用いてもいいが、図に示したような矩形が典型的である。外部クラッド44は、コア及び内部クラッド領域40、42にポンプ光を絞る働きをする。
図２に示したように、ファイバの端面30、32は、ファイバ中を伝搬する光の反射帰還を極力抑えるために、ファイバ法線から12度から15度のわずかな角度で磨かれ得る。ファイバ端末は、反射防止膜が塗布されていても良い。
ポンプ光源25は、高パワー、高輝度、ファイバ結合のレーザダイオードの配列になっているのが好ましい。レーザダイオードアレイは、端面30にファイバ結合され、且つ光源とシステムの信頼性を向上させるため冗長性に対応すべく複数の半導体レーザダイオードから構成されている。ポンプ光源25もMOPA又はドープされたシングルクラッドのファイバポンプ光源でいい。供給された出力パワーは少なくとも数100mWで、好ましいのは連続型、擬似連続型又はパルスモードで10Wから20Wか或いはそれ以上の平均出力パワーである。ネオジムドープのファイバ増幅器を励起する場合、カリフォルニア州サンノゼ市所在のSDL株式会社の製品3400シリーズ（連続型）及び3200シリーズ（擬似cw）など798nmから810nmの範囲でポンプ光を発するGaAlAsモノリシック線形レーザアレイが市販されている。例えば、SDL−3450−P5は、直径400μｍの0.4NAファイババンドルから10Wを連続出力する。SDL−3251バーは、400μsecの最大パルス幅（パルスにつき40mJ）で衝撃係数が最高40％（4W平均パワー）の10mmx1μｍの発光アパチャ（FWHMビームの開き10x30）から100Wのピーク擬似cwを出力する。イッテルビウム又はエルビウムでドープされたファイバ増幅器を励起するには、上述のSDL−3450−P5レーザ同様10Wのcw出力のSDL−6480−P5ファイバ結合レーザや、400μsecの最大パルス幅（パルスにつき24mJ）で衝撃係数が２％から３％（1.2から1.8W平均パワー）の10mmx1μｍの発光アパチャ（FWHMビームの開き10x40）から60Wのピーク擬似cwを出力するSDL−6231レーザバーなど960nmから980nmの範囲でポンプ光を発するInGaAsモノリシック線形レーザアレイが市販されている。擬似cw出力のより大きいスタック型アレイも市販されている。InGaAsP/InPレーザはより波長の長いツリウム及びホルミウムファイバ増幅器用のポンプ光を発生させることができる。
レーザポンプ光源25からのポンプ光は、ダイクロイックビームスプリッタ27及び合焦レンズ39を介して光ファイバ23の内部クラッド31に結合され、そしてファイバをずっと伝搬していく間にファイバコア29でドーパントイオンによって吸収されて注入信号源11からの光パルスの利得を生む。
注入信号源11のレーザダイオード又はMOPA装置のパルス動作は、装置21に注入された電流Ｉ（ｔ）をパルス状にすることによって実現できる。パルス注入電流Ｉ（ｔ）を単一モードの導波路部分など装置の一部分にだけ供給し、その一方で、それとは無関係に独立で、フレア利得部分など他の部分を直流電流で励起するのが好ましい。例えば、パルス電流をMOPA装置の発振器又は事前増幅器の部分に供給し、その一方で、必ずしも一様に分布されているわけではない直流電流をMOPAのフレア増幅器部分に注入することができる。このパルス電流注入Ｉ（ｔ）の結果は、パルス特性が電流パルスに一致する装置21からのパルス光出力である。従って、注入電流パルスを適合するように変えることによって光パルスの継続時間及び形状を適合させることができる。
パルス形状は、特定の用途や、例えば、光パラメトリック発振器（OPO）又は光パラメトリック増幅器など、変換効率が入力パワーに大きく依存する場合に重要である。こうした状況において、ゆっくり増大していく又は立ち上がり時間の遅いパルスは低効率になる。或いは、単位がナノ秒以下の（又はピコ秒以下もある）パルスを生成するＱスイッチ又はモードロッキングの手法を用いて、パルス動作を実現することができる。レーザ光源11は、電気光学又は磁気光学変調損失能動素子をレーザ共振器に、又は飽和性吸収体など受動素子をレーザダイオード構造に組み込んでＱスイッチを誘起するようにすることができる。注入電流を共振器の往復時間に一致するようなタイミングの速度で変調して、モードロッキングを誘起するようにすることができる。モードロックパルスの反復度に合わせて、モードロック動作とＱスイッチ素子の組み合わせを用いることができる。
レーザ光源11から発せられる光パルスの特性は、典型的には、反復度が連続するパルス間で1nsecから数msecの時間期間の場合、kHz以下から100MHz、デューティサイクルはパルス長10nsec以下の場合10％以下、ピークパワーレベルは100mWから1Wかそれ以上、パルスエネルギーはパルスにつき約1nJから0.1μＪで、平均パワーは1mW台である。散乱ノイズを最低限に抑えるには、レーザ光源11から十分な光パワーをファイバ増幅器13に注入してファイバ媒体の利得を飽和させることが重要である。高変調速度では、所定のファイバ増幅器13の利得飽和はレーザ光源の平均パワーによって大方決定される。典型的な光ファイバでは、散乱ノイズが発生する前に約30〜40dBの利得を達成することができる。従って、数ワットの平均出力パワーを得るには、ファイバ増幅器13が受取る入力パワーは1mW以上であり利得飽和を達成する。但し、多段のファイバ増幅器の場合は、50dB以上の動作を実現可能だから、所望の用途に出力パワーを供給するのに必要な程度の低注入光源パワーがあればいい。
ポンプ光源25からのポンプパワーの反復度は、パルス間にファイバ増幅器13で適正利得を回復できる時間を得られるように決められる。デューティサイクルは、注入信号源11からの増幅パルスのピークパワーに関係する。低デューティサイクルでは、より高いピークレベルを達成するためにパルスエネルギーをより短い継続時間に集中させる。
ファイバ23の出力面32から発せられた波長λ_ｓの増幅出力パルスは周波数２倍器15など光学的に非線形の周波数変換素子に結合される。周波数２倍器15は、QPM導波路37を有するバルクのKNbO₃結晶35からなる。一例として、強誘電体分極ドメインを交代させて（＋と−）導波路37を周期的に極性化するようにして、非線形第２高調波発生プロセスによって導波路で生成された波長（1/2・λ_ｓ）の変換光が、導波路に注入された波長λ_ｓの増幅器出力の位相の適合性を維持することができる。900nmから950nmの範囲の波長を有するネオジムファイバ増幅器から受取った光パルスは、450nmから475nmの範囲の波長を有するブルーのパルス光に変換される。同様に、515nmから570nmの波長のグリーン光パルスは、プラセオジムファイバ増幅器からの波長が1030nmから1140nmのパルス出力から又はネオジムファイバ増幅器の波長1060nmのパルス出力から生成される。
第２高調波発生プロセスの効率は、非線形導波路に結合される光パルスの光パワー密度に関係する。具体的に、周波数の２倍化は瞬時強度で駆動されるから、パルスファイバ増幅器からの高ピークパワーレベルは、連続ではあるが低パワー出力に比して、はるかに変換の効率がいい。言い換えれば、本願発明を活用して達成できる高ピークパワーレベル、例えば1kWから10kW或いはそれ以上ではバルク結晶での２倍化の効率が高くなる。それは動作効率を一層高めるのに高パワー入力を要する用途に関して、本願発明の重要な属性である。変換効率は、増幅光パルスの波長及び偏光の安定性にも依存する。線幅拡大やチーピングは、２倍化効率を低下させるから、単一の狭波長帯域が好ましい。従って、注入信号源11は、DBRレーザ又は外部回折格子帰還によって安定させるレーザダイオード光源又は外部変調のレーザダイオードなど増幅波長を安定させるその他の安定波長光源でいい。同様に、ファイバ増幅器13からの単一偏光も好ましい。これは信号源11、偏光保持ファイバ23、或いはファイバに応力を加える機構など光ファイバ23の出力端末32近傍のファイバ偏光制御装置からの安定入力偏光と出力偏光を感知する帰還制御ループとを組み合わせることによって実現できる。ファイバ出力の表面32と導波路37への入力との間に偏光フィルタを設置してもいい。
第２高調波発生、つまり周波数２倍化とは別に、和周波発生及び差周波発生など他の単一通過処理も高ピークパワーパルスを用いるともっと効率がいい。さらに、パルスファイバ増幅器出力と共に光パラメトリック発振（OPO）など共振周波数変換処理を用いて、光を中間赤外線波長に効率的に変換することができる。LIDARシステムは、近赤外線から中間赤外線の範囲のパルスあたり１μＪを超えるエネルギーの多ワットのピークパワーパルスを用いる。従って、ファイバから直接の或いはOPO変換のファイバ増幅器出力によって生成されたパルスをそうしたLIDARシステムに使用することができる。
図３は、図3Aと図3Bに分かれているが、基本的な第１のアプローチによるもう一つの実施例である。図3Aに示すのは、増幅対象の注入信号源51aを有する第１の増幅器光源51（レーザダイオードでいい）及び第２ポンプファイバ増幅器53に光結合された第１のポンプファイバ増幅器51bからなるカスケード式の又は多段のファイバ増幅器である。注入信号源51aは、図3Aの光源11に類似しているので、レーザダイオード61は、図２のレーザダイオード21と同じでかまわない。レーザ61は、レーザ21の場合と同様に、パルス電流注入信号Ｉ（ｔ）によってパルスモードで動作する。第１ファイバ増幅器51bは、第２ファイバ増幅器53に注入する注入信号のパルスをキロワットのピークパワーレベルにまで増幅し、第２ファイバ増幅器はその増幅された信号をメガワットピークパワーレベルにまでさらに増幅する。或いは、約100mWかそれ以下のピークパワーのパルスを供給する注入信号源51aとして低パワーレーザダイオードを用いてもいい。低パワーは、チャーピングを起こさずに単一周波数動作を維持するのに役立つので、単一周波数の増幅出力になる。第１ファイバ増幅器51bは、信号パルスを約1Wから10Wの範囲のピークパワーレベルに増幅する。第１ファイバ増幅器51bによって、10kWから100kWのピークレベルに増幅するのに必要な1Wから10Wのピークパワーのパルスを第２ファイバ増幅器53になお供給しながら、反復度（1MHz以下）がより適度でデューティサイクルがより大きい（約１〜10％）入力パルスの使用が可能になる。
パルス継続時間は、10nsec以下が普通は好ましいが、用途によってはより大きなパルスエネルギーを得るために最長１μsecの継続時間を有する長めのパルスの方が好ましい場合がある。そうした場合、前記のように、直接電流注入Ｉ（ｔ）か外部変調かのいずれかによってパルスを生成することができる。
第１ファイバ増幅器51bは、希土類ドープファイバ63及びレーザダイオードポンプ光源65からなる。ファイバ63は、ファイバ23や73のようなダブルクラッドのファイバでも、ここに示すような従来のシングルクラッドのファイバでもいい。レーザダイオード61からの増幅波長λ_ｓの光のパルスとポンプ光源65からのポンプ波長λ_ｐのポンプ光がダイクロイックビームスプリッタ67又はその他のビーム結合光学素子によって結合され、そしてファイバ63のコア69に注入される。入出力端面70、72を或る角度で磨くか反射防止膜を塗布するか又はその両方を行なってファイバ63における反射型帰還を極力抑えることができる。
図3Bの第２ファイバ増幅器53は、図２の増幅器13に類似しており、ダブルクラッドのファイバ73及び高パワーレーザダイオードポンプ光源75を有する。ダイクロイックビームスプリッタ77は、波長λ_ｐのポンプ光を光源51からの波長λ_ｓの増幅対象光パルスと組み合わせる。増幅対象の光パルスは、ファイバ73の希土類ドープコア79に結合され、一方、ポンプ光はコア79を取り巻く内部クラッド81に結合される。第２又は外部クラッド83は、コア及び内部クラッド領域79、81にポンプ光を絞る。ファイバの入出力面又は表面80、82を或る角度で磨くか又は反射防止膜を塗布して、或いはその両方を行なって、光ファイバ73内部の反射型帰還を極力抑えることができる。
第１及び第２のファイバ増幅器51,53に用いられるドーパントが共に注入信号源61からの同じ波長λ_ｓで利得を生じる限り、第１ファイバ増幅器51b用の希土類ドーパントは、第２増幅器53のドーパントと同じである必要はない。例えば、ドーパント、ネオジム及びイッテルビウムは、1.06μｍで利得スペクトルが重なる。同様に、波長が共に第１及び第２増幅器51b、53の対応するポンプ吸収波長帯域以内である限り、ポンプ光源65、75からのポンプ波長λ_ｐは全く同じである必要はない。例えば、イッテルビウムドープの第１ファイバ増幅器51bは、約970nmで励起し、ネオジムドープの第２ファイバ増幅器53は、約808nmで励起することができる。最後に、ポンプ光源65と75の平均ポンプパワーレベルは、概して全く同じにはならない。第１ファイバ増幅器ステージ51bは、第２ファイバ増幅器ステージ53よりもはるかに低い平均出力パワーを供給できる程度に励起するだけでいいから、むしろ、第１ファイバ増幅器51bのポンプ光源65は、第２ファイバ増幅器53のポンプ光源75より平均パワーが低くなるはずである。これによって第１ファイバ増幅器51bを光源51からの光パルスによって飽和することができるようになり、散乱ノイズの潜在的影響を最低限に抑えることができる。パルスは、第１ファイバ増幅器51bにおいて、平均・ピーク共により高いパワーレベルに増幅され、その増幅されたパルスが第２増幅器に注入されてさらに増幅される。事前増幅されたパルスのパワーレベルが高ければ高いほどポンプ光源75で第２増幅器53をさらに高いレベルに励起することが可能になり、それと同時に飽和を維持して散乱ノイズの潜在的影響を極力抑えることができるようになる。第１及び第２のポンプ光源65、75は、共に線形レーザダイオードアレイ又はフレア増幅器、半導体MOPA装置でいい。或いは、第２ファイバ増幅器53の第２ポンプ75は、スタック状のレーザアレイでも良い。図３に示したカスケード式のファイバ増幅器システムの素子は、全て平行光線化・合焦光学素子89（典型的には、レンズの形で）によって相互に光結合されているが、光ファイバで結合されていても良い。
図３の実施例に関して、ファイバ増幅器への入力を飽和させることの他に、さらに、入力パルスのパルス反復度を正しく選ぶか又は利得スイッチングによるカスケード式増幅器構成の励起手法を用いると、散乱ノイズを最低限に抑えることができる。これらの増幅器のファイバコアの希土類ドーパントは、典型的には約400μsecから700μsecの範囲で蛍光時定数を有しているので、散乱ノイズの発生に直接関係する。従って、ポンプパワーが約1Wから10Wcwで実質的に固定されているとしたら、パルスとパルスとの間隔が蛍光時定数を上回らないように注入信号Ｉ（ｔ）の入力パルス反復度を十分に高く選択しなければならない。これによって散乱ノイズ発生以前の利得が約30dBか40dBに制限されるので、1Wのピークパワーパルス注入がちょうど1kWから10kWのピークパワーに増幅される。図５に示すのは、図３のファイバ増幅器に関する注入信号入力（Ａ）及びポンプパルス（Ｂ）の１つのデューティサイクルのタイミング図で、増幅器がパルスポンプ光源で動作している時、増幅出力パルス（Ｃ）を出力する。ポンプ光源は、連続ではなくパルス式であり、完全なデューティサイクル期間に連続にはならない。ポンプパルス41は、継続時間が10μsecから500μsecだから、散乱ノイズの発生を回避する程度に短い。ピークパワーが10Wから20Wのポンプパルスによって供給される0.1mJから5.0mJのポンプエネルギーは、時間t₀でポンプパルスが終了する直前に入力パルス43の注入からのファイバ増幅器に誘導放出によって放出されるまでドーパントイオンの励起状態で格納される。入力パルス43は、より高度なピークパワーレベルを有する短めのパルスも考えられるけれども、典型的にはピークパワーが約1Wで、パルスの継続時間が約10nsecである。ファイバ増幅器に格納されたエネルギーは、継続時間が入力パルス43とほぼ同じ出力パルス45に変換される。このようにして、散乱ノイズを増大させることなく、約10kWから100kWのピークパワーを有する10nsecの出力パルス45が達成される。
図６に示すのは、本願発明の第２の基本的なアプローチである。B.Desthieux et al.の記事に関連して既に述べたように、一列に並んで接続された２個のレーザ光ファイバ増幅器などカスケード式の光増幅器を用いると、増幅器を飽和することから散乱ノイズが増大することがある。大きな利得を要する場合、特にそうである。例えば、30dB以上の利得でそうした飽和が起きる。第２増幅器からの後方ノイズは、第１増幅器と再び結合されて、そこで増幅され、第１増幅器を飽和させる。そのノイズは、望ましい信号増幅を効率的に達成することができない程度にまで増幅されることがある。Desthieux et al.の場合は、第１増幅器のデューティサイクルの一部に後方ノイズを遮断する音響光学変調器の形でタイミング的に同期化されたゲートを結合縦列増幅器間に使用することによってこの問題を抑制する。しかしながら、そうした活性変調素子を使用しなくても、２段増幅器の第１及び第２のポンプ信号を変調して２つの異なるデューティサイクルを有することによって、ステージ間を結合した装置なしで、同じ効果を達成することができる。
図６に示すように、第１のデューティサイクル96を有する増幅対象の注入信号90と共に第１のポンプ信号92が第１増幅媒体94に入力される。第１増幅媒体94からの増幅注入信号90′が第２のデューティサイクル104を有する第２のポンプ信号100と共に第２増幅媒体102に入力される。第１デューティサイクル96のパルス長又は継続時間98が第２デューティサイクル104のパルス長又は継続時間106より短いことが第１及び第２のデューティサイクル94及び104の特性である。第１デューティサイクルのパルス継続時間98は、第２デューティサイクルのパルス継続時間に比してはるかに短いから、第２増幅媒体102からの後方散乱ノイズは、第１増幅媒体94のいかなる増幅に対しても非常に短い時間間隔に短縮されるので、第１増幅媒体94の飽和がそうした散乱ノイズの増幅によって実質的に使い尽くされることはない。その結果、第２増幅媒体102の出力において、上述のB.Desthieux et al.で達成可能な範囲を含め、今まで達成されているよりはるかに高いレベルの出力パワー及びエネルギーを達成することができる。
散乱ノイズは、大方の部分がASE及びレイリー散乱の後方散乱ノイズが原因だから、短めのパルス長又は継続時間98は、第２デューティサイクル104よりむしろ第１デューティサイクル96において好ましい。但し、パルス継続時間98及び106は同じ長さでも構わない。さらに、本願発明の概念は、第２デューティサイクル104のパルス長又は継続時間106が第１デューティサイクル96のパルス長又は継続時間98より短い時に散乱ノイズを抑えること、特に前方散乱ノイズに関して効力がある。第１及び第２ポンプパルス間のこれら３つのパルス継続時間の関係に関して重要な点は、注入パルスが増幅媒体の使用可能な利得を確実に受取るようにすることである。
ポンプパルスを注入パルスと同期化することに関しては、パルス関係が一定の時間関係でもいいし時間と共に変化してもいい。いずれの場合も、注入パルス90及び90′及びポンプパルス92が100のそれぞれの端末付近で発生し、それによって最適な使用可能利得の増大が媒体94又は102において確実になされるように、同期性を維持する必要がある。従って、注入パルスを同期化してポンプパルスの末端のいずれかの位置的側面で重なるか或いは直接隣り合うようにすることができる。
最後に、特定の用途によっては、一方のポンプ出力をcwにし、もう一方のポンプ出力をパルスにしてもいい。図６の構成で高パワー増幅を要する具体的な例としては、ポンプ92をパルスにし、それと同時にポンプ100をcwで動作するようにすることができる。
図７に、図６の増幅動作スキームを実行する第１の実施例を示す。第１増幅媒体94は、例えばエルビウムドープファイバ増幅器（EDFA）など光ファイバ増幅器A₁からなる。注入信号源I_sから光結合90を経由する注入信号λ_ｓは、ポンプ光源P₁から光結合92及びビームスプリッタBS₁を経由する第１ポンプ信号λ_p1と共に第１光ファイバ増幅器A₁に入力として供給される。増幅器A₁からの出力は、標準的な結合光学素子を介して第２増幅媒体102の光入力へ結合される。第２増幅媒体102は、光ファイバ増幅器A₂、すなわち、エルビウムドープファイバ増幅器（EDFA）から成り、それは光学結合100及びビームスプリッタBS₂を介して、ポンプ光源P₂から送られる第２ポンプ信号λ_p2と共に結合素子（従来の平行光線化および合焦レンズ系）を介して結合される。第１ポンプ信号92のデューティサイクル期間には増幅器A₂から増幅器A₁への後方ノイズを含め、散乱ノイズは、増幅器A₁を飽和させることはできない。但し、後者のポンプ信号がそのサイクル中アクティブである比較的に短いパルス継続時間98には発生し得るが、その時間期間は全サイクル時間96に比してかなり短い。
図７の実施例において、散乱ノイズの増幅は、10μsecから500μsecの間というように継続時間が増幅媒体の蛍光時定数よりはるかに短い、長さ数msecの短い高パワーのポンプパルスを有する第１ステージの増幅媒体A₁の利得スイッチ型ポンピングによって抑制される。増幅媒体の蛍光時定数は、概して約400msecから700msecの範囲（Nd³⁺の場合は約400μsec）で、散乱ノイズの増大に関係している。第２ステージの増幅媒体A₂は、第２ステージ増幅器に必要なエネルギーを供給して10mJ以上の非常に高エネルギーの出力パルスをもたらすために、約500msec以上といった長めのパルス長で励起される。第２ステージのパワー増幅器用の複数モードの内部クラッドのダブルクラッドファイバに換えて、増幅器を複数コアのダブルクラッドファイバ又はマルチモードのシングルクラッドファイバにして、さらに一層高いピークパワーに対応することができる。第１ステージの増幅媒体に短めのポンプパルス長を用いるので、第１増幅器の散乱ノイズが事実上閉め出され、それと同時に２個の増幅媒体94と102の間に能動変調器を配置しなくても増幅対象のcw又はパルス注入信号の入力と同期がとられている。第１増幅器のポンプパルスの継続時間を短縮することによって、考えられる散乱ノイズの増大時間が有意に短くなり、パルス出力のSNRが向上する。増幅器A₁とA₂の間にアイソレータ又はその他のノイズ抑制器を配置する必要が実質的になくなる。
図７に示した実施例のパラメータの例は次の通りである。第１ステージ増幅器A₁は、４μsecのパルス長を有する100Wのパルスで励起されるが、それは0.4mJのポンプパルスエネルギーに相当する。第１ステージ増幅器への信号パルスは、ピークパワーが1Wの10nsecパルスでいい。これは第１ステージ増幅器からの0.1mJのパルスエネルギーがこのステージから約10kWの増幅ピークパワーを出力するのに十分である。第２ステージ増幅器A₂は、500μsecのパルス長を有する100Wのパルスで励起されるが、それは50mJのポンプパルスエネルギーに相当する。これは第２ステージ増幅器からの約10mJのパルスエネルギーがこのステージから約1MWの増幅ピークパワーを出力するのに十分である。
図８に示すのは、図６の増幅動作スキームを達成する第２の実施例である。第２の実施例は、第１の実施例に比べ、よりコンパクトで必要とする構成要素が少ない、具体的には、第１と第２の増幅媒体A₁とA₂の間に、図７に示すような結合光学素子の必要がないという点で利点がある。むしろ、２個のファイバ増幅器A₁とA₂を単に永久接続して一つにするだけでいい。第１増幅器媒体94は、例えば、イッテルビウム（Yb）ドープのダブルクラッドファイバ増幅器（YDFA）といった光ファイバ増幅器A₁からなる。注入信号源Isからの注入信号λ_ｓは、光結合90、92、100及びビームスプリッタBSを経由するポンプ光源P₁からの第１ポンプ信号λ_p1及びポンプ光源P₂からの第２ポンプ信号λ_p2と共に、光ファイバ増幅器A₁からなる第１増幅器媒体94に全て入力として供給される。第２増幅媒体102は、例えばネオジム（Nd）ドープのダブルクラッドのファイバ増幅器（NDFA）など、増幅器A₁とは異なるドーパントでドープされた光ファイバ増幅器A₂からなる。増幅器A₁の吸収スペクトルに対して透過性である第２のポンプ信号λ_p2の波長が選ばれる。その結果、第２ポンプ信号λ_p2は何の影響もなく増幅器A₁を通過するが、第２増幅器A₂まで来ると吸収されて、第２増幅器A₂を通過する際に増幅注入信号90′（図６）に利得をもたらす。第１ポンプ信号λ_p1のデューティサイクル期間には、増幅器A₂から増幅器A₁への後方ノイズを含むいかなる散乱ノイズも増幅器A₁を飽和させることはできない。但し、後者のポンプ信号がアクティブである比較的短い継続時間98の時間期間には可能であるが。その時間の継続時間は全サイクル時間96に比してかなり短い。その上、増幅器A₁から増幅器A₂への後方ノイズの一部は、増幅器A₁の吸収スペクトル内にも入らないことが多い。
動作中、２個のレーザダイオード光源P₁及びP₂は、Ybドープの増幅器A₁で吸収される約λ_p1＝920nm又は980nmの波長そしてNdドープの増幅器A₂で吸収される約λ_p2＝808nmの波長をそれぞれ供給し、それらは共に約1.09μｍの100mWのパワーレベルを有するcwか、或いは飽和のためにさらに入力パワーが必要な場合、約500mWのピークパワーで10nsecから100nsecのパルスであり、注入信号λ_ｓと共にYDFAA₁の内部クラッドのフロントエンドに注入される。散乱ノイズの増大を抑えるために、デューティサイクルが５％未満の短い継続時間又はパルス長のパルスを有する920nmのポンプ光が供給される。この920nmのポンプビームは、YDFAA₁で吸収される。デューティサイクルが20％を超える長めの継続時間又はパルス長のパルスを有する808nmのポンプ光が供給される。それは、第１のYDFAA₁を通過し、そこでは吸収されることなく、つまり、いかなる吸収特性に対しても透過性であり、しかしそれは、第２のNDFAA₂で吸収される。808nmのポンプ光は、長めのパルス長で動作するので高パルスエネルギーを供給する。920nmポンプビームのパルス継続時間は、時間として比較的はるかに短いから、第２の増幅媒体A₂からの後方散乱ノイズは非常に短い時間期間に短縮されて第１の増幅媒体A₁で増幅されるので、第１増幅媒体の飽和がノイズの増幅によって使い尽くされはしない。その結果、第１の増幅媒体A₁に比して継続時間が比較的はるかに長いパルス長を用いることによって、第２の増幅媒体A₂の出力においては出力パルスのパワー及びエネルギーがはるかに高いレベルを達成できる。このパルス動作で、増幅器A₁とA₂の間に結合光学素子を配置する必要がなくなり、両増幅器は接合されるか、または実際に異なる希土類でドーピングした２個の異なる部分を有する１つのファイバにすることができる。これについては図７に関連してさらに詳細に後述する。
図８に示す実施例において、２個別々のポンプ光源P₁、P₂を示す。しかしながら、これらのポンプ光源は単一のレーザダイオードバーからなる単一のポンプ光源として統合することができ、そのバーの第１部分は、製造又は調整されて920nmなど第１の励起波長で動作する複数の細い帯状のレーザからなり、第２の部分は、製造又は調整されて808nmなど第２励起波長で動作するようにした複数の細い帯状のレーザからなる。帯状レーザの出力それぞれは、光ファイバの入力端末それぞれに直接結合され、第１増幅媒体A₁の内部クラッドに焦点を合わせた束ねられた出力の合成群に束ねられるので、波長λ_p1、λ_p2の光は共にファイバの内部クラッドで光結合される。
図９の実施例において、２個の別々の又は独立の注入信号源I_s1とI_s2が増幅され、信号増幅のために第１増幅媒体A₁に入力される点を除くと構成は図７と同じである。信号波長λ_s1及びλ_s2は、共に増幅器A₁及びA₂の利得帯域幅以内である。図７の場合と同様、第１ステージの増幅媒体に短めのポンプパルス長を用いるので２個の増幅媒体間に能動変調器を配置しなくても第１増幅器の散乱ノイズが事実上シャットアウトされ、それと同時に増幅対象のcw又はパルス注入信号の入力と同期をとる。第１増幅器のポンプパルス継続時間を短縮することによって、散乱ノイズが増大しうる時間が実質的に短縮され、パルス出力のSNRが向上する。
図７〜図９の実施例を示した上述の第２の基本的アプローチを波長の吸収スペクトルが同じかもしくは異なる２個の増幅媒体を使用することに関して説明したが、実際にはカスケード式増幅媒体はシングルファイバの範疇に入ることを当業者なら理解するであろう。この場合、特に図７に関して言えば、シングルファイバの長さを最善の状態にしてファイバ長の約半分でポンプ光のほとんどを吸収するようにする。短めのポンプ光パルスを注入光源の光と共に増幅媒体のフロントエンドに印加し、長めのポンプ光を増幅媒体のバックエンドに印加する。図８に関して言えば、シングルファイバの長さを最善の状態にしてファイバの小さめの部分が第１の希土類イオン種でドープされ、２番めに大きい部分が第２の希土類イオン種でドープされるようにする。短めのポンプ光パルスを注入光源光と共に増幅媒体のフロントエンドに印加し、長めのポンプ光パルスをデュアルドープの増幅媒体のフロントエンドもしくはバックエンドのいずれかから印加する。
また、図７〜図９の実施例として示した媒体例は、光ファイバ増幅器であるが、固体ロッド或いはドープした光導波路などその他の固体媒体も考えられる。
説明した基本的アプローチのそれぞれに関する上述の実施例に関して、多段ファイバ増幅器から十分に高い出力パワーを得るために第１増幅ステージに効率的に結合することの必要性は必ずしも必要条件ではないかもしれない。その結果、第１増幅ステージのファイバエンド入力での注入信号とポンプ光源の出力との整列性がそれほど決定的ではなくなるので、これらの光学構成要素の整列公差が緩和され、光源自体への光帰還が低下する。図10及び図11は、この結合法の説明の手助けとなるものである。
図10に、波長λ_s1を有するレーザダイオード光源I_sの希土類ドープ内部クラッドを有する２個の光結合ダブルクラッドファイバ増幅器A₁及びA₂を示しているが、その波長は希土類ドープファイバ増幅器94及び102の利得帯域幅に適合している。一例として、Ybドープファイバでは、最適注入波長λ_s1が約1100nmである。ポンプ光源P₁とP₂は、ビームスプリッタB_s1とB_s2を介して吸収のピークで励起波長λ_p1及びλ_p2を増幅器94及び102に供給する。増幅器システムのcw動作の場合など、もしそうしたければ、光アイソレータ104を増幅器A₁とA₂の間に挿入することができる。基本的に、図10の構成は、図3A、3Bに示した発明の構成と実質的に同じである。
実質的に単一空間モードのレーザダイオード光源I_sからの光ビームは、ファイバ110の長さに沿って信号増幅のために、集束レンズを介して、例えば、第１ステージ増幅器94のコアの入力面に投影される。第１ステージのダブルクラッドファイバへの入力結合が図11に示されており、ファイバ110は、コア112、内部クラッド114、外部クラッド116を有する。図11に示す通り、注入光源の光ビームI_sが実質的にコア112の直径の大きさと重なるので、ポンプ光源の総パワーのコア112への結合効率は低い。ポンプ光源ビームλ_p1の入力は、より広域のイメージになるが、内部クラッド114の直径方向の広がりを埋めたり又は完全に重なることはない。
典型的な単一モードのダイオード光源は、100mW以上の出力パワーを供給することができる。しかしながら、２個のステージ増幅器A₁及びA₂の利得で、多くの用途には必要以上の高パワーが出力できるから、増幅のために増幅器A₁のファイバコアに信号注入するのに必要なのは、はるかに低レベルである。従って、２段増幅器からのパワーで所望の用途には十分であろうから、光源I_sからの光の増幅器コアへの結合効率はわずかな量、例えば1mWのパワー未満でいい。結合効率が低いと、レーザ光源の出力と増幅器のファイバの入力面との間の整列公差を厳密にすることの必要性と、ファイバ増幅器からレーザダイオード光源への光帰還とが低下する。もし必要なら、レーザダイオード光源I_sとファイバ増幅器A₁との間の光路に光アイソレータを挿入し、増幅器A₁からの光帰還をさらに抑えることができる。光アイソレータは、そうした装置に係わる光損失がデュアル増幅器システムの特定用途に対して許されるのであれば、中性フィルタでいい。
第１増幅器A₁を、先に説明したような低結合効率によるmW以下のレベルの注入光源I_sを、約30dBの典型的な利得を有する第１ステージ94から数100mWのパワー出力レベルにまで増幅する事前増幅器として指定できる。第１増幅器A₁を光源P₁を介して、0.5Wから2Wの範囲の出力パワーを有する単一の広域レーザダイオードで励起することができる。より高いポンプパワーを使用すると利得がより高くなり且つ雑音指数が向上する。或いは、第１ファイバ増幅器A₁を増幅器ファイバのコアに適合する単一モードのレーザ利得で励起されるシングルクラッドのファイバにしてもいい。単一モードのファイバは、より効率が高く且つ雑音指数を向上させる。但し、この場合、図10に示すように内部クラッドを介してダブルクラッドのファイバ構成を励起するために用いられる広域ポンプレーザダイオードに比して、空間的にコヒーレントなポンプレーザダイオードから供給されるパワーは低いから、第１ファイバ増幅器ステージからの出力パワーがさらに限定される。
第１ステージ増幅器94から発せられる光は、光アイソレータ104を通り、第２ステージ増幅器102に注入される。第２ステージファイバ増幅器102は、パワー増幅器として動作し、注入信号を高パワーレベルの増幅する。増幅器102に注入された高注入パワーによって、約10dBから20dBの範囲における比較的に低利得での出力パワーの飽和が可能になる。
特にこの２段増幅器システムのcw動作によって、第１及び第２ステージの増幅器94及び102の間の光アイソレータが増幅散乱ノイズ、具体的に、レイリー散乱及び後方ASEからなる後方散乱ノイズが増大するのを防ぐ。しかしながら、注入信号のパルス動作、つまり短いパルスと低デューティサイクルで変調される方が好ましければ、ポンプパワーは、高エネルギーの短いパルス内で増幅注入信号パワーを抽出しながら、時間で積分される。パルス動作において、パルス反復度が希土類ドーパントの蛍光寿命より速ければ、それは典型的には数100μsecから1msecであるが、散乱ノイズを抑制するのに要する平均注入信号は、cw注入信号パワーにほぼ等しい。低デューティサイクルのパルス動作を用いるから、必要な注入光源ピークパワーは、デューティサイクルと同じ係数でのcw注入パワー動作の場合より高くなければならない。しかしながら、図11に関して既に説明したように、必要な平均注入パワーレベル（ピークパワーレベルに対して）は1mWよりはるかに低いから、光源からの出力をファイバの入力面に投影して注入光源出力ビームの一部の近似結合を達成するために、このパルスモード動作で十分なピークパルスパワーをファイバ増幅器A₁の入力面に結合することができる。但し、単一モードのファイバコアを事前増幅器A₁として使用する場合、パルスモード動作では注入信号光源I_sからこの第１ステージ増幅器への光を、一層注意して適合させなければならない。
ダブルクラッドのファイバ増幅器の配列から高出力パワーを供給するパルス動作のための第１及び第２ステージ増幅システム又はアーキテクチャに関する、第１及び第２の基本的なアプローチを組み合わせた実用例を示す図12について説明する。パルスの低パワーレーザダイオードを入力発振器として使用するダブルクラッドファイバのアレイ構成から高パルス出力パワーを実現することができる。幾つかの理由で多段増幅器からの出力パワーを出力パワーに限定することができる。第１に、多段増幅器のピーク出力パワーは、増幅器に使用されるファイバの破損レベルを超えることがある。第２に、多段増幅器のピーク出力パワーは、ファイバの非線形干渉を起こし、その結果散乱損失になりパワー出力レベルを低下させることがある。第３に、ポンプパワーが単一のダブルクラッドファイバに結合されることによりパルスエネルギーが限られると共に、複数の直列結合されたステージの場合、増幅器のステージ間の結合損失によって総出力パワーが限られる。図12で、２段の増幅ステージを採用することによって、実質的に皆無にするとまではいかないとしてもパワー出力レベルのこうした限定事項を減らしている。この図に示すように、１個以上の直列接続のファイバ増幅器からなる第１の増幅ステージからの出力125は、星形結合器又はミラーと多方向ビームスプリッタとの組み合わせ又はそれらに相当するもののような分配ネットワーク126を介して増幅するために入力125の分配された一部を受取るべく光結合されているダブルクラッドファイバの希土類ドープ増幅器130の配列からなる第２増幅ステージを注入励起する。スターカプラ又はその他のそうした光出力統合手段を用いてアレイ増幅器130A,130B,...130nの出力端を組み合わせるか又は配置構成によって一つの出力開口にすることができる。増幅器A₃,A₄,A₅,...A_nは、各ポンプ光源128によって励起される。
第１ステージの注入光源I_s及びポンプ光源P₁、P₂は、パルスレーザダイオード光源でも又は他のパルスレーザ光源でもいい。注入光源信号λ_ｓは、シングルクラッドのファイバ増幅器、ダブルクラッドのファイバ増幅器、又はシングルクラッドとダブルクラッドを組み合わせた増幅器のいずれかからなる一連の増幅器A₁,A₂,...A_nによって増幅されて十分に増幅器構成の第２ステージを飽和できる程度の平均パワー及びピークパワーを供給する。２個のドープファイバ増幅器120、124を図12に示す。この図において、この２個の増幅器には、それぞれレーザ光源P₁、P₂から励起パワーが供給される。増幅器A₁、A₂を、図１〜５及び図６〜11との関連で第１及び第２の基本アプローチに関してそれぞれ説明した方法で動作させる。
第１ステージからの出力125を３ウェイビームスプリッタ126A及び関連ミラー126Bなどビーム分散手段126を用いて複数の単一モードに分け、パワーをファイバ増幅器配列130全体に実質的に一様に分散させる。その結果、増幅器130A,130B,130C,...130nへの入力は大体同じであると同時に、増幅器を飽和させるには十分である。出力輝度を最善の状態にするために、既に説明した方法で、出力をマイクロレンズアレイを用いてダブルクラッドのファイバ増幅器配列と組み合わせるか又は結合して配列130からの光を結合させることができる。
ダブルクラッドのファイバ増幅器配列130は、飽和状況の深くまで普通動作し、増幅器の効率を最善の状態にする。その結果、第１ステージからの入力パワーが増幅器配列の利得を飽和させる程度である限り、ダブルクラッドファイバ増幅器130A,130B,130C,...130nそれぞれからの出力パワーは、第１ステージから送られてきた入力パワーに対して反応しない。さらに、図６に関して説明したように、図12の第１及び第２ステージに関して第２の基本アプローチのポンプのパルス化構成を用いても良い。この場合、第１ステージにおいて、ポンプ光源P₁,P₂は、デューティサイクル96にパルス継続時間92のパルスを出力し、ポンプ光源P₃,P₄,P₅は、デューティサイクル104にパルス継続時間100のパルスを出力する。
増幅器アレイ130からなるファイバは、ダブルクラッドのファイバ増幅器130A,130B,130C,...130nから発せられるパルスが全て実質的に確実に重なるか或いは時間的に一様に同期をとるようにするために略全て同等の長さでなければならない。しかしながら、長さが異なるファイバを用いてアレイ130からのパルス出力の遅延が時間的に異なるようにしてもしてもいい。従って、増幅器配列130からの増幅されたパルス出力が全て同期化されていれば、時間又は位置のいずれかにおいて加算性を有することになるので、単一のパルス出力が結合された大型の出力パワーのパルスになることがある。一方、増幅器130Aなどのファイバが決められた長さになっている場合、例えば、図12Aに示したようなステップ増及びステップ減のパルス形状にするような方法で、それぞれの増幅器からの出力パルスが重なるように、又は時間的に同期するように、或いは位置的に同期するようにすることによって、出力パルスを整形することができる。図12Aは一連の整形パルス150を生成するタイムシーケンスになった10個の増幅器130nからなる増幅器配列130の混合パルス出力を示す。この場合、図12Aの増幅器A₃,A₇,A₉,A₁₀の場合と同様に、選択された増幅器のファイバ長は、時間的に或いは位置的に加算性を有するように決められる。それぞれの増幅器A₁からA₁₀のパルス出力の時間或いは位置の組み合わせはどのようにでも選べることは明白である。
次に、図12の第１ステージのまた別の構成である図13について説明する。図13の第１ステージは、光源I_sから注入信号λ_ｓを、そして光源P_sからポンプ信号λ_ｐを受取るべく光結合されているシングルクラッド又はダブルクラッドの増幅器120からなり、これらの信号はビームスプリッタ123を介して組み合わされてアイソレータ132及び第２のビームスプリッタ133を介して増幅器120に入力される。増幅器120の増幅出力135は、反射素子134により反射されファイバ増幅器120に戻されるので、増幅器120はダブルパス増幅器としての働きをし、その折り返しの増幅された光は、図12の増幅器配列130からなる第２ステージに出力125として、ビームスプリッタ133で反射される。ビームスプリッタとパスを通って注入光源I_sに戻る増幅器120からの折り返し光は、いずれもアイソレータ132で終わる。増幅器120は、図１〜５に関して既に説明した第１の基本アプローチと同様に動作させることができる。
次に、ポンプ光源の波長変動の原因となる動作温度の変化があっても最善状態の光パワーのポンピングに対応する本願発明の様々な実施例の増幅器システムの励起光源を提供することに関する本願発明のさらにもう一つ別の態様について説明する。シングルコアのファイバ又はダブルクラッドのファイバから構成される光増幅媒体を用い、それにおいてそれぞれコア又は内部クラッドは、励起波長を適合させなければならないファイバの既定の利得スペクトルを実現する希土類イオン種でドープされている。レーザダイオードポンプ光源の利得スペクトルは、温度の変化に伴って変わるから、もしレーザポンプ光源が異なる動作温度で動作し始まると、ファイバ増幅器に結合されている所定の励起光源はもはやファイバの利得スペクトルに適合しなくなることがある。その結果、不十分な注入光源信号の増幅が起きる。この状態を修正する一つのアプローチは、全てファイバ増幅器に結合される空間的に別々の異なる波長からなるポンプ光源を複数設けることである。複数波長のレーザダイオードポンプ光源は、約−15度から約125度といった範囲での温度の変化に伴って波長が変動するので、出力波長の少なくとも１つはファイバ増幅器の利得スペクトルと重なり、ファイバのポンピングのための高入力パワーを継続的に供給するのに十分である。複数の帯状レーザを有する複数光源のモノリシックレーザダイオード素子140を図14に示す。これにおいては、１本の帯状レーザ又はグループになった帯状レーザを設計して、異なる波長λ₁,λ₂,λ₃,λ_４で動作するように設計することができる。或いは、これらの異なった出力は、別々のレーザ光源から供給されるようにしてもいい。素子140の出力は、次に従来の光学素子142を通りビームスプリッタ144を介して希土類ドープの光ファイバ増幅器146に投影される。増幅器146からの出力の一部は、電流制御器152を介してレーザダイオード素子140に帰還されるためにビームスプリッタ148を介して検出器150によって受取られる。電流制御器152は、ファイバ増幅器146からの光出力の少なくとも一部に対し反応してレーザダイオード140の電流励起レベルを変え、例えば、上昇させ、ファイバ増幅器146の利得スペクトル内で最善状態のポンプパワーを同時供給する。
あるいは、この実施例の励起光源140を図15Aに示すように異なる波長で動作する又は異なる波長に合わせて調節できる一連の個別のレーザダイオードから構成するようにしてもいい。レーザダイオード光源160、161、162を、図15Bに示すように、個々のマルチモードレーザダイオードにしても、或いは波長スペクトル又は帯域163、164、165をそれぞれ生成するダイオードレーザバーにしてもいい。波長スペクトルは、波長が互いに短めでもいいし或いはわずかに重なってもいい。スペクトル又は帯域163、164、165に亘る波長の帯域幅の広がりは、20nmから30nmの範囲である。光源160〜162は、出力が個々の光ファイバ167、168、169にレンズシステム166を介して結合されており、その光ファイバは光ビームがレンズ170によってダブルクラッドファイバ増幅器171のドープされた内部クラッド層172に合焦結合するように出力端できつく束ねられている。注入信号は、増幅のためにファイバ171のコア173に供給される。図14の場合と同様に、ファイバ増幅171からの出力の一部が検出器150及び電流制御器152に回るようにして、個々のレーザダイオード源160〜162の電流励起レベルを変えてファイバ増幅器171のスペクトル内で最善状態のポンプパワーを同時供給するようにしてもいい。
波長の異なるレーザ光源が個別でも或いは統合されている場合でもいずれにおいても、多波長の励起光源は、図14に示すようにダイクロイックビーム混合器及び集束レンズシステムを介してファイバ増幅器146の入力に結合されるか、或いは図15Aに示すファイバ増幅器171の場合のように、光源の個別の出力が個々の光ファイバに突き当て結合され、且つ、たとえば、集束レンズシステムを用いて光結合のために束ねられる。
図16に示すのは、励起光源181を有する狭域波長放出の注入光源180である。これにおいては、単一コアのファイバ184の単一モードファイバコア185にレンズシステム183を介して集束入力するためにビームが偏光ビームスプリッタ又はダイクロイックミラー182を介して混合される。
図16に、例えば、1.55μｍの標準通信波長で動作する3Wのトランスミッタと同じ程度の信頼性を有するポンプアーキテクチャを示す。同一波長で動作する複数のポンプダイオードを使用して複数のファイバ増幅器を励起するのに用いられる複数のファイバレーザを励起するから、このポンプは信頼性がある。各複数の励起光源は、例えば、約2Wの出力を有する1.06μｍで動作する高パワーのNdドープダブルクラッドのファイバレーザ励起光源に結合させることができる。これらのレーザダイオード励起光源からの出力は、それぞれが個々のNdドープダブルクラッドのファイバレーザ励起光源にポンプ吸収するための波長帯域に適合している。Ndドープダブルクラッドのファイバレーザ励起光源は、次に一連の結合Erドープ又はEr:Ybドープの単一モードファイバ増幅器の１個を或いは一連のダブルクラッドのファイバ増幅器を励起するために光結合されている。従って、1.55μｍの注入信号は、例えば、それぞれNdドープダブルクラッドのファイバレーザで励起されるErドープファイバ単一モード増幅器４個により増幅され、それが次に同じ波長で動作する複数のレーザダイオード光源によって励起される。そうした励起光源の一つは、図17でマルチモードダブルクラッドのファイバ励起レーザ195用の190で示される。励起光源190は、全て同じ波長で動作するファイバ結合レーザダイオードP₁,P₂,P₃,...P_nの配列からなり、その波長は、1.06μｍで励起波長を供給するNdドープダブルクラッドのファイバレーザ光源195の吸収帯域幅に適合する波長、例えば、807nmである。光源190は、バンドル型又はマルチプレクサ型カプラ196を介してファイバ191,192,193,194によって光源195に結合され、そしてカプラ196からの出力はレンズシステム197によって再投影されてダブルクラッドのファイバレーザ光源195の開口及び開口数値に適合するようにする。ポンプレーザダイオードP₁,P₂,P₃,...P_nのパワーを下げ且つポンプレーザダイオードを追加することにより、ポンプ構造全体の信頼性は大幅に高められる。この構成に基づくと、少なくとも30個から90個或いはそれ以上のポンプ光源P₁,P₂,P₃,...P_nを典型的なNdドープダブルクラッドのファイバレーザ光源に結合し、それによって信頼性を向上させることができる。
図17の構成には、２段構えで冗長性がある。第１に、ダブルクラッドファイバ195は、複数のレーザダイオード光源によって励起される。これによって冗長な電源を選べるようになるので、ポンプレーザダイオードのグループを多数の異なる電源によって直列駆動できるようになる。極端な場合、ポンプレーザダイオード毎に１個ずつ電流を備えることができるが、複数光源からなる幾つかのそうした光源を個々の電源がダウンしても電源の信頼性に対応する１個の電源だけで駆動することができるので通信リンクの動作を維持し続けることができる。熱電冷却装置は一般的に不要である。それは、Ndダブルクラッドレーザ195はそうした冷却装置なしに広い範囲の動作温度に対応可能だからである。
冗長性の第２段階は、別々になった単一モードレーザアレイからなる個別のレーザダイオード光源P_nを用いるところにある。レーザダイオード光源P_nを単一モード光源配列にセグメントすると、暗黒線欠陥の横方向の伝搬が低下する。さらに、１セグメントに起きる面損害が隣接セグメントの動作に作用することがないので、ポンプパワーが独立した個別の単一モードポンプ光源によって供給されているかのようにアレイの信頼性を評価することができる。
本願発明の実施例によっては、実施にあたり用いたパルス変調に鑑み、チャーピングが注入光源I_sを変調することがある。チャーピングは、素子を通る電流の変化によりキャリア密度が変化してレーザの波長に影響することが原因でレーザ光源に印加される電流の変調によって波長に変動が生じる現象である。従って、レーザ光源の波長が電流パルスの印加時にかすかに変動してレーザ光源を変調する。変調時、つまり、パルス印加時、ぴったりの波長を維持しなければならないコヒーレントLIDARなど、そうした波長の変動が好ましくない本願発明の用途がある。そうした場合、レーザを電流の印加によって変調するのではなく、位相用或いは強度変調用に別の変調器を使用することができる。この場合、注入レーザ光源の出力を、例えば、レーザ光源自身の電流を変調せずに光の強度変調を実行できる単一モードのファイバを介して位相又は強度変調器に結合する。言うまでもなく、もしそうしたければこの分離型変調を励起光源にも適用することができる。
本願発明を複数の好適な実施例との関連において説明したが、当業者なら、上述の説明に照らし本願発明の精神並びに範囲内で他の代案、変形、変更が明確になることは明らかであろう。従って、ここで説明した発明は、以下に記載の特許請求の範囲内におけるそうした代案、変形、変更を全て含むものとする。

Claims (8)

1. クラッド（31,42,71）によって囲まれた希土類ドープコア（29,40,69）を有する光ファイバ（10,23,63）と、
   該光ファイバ（10,23,63）の入力に結合されるパルス注入信号を供給する注入光源（11,61）であって、該パルス注入信号は、該光ファイバ（10,23,63）の利得を飽和させるのに十分な平均的パワーを有するとともに、該光ファイバ（10,23,63）においてパルス間で少なくとも部分的に利得を回復させることを可能にするパルス反復度およびデューティサイクルを有している、注入光源（11,61）と、
   該光ファイバ（10,23,63）の入力に結合されるポンプ信号を供給するポンプ光源（25,65）であって、該ポンプ信号は該パルス注入信号と時間的に同期をとってパルス化されている、ポンプ光源（25,65）と、
   を備えた光増幅器システム。
2. 前記パルス注入信号のパルス間の継続時間は、前記光ファイバ中の蛍光時定数と実質的に等しいか若しくはそれより大きい、請求項１に記載の光増幅器システム。
3. 前記ポンプ信号は、前記光ファイバの前記希土類ドープコアの蛍光時定数と実質的に等しいか若しくはそれより小さいパルス継続時間を有する、請求項１または２に記載の光増幅器システム。
4. 前記注入光源からの前記パルス注入信号のパルスは、前記ポンプ光源からのパルスの終端に一致する、請求項１から３のいずれかに記載の光増幅器システム。
5. 前記注入光源のパルスの反復度の下限は、前記光増幅器システムにおける散乱ノイズの利得が該光増幅器システムにおける前記パルス注入信号の利得を超え始めるところである、請求項１から４のいずれかに記載の光増幅器システム。
6. ダブルクラッド光ファイバ増幅器のステージが複数ある、請求項１から５のいずれかに記載の光増幅器システム。
7. 少なくとも１つのシングルクラッド希土類ドープコアの光ファイバ増幅器が、前記光源と前記ダブルクラッド光ファイバ増幅器との間に配置され、該少なくとも１つのシングルクラッド希土類ドープコアの光ファイバ増幅器が、入力として該ダブルクラッド光ファイバ増幅器のステージの各々に光結合されており、該ダブルクラッド光ファイバ増幅器は、並列接続されて該入力を、一様に分散された形で受取る、請求項６に記載の光増幅器システム。
8. それぞれが利得及び吸収可能なドープコアを有する２段ファイバ増幅器と、該２段ファイバ増幅器のそれぞれに対応するポンプ光源があり、該ポンプ光源の１方はパルス式でパルスポンプ信号を対応するファイバ増幅器に供給し、前記パルス注入信号のパルス位置が該パルスポンプ信号のパルス位置と同期をとっている、請求項１から７のいずれかに記載の光増幅器システム。

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