JPH1174593A

JPH1174593A - 光学増幅装置

Info

Publication number: JPH1174593A
Application number: JP10175755A
Authority: JP
Inventors: Martin E Fermann; イーファーマンマーチン; Donald J Dr Harter; ジェーハータードナルド
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 1999-03-16
Anticipated expiration: 2018-06-23
Also published as: JP2013055362A; US5818630A; JP5661088B2; DE19861484B4; DE19861429B4; JP3990034B2; JP2007221173A; DE19828154C5; JP2011055016A; DE19828154B4; DE19828154A1

Abstract

(57)【要約】【課題】好ましくない非線形性と利得飽和とが始まる
前に、光ファイバー増幅器にエネルギーを蓄積する能力
を大きくし、単一モード（ＳＭ）ファイバーで達成でき
るより大きいピーク強度およびパルスエネルギーを発生
させること。【解決手段】本発明の光学増幅装置は、回折限界に近
いモードを持つ入力ビ−ムを発生させるレーザー源とし
てのファイバー発振器１０と、多重モード・ファイバー
増幅器１２と、モード変換器１４と、ポンプ源２０とを
有する。モード変換器１４は、入力ビームを受けて多重
モード・ファイバー増幅器１２の基本モードに整合する
ように入力ビームのモードを変換し、多重モードファイ
バー増幅器１２に入力するモード変換された入力ビーム
を作り出す。ポンプ源２０は、多重モード・ファイバー
増幅器１２を光学的にポンピングし、本質的に基本モー
ドで増幅された強力な出力ビームを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単一モード増幅シ
ステムにおいてレーザー光の増幅器に多重モードファイ
バーを使うことに関し、レーザー増幅装置の技術分野に
属する。

【０００２】

【従来の技術】Ｍａｕｒｅｒ（１９７４）の米国特許第
３，８０８，５４９号で述べられているように、希土類
元素をドープした光ファイバーの光伝導性を利用して特
徴ある簡単なレーザーを構成することができるので、希
土類元素をドープした光ファイバーは、長い間、可干渉
光（コヒーレント光）の光源としての利用が考えられて
来た。しかし、ファイバー・レーザーに関する初期の業
績は、回折限界の可干渉光を発生する手段が知られてい
なかったために、余り関心が持たれなかった。現在で
は、回折限界の光を利用することにより、レーザーの応
用は数々の利益を生み出している。

【０００３】Ｐｏｏｌｅらが、”Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏ
ｎｏｆＬｏｗ−ＬｏｓｓＯｐｔｉｃａｌＦｉｂ
ｅｒｓＣｏｎｔａｉｎｉｎｇＲａｒｅ−Ｅａｒｔｈ
Ｉｏｎｓ”，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖ
ｏｌ．２２，ｐｐ．７３７−７３８（１９８５）で報告
しているように、希土類元素をドープしたファイバーが
製造できるようになったときに、初めて希土類元素をド
ープした単一モード（ＳＭ；ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅ）
のファイバーを使った技術が世に出現した。この技術に
おいては、光ファイバーの基本モードのみが波長終端に
導かれ、これによって回折限界の出力が得られる。

【０００４】ＳＭ光ファイバー増幅器を使った光ファイ
バー通信の要求が高まり、この分野のここ１０年以上の
間の進展は、ほとんどＳＭファイバー増幅器に集中して
いる。このようなＳＭ光ファイバー増幅器の進歩があっ
たのは、ＳＭファイバー増幅器が最もノイズの発生が少
なく、また、それがＳＭファイバー光伝導線と互換性が
あるという事実があるからである。ＳＭファイバー増幅
器は、いずれの高次モードも含まないために形態上の分
散が完全に消去されているので、光の透過バンド幅がも
っとも大きい。一般に高次モードは異なった伝播常数を
持っているので、一般的に形態上の分散は、多重モード
（ＭＭ；ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ）光ファイバーの透過バ
ンド幅を限定し最も有害である。

【０００５】しかし、短い光パルスを増幅する場合、Ｓ
Ｍ光ファイバーを使うことは不利である。何故なら、コ
ア面積が限定されているので、光ファイバーの飽和エネ
ルギーが限定され、したがって得られるパルスエネルギ
ーも制限されるからである。レーザー増幅器の飽和エネ
ルギーＥｓａｔは、次式で表すことができる。Ｅｓａｔ＝ｈνＡ／σ ここで、ｈはプランク定数、νは光の振動数、σは励起
放射の断面積、Ａはコアの断面積である。今日、ＳＭ光
ファイバーから得られる最大パルス・エネルギーは約１
６０Ｊであり（Ｔａｖｅｒｎｅｒｅｔａｌ．ｉｎ
ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２２，ｐｐ．
３７８−３８０（１９９７）による）、これはコア直径
１５μｍのＳＭエルビウム・ドープ・ファイバーで得ら
れたもので、これは１．５５μｍにおけるＳＭ伝播と可
換である最も大きなコア直径である。この結果は、ファ
イバーの開口数ＮＡ＝０．０７で得られたものである。
さらにコア径を大きくするとファイバーのＮＡを小さく
することが必要で、この結果、不本意な感度低下を招
き、曲げ損失につながる。

【０００６】ＳＭ増幅器の代替として、多重モード（Ｍ
Ｍ）光ファイバーによる増幅が考えられる。例えば、
“Ｃｈｉｒｐｅｄ−ｐｕｌｅｓａｍｐｌｉｆｉｃａｔ
ｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｐｕｌｅｓｗｉ
ｔｈａｍｕｌｔｉｍｏｄｅＴｍ：ＺＢＬＡＮｆ
ｉｂｅｒｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｍｐｌｉｆｉ
ｅｒ”，ｂｙＹａｎｇｅｔａｌ．，Ｏｐｔｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２０，ｐｐ．１０４４−
１０４６（１９９５）を参照されたい。しかし、一般的
には、ＭＭ光ファイバーへの入射条件とＭＭファイバー
におけるモード結合が制御できないから、ＭＭ光ファイ
バーにおける増幅実験では、形態上の分散のために好ま
しくないパルスの広大が起こり、回折限界にない出力と
なる。

【０００７】最近、Ｇｒｉｅｂｎｅｒらは、“Ｅｆｆｉ
ｃｉｅｎｔｌａｓｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｗｉｔ
ｈｎｅａｒｌｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ｌｉｍｉ
ｔｅｄｏｕｔｐｕｔｆｒｏｍａｄｉｏｄｅ−ｐ
ｕｍｐｅｄｈｅａｖｉｌｙＮｄ−ｄｏｐｅｄｍｕｌ
ｔｉｍｏｄｅｆｉｂｅｒ，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔ
ｅｒｓ，Ｖｏｌ．２１，ｐｐ．２６６−２６８（１９
９６）の論文で、ファイバー長さを１５ｍｍより短く
保ち、光ファイバーの基本モードに対するフィードバッ
ク量を最大に選んだとき、近似的に回折が制限された出
力ビームをＭＭファイバー・レーザーから得ることがで
きると述べている。しかし、用いるＭＭファイバーには
数万のモードがあるから、この手法では厳密なモード結
合を達成することが一つの問題である。また、モード選
択を選択するとき、ＭＭファイバーの端面とレーザー鏡
との間の空隙も問題である考えられる。かくして、形態
的な識別ができなくなり、その結果ビームの質が劣るこ
とになる。

【０００８】ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉらの米国特許第５，
１８７，７５９号には、ファイバーコアの中心近くの何
らかの活性イオンを選択的に励起するか、閉じ込めるか
することにより、ＭＭファイバー中の増幅された自然発
光（ＡＳＥ；ａｍｐｌｉｆｉｅｄｓｐｏｎｔａｎｅｏ
ｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎ）を減少させることができるこ
とが示されている。ＭＭ光ファイバーにおける低次モー
ドの重畳は、ファイバーコアの中心近くの活性イオンに
関して最も大きいので、何らかのＡＳＥはＭＭファイバ
ーの低次モードで著しく発生する。結果として、ＡＳＥ
は高次モードでは発生しないから、ＡＳＥの発生量はＭ
Ｍファイバーでは大きく減少する。しかし、ＤｉＧｉｏ
ｖａｎｎｉの記述では、ドーパントの閉じ込めはＡＳＥ
の減少に関してのみである。ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉは、
モード散乱が存在する場合、ドーパントの閉じ込めによ
りＳＭ励起下にあるＭＭファイバーの基本モードのビー
ム品質を高めることができることについては述べてはい
ない。また、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉのシステムでは、ド
ーパントの閉じ込めにより誘起される利得ガイドによっ
て、ＭＭファイバーにおける基本モードを効果的に導く
ことができるということを考慮していない。これはさら
にＳＭの動作のみならず、ＭＭファイバーに於いてもＡ
ＳＥを減少させることになる。

【０００９】実際、ＤｉＧｉｏｖａｎｎｉらのシステム
は、回折限界にない出力ビームのＭＭ信号源と考えられ
るので、実用的ではない。さらにドープされたファイバ
ーに対してはクラッドは単層と考えられる。このことは
光ファイバーに高出力半導体レーザーを結合することを
試みるときには不利になる。ＭＭファイバーに高出力半
導体レーザーを結合するためには、先に述べたＭａｕｒ
ｅｒの特許に示唆されているように、二重クラッド構造
が有利である。

【００１０】発明者らの知る限りでは、利得ガイドが光
ファイバーに使われたことはない。一方、利得ガイドは
従来の半導体または固体レーザーではよく知られてい
る。例えば、Ｈａｒｔｅｒらの論文”Ａｌｅｘａｎｄｒ
ｉｔｅ−ｌａｓｅｒ−ｐｕｍｐｅｄＣｒ３＋：Ｌｉ
ＳｒＡｌＦ６”，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖ
ｏｌ．１７，ｐｐ．１５１２−１５１４（１９９２）を
参照されたい。事実ＳＭファイバーにおいては、導波路
構造によって基本波のモードが著しく制限されるために
利得ガイドは不適切である。しかしＭＭ光ファイバーに
おいては、導波路構造による基本波モードの制限は緩
く、利得ガイドを装着することができる。ＭＭファイバ
ーのコアの大きさが大きくなるにつれて、ファイバー中
の光の伝播は、近似的に自由空間の伝播に近づく。かく
して、モード結合を十分小さくできるので、利得ガイド
には著しい効果が期待される。

【００１１】高いパルス・エネルギーが得られることの
ほかに、ＭＭ光ファイバー増幅器は、ＭＭファイバー増
幅器に比してファイバー断面積が大きいので、非常に大
きいピーク強度のパルスを増幅することにも使える。Ｆ
ｅｒｍａｎｎらが、米国特許出願第０８／７８９，９９
５号（１９９７年１月２８日出願）で述べているよう
に、ドープされていないＭＭファイバーとＭＭ増幅ファ
イバーとは、パルスの圧縮にも使う事ができる。しか
し、この仕事はスペクトルのプロファイルを奇麗にする
（これはシステムの全体の効率を制限することになる）
非線型スペクトル・フィルターと組み合わせて、ソリト
ン・ラマン圧縮器として用いることに限定されている。

【００１２】Ｋａｆｋａらの米国特許第４，９１３，５
２０号で明らかにされたように、ＳＭファイバーでパル
スを圧縮することと比較して、ファイバーのモードの大
きさが大きいため、ＭＭファイバーではより大きなパル
スエネルギーが得られる。特に２．５より大きいＶ値
と、コアとクラッドと間の比較的大きい指数の回折（す
なわち、Δｎ＞０．３％）とが、効果は大きい。”Ｇｅ
ｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ−ｅｎｅｒｇｙ１０
−ｆｓｐｕｌｓｅｓｂｙａｎｅｗｐｕｌｓｅ
ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”，Ｃ
ｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＬａｓｅｒａｎｄＥｌ
ｅｃｔｒｏ．−Ｏｐｔｉｃｓ，ＣＬＥＯ９１，Ｐａ
ｐｅｒＣｔｕＲ５，ＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔ
ｙｏｆＡｍｅｒｉｃａＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇ
ｅｓｔＳｅｒｉｅｓ，＃９，ｐｐ．１８９−１９０
（１９９６）の論文で、Ｍ．Ｎｉｓｏｌｉらは、中空コ
ア・ファイバーは基本波モードのモードの大きさを大き
くできるので、パルス圧縮に中空コア・ファイバーが使
えると述べている。しかし、中空コア・ファイバーは本
質的に透過損失があるので、気体を封入する必要があ
り、透過損失を最小にするには真直に保つことが必要で
ある。このために、これらを実用に供することは難し
い。

【００１３】Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓらの米国特許第
５，４９９，１３４号で明らかにされているように、高
強度パルスを得る代替法として、チャープ・ファイバー
・ブラッグ格子を伴うチャープ・パルス増幅器が用いら
れる。この技術の限界の一つは、圧縮格子において限定
されたコア面積を持つＳＭファイバーが用いられている
ことである。大きなパルスエネルギーは、パルス圧縮の
ための、縮小されたモード結合を有するＭＭファイバー
にチャープ・ファイバー・ブラッグ格子を用いることで
ある。事実、最近、Ｓｔｒａｓｓｅｒらは、”Ｒｅｆｌ
ｅｃｔｉｖｅ−ｍｏｄｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｗｉ
ｔｈＵＶ−ｉｎｄｕｃｅｄｐｈａｓｅｇｒａｔｉ
ｎｇｓｉｎｔｗｏ−ｍｏｄｅｆｉｂｅｒ”，Ｏ
ｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ
ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＯｐｔｉｃａｌＦｉｂ
ｅｒＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ＯＦＣ９７，ｐ
ｐ．３４８−３４９，（１９９７）の論文の中で、チャ
ープされていないファイバー・ブラッグ格子を二重モー
ドファイバーで示している。これらの格子はモード変換
器（すなわち基本モードと高次モードを結合する）とし
て使うことが出来るようにブレーズされている。パルス
圧縮器としてブラッグ格子を使うためには、反射光中の
高次モードの励起を最小にする必要があり、格子はブレ
ーズされていてはならない。

【００１４】ＳＭ信号はＭＭファイバー構造に結合で
き、数メートルで１００秒の伝播長さとして保存される
ことはよく知られている。例えば、Ｇａｍｂｌｉｎｇら
の論文”Ｐｕｌｓｅｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎｆｏｒ
Ｓｉｎｇｌｅ−ＭｏｄｅＯｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ
ＭｕｌｔｉｍｏｄｅＣｌａｄｄｅｄＯｐｔｉｃａｌ
Ｆｉｂｅｒｓ”，ＥｌｅｃｔｒｏｎＬｅｔｔ．，
Ｖｏｌ．１０，ｐｐ．１４８−１４９，（１９７４）
と、”Ｍｏｄｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉ
ｃｉｅｎｔｉｎｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ”，
ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．１４，ｐ
ｐ．１５３８−１５４２，（１９７５）とを参照された
い。しかし、Ｇａｍｂｌｉｎｇらは、液体コアのファイ
バーにおいてのみモード結合は低水準であることを見出
した。一方、ＭＭ固体コアファイバー中のモード結合は
厳しいことが見出されており、ｍｍ台の長さのファイバ
ーの中でのみ基本モードの伝播ができる。Ｇｒｉｅｂｎ
ｅｒらの業績のように、Ｇａｍｂｌｉｎｇらは、１０，
０００またはそれ以上のモードを維持できるＭＭ固体コ
ア光ファイバーを使った。

【００１５】関連した仕事で、Ｇｌｏｇｅは、“Ｏｐｔ
ｉｃａｌＰｏｗｅｒＦｌｏｗｉｎＭｕｌｔｉｍｏ
ｄｅＦｉｂｅｒ，ＴｈｅＢｅｌｌＳｙｓｔｅｍ
ＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ，Ｖｏｌ．５
１，ｐｐ．１７６７−１７８３，（１９７２）の論文
で７００モードを維持できるＭＭファイバーの利用につ
いて報告している。この論文ではモード結合は十分短縮
されており、長さ１０ｃｍのファイバー上のＳＭ伝播が
可能である。

【００１６】しかし、Ｇｌｏｇｅは長い波長（１．５５
μｍ）でＭＭファイバーを動作させること、および全モ
ード数を７００以下に縮小することにより、モード結合
を縮小できることについては述べていない。また、この
論文では増幅器としてＭＭファイバーを使うこと、ＭＭ
ファイバーの非線形性を使うことについては考慮されて
はいない。

【００１７】発明者らは、ＳＭ信号を増幅するためにＭ
Ｍファイバーを使う先行技術（出力は主として基本モー
ドに留まっている）については注目していない。その第
一の理由は、ＭＭファイバーにおける増幅が光電話回線
の領域のような長距離の信号伝播には不適合であること
である。発明者らはまた、多重モード・ファイバーにお
けるパルスの圧縮に関する先行技術（出力が基本モード
に留まっている）にも関心がない。

【００１８】上述の文献、特許および特許出願は、参考
文献として本明細書中で参照されている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、好ま
しくない非線形性と利得飽和とが始まる前に、光ファイ
バー増幅器にエネルギーを蓄積する能力を大きくし、単
一モード（ＳＭ）ファイバーで達成できるより大きいピ
ーク強度およびパルスエネルギーを発生させることであ
る。

【００２０】本発明の他の目的は、増幅された自然発光
（ＡＳＥ）を減少させるときに、多重モード（ＭＭ）フ
ァイバーの中で基本モードの増幅をすることである。本
発明の更なる目的は、基本モードの安定性を改善するた
めＭＭファイバーに利得ガイドを用いることである。そ
れに加えて、本発明の目的は、回折限界に近い出力を保
持しながら、ピーク強度が大きいパルスを数ピコ秒から
フェムト秒の範囲に圧縮することである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では光学増幅装置に多重モード光ファイバ
ーを用いる。本発明に従えば、ＭＭ光ファイバー、すな
わち約２．５より大きいＶ値を持ったファイバーは基本
モードの出力を出すことが出来る。このことにより、好
ましからざる非線形性と利得飽和を修正する前に、ＳＭ
ファイバーより大きいピーク強度とパルス・エネルギー
を発生することが出来る。ファイバーの断面積を増すこ
とは、光ファイバー増幅器におけるエネルギー蓄積能力
を非常に大きくすることと等しい。本発明の増幅システ
ムは超高速で高強度のパルスの発生源が必要な場合に役
に立つものである。

【００２２】本発明の一つの視点に立てば、利得媒質は
ＭＭファイバーの中心にあるから、基本モードが選択的
に増幅され、自然発光が減少する。さらに利得を制限す
ることにより、利得ガイドによって大きな断面積を持つ
ファイバー中の基本モードを安定にする。本発明の一つ
の実施例によれば、自己位相変調と、（希土類を）ドー
プした、またはドープしないＭＭファイバーにおける非
線形性とを利用することにより、近似的な回折制限出力
を保存しつつ、大きいピーク強度のパルスを数ヘムト秒
の範囲まで圧縮することが出来る。

【００２３】本発明の他の実施例によれば、縮小された
モード結合を持ったＭＭ光ファイバーにチャープ・ファ
イバー格子を書き込むことにより、高強度光パルスの線
形パルス圧縮に対する強度限界は著しく大きくなる。さ
らに二重クラッドＭＭファイバー増幅器を利用すること
により、比較的大面積の高出力半導体レーザーでポンピ
ングすることが可能になる。

【００２４】本発明の更なる他の実施例によれば、完全
なモードフィルターを組み込むことにより、（希土類
を）ドープしたＭＭ光ファイバーから得られる、回折限
界に近い単一モードの中の連続波を消すことが出来る。
本発明の更なる他の実施例によれば、ＭＭ光ファイバー
はファイバー光再生増幅器と高出力のＱスイッチレーザ
ーを構成することができる。さらに、ＭＭ光ファイバー
を用いて、比較的弱い吸収断面積を持つドーパントを使
ったクラッド−ポンプファイバー・レーザーを設計する
ことができる。

【００２５】本発明のこれらの目的および実施態様、ま
たは他の目的および実施態様は、次に詳細に示す好まし
い実施例と関連する図面から明らかになるだろう。

【００２６】

【発明の実施の形態】本発明の光学増幅装置の実施の形
態については、当業者に実施可能な理解が得られるよ
う、以下の実施例で明確かつ十分に説明する。［実施例１］図１に、本発明の実施例１としての光学増
幅装置の構成を示す。図１に示される例では、エルビュ
ウム・ファイバー発振器のようなフェムト秒単一モード
（ＳＭ）ファイバー発振器１０は、エルビウム／イッテ
ルビウム・ファイバー増幅器のような多重モード（Ｍ
Ｍ）ファイバー発振器１２に結合されている。これに適
合するＭＭファイバー増幅器の他の例には、Ｅｒ，Ｙ
ｂ，Ｎｄ，Ｔｍ，ＰｒまたはＨｏイオンをドープされた
ものが含まれる。このシステムに利用するのに適合する
発振器は、上に述べたＦｅｒｍａｎｎらの米国特許出願
第０８／７８９，９９５号に記載されている。

【００２７】二つのレンズを持つ望遠鏡１４（Ｌ１，Ｌ
２）は、発振器１０のモードをＭＭ増幅器１２の基本モ
ードに合わせるために使われる。更に、ポンプされたＭ
Ｍファイバー１２の出力は、レンズＬ３，Ｌ４を使っ
て、第二のＳＭファイバー（図１におけるモード・フィ
ルター（ＭＦ）ファイバー１６）に移される。レンズＬ
３，Ｌ５およびビーム分離器１８は、以下に述べるよう
に、ポンプ源２０から発生するポンプ光を増幅器ファイ
バーに結合するために使われる。

【００２８】図１にしたがったシステムの配置の例で
は、その発振器１０は出力レベル１４ｍＷ、波長１．５
６μｍ繰り返し周波数１００ＭＨｚで、３００フェムト
秒の近似的にバンド幅が限定されたパルスを射出する。
増幅ファイバー１２は、例えば、コア直径約２８μｍ、
コアの開口数ＮＡ＝０．１９の二重クラッドＭＭエルビ
ウム／イッテルビウム増幅器であり得る。この例での内
側クラッドは直径約２２０μｍで開口数ＮＡ＝０．２４
である。そのコアは内部クラッドの中心に位置する。増
幅器の長さは１．１０ｍである。

【００２９】ＭＭ増幅器１２における伝播モード数を増
やし、テストをする目的で、７８０ｎｍと６３３ｎｍの
短い波長を使った。ここで、７８０ｎｍで動作するフェ
ムト秒レーザー光源と６３３ｎｍの連続波レーザー光源
とは、ＭＭ増幅ファイバー１２にレーザー光を射出する
ことができる。これら二つの波長でＳＭ動作を確実にす
るために、このＭＦファイバー１６はコア直径４μｍの
ファイバーで置き換えることができる。

【００３０】ＭＭ増幅器におけるモードの大約の数Ｎ
は、次の数１に示すように、そのＶ値から計算できる。

【００３１】

【数１】Ｖ＝（２πａ／λ）ＮＡ，モード数Ｎ＝
（１／２）Ｖ² ここで、ａはコア直径であり、λは信号の波長である。
また、１．５５μｍにおけるＶ値はＶ≒１０．８であ
り、かくして上の例では、モード数は約５８と計算され
る。典型的には、Ｖ値が２．４１を超えるとき、すなわ
ち基本モードに付加するモードが光ファイバー中を伝播
できるとき、ファイバーはＭＭであると考えられる。

【００３２】Ｎモードを保証するＭＭファイバーのＮモ
ードと等価な励起に対して、ＳＭファイバーへの最大の
結合効率ηは、近似的に次の数２で与えられる。

【００３３】

【数２】 η≒（θ₀／θｍａｘ）²≒１／Ｎここで、θ₀≒λ／４ａは、ＭＭファイバーの基本波モ
ードの１／２発散角（発散角の半頂角）である。一方、
θｍａｘは、ＭＭファイバー出力の最も外側のモードの
１／２最大発散角である。ＭＭファイバーからの出力
は、線形に偏光している。このことは、ファイバーにお
ける最低次のモードの励起にのみ当てはまる仮定であ
る。ＭＭファイバーをＳＭ励起し、モード結合がない場
合、θｍａｘ（Ｚ）＝θ₀はファイバー長さと関係がな
い。しかし、モード結合が存在するときにθｍａｘは増
加する。その結果として、ＭＭファイバーの出力からＳ
Ｍファイバーへの結合効率ηは、η（ｚ）＝（θ₀／θ
ｍａｘ（ｚ））²と共に減少する。なお、先に述べたＧ
ｌｏｇｅの業績では、η（ｚ）は次のように書くことが
できる。

【００３４】

【数３】 η（ｚ）＝θ₀ ²／（４Ｄｚ＋θ₀ ²）ここで、ＤはＧｌｏｇｅによって定義されたモード結合
係数である。かくしてη（ｚ）を測定すれば、モード結
合係数Ｄが求まる。同様にηを測定すれば、上記数２か
らＭＭファイバーの励起モードの近似的な数が求まる。
回折限界に近い光ビームの質を特徴づけるために使われ
るＭ²値に対して、Ｎを関係づけることが役に立つ。す
なわち、Ｎ≒√Ｍ²であることが示される。

【００３５】本発明にしたがえば、ＭＭファイバー増幅
器１２の出力である増幅されたビームが本質的に基本モ
ードであるような、低レベルのモード結合が好ましい。
したがって、１０以下のＭ²値が好ましく、４以下であ
ればさらに好ましく、２以下であればもっと好ましい。
更に、モード数は３〜３０００の範囲にあることが好ま
しく、３〜１０００の範囲にあればなお好ましい。

【００３６】モード結合は、上記エルビウム／イッテル
ビウム・ファイバー（表１中のファイバー１）と三つの
市販ＭＭファイバー（表１中のファイバー２，３，４）
に対して、１．１ｍのドープされていない増幅ファイバ
ーで測定された。これらのファイバーのファイバー・パ
ラメーターとモード結合係数Ｄ（ｍ^-1の単位）は、次の
表１に示されている。表１中のファイバー１，３，４
は、ＭＣＶＤ法で作られたものである。一方、表１中の
ファイバー２は、ロッド・イン・チューブ法で作られた
ものである。

【００３７】

【表１】

【００３８】逆に、結合係数からＭ²値の予測値を計算
できる。例えば、計算されたＭ²値は、１ｍのＭＭファ
イバー１２を伝播した後の値を示す。ファイバー１に対
して、計算値と分離して測定されたＭ²値はよく一致し
た。基本モードのＬＰ₀₁と次の高次モードのＬＰ₁₁との
間のビート長さＬ_bは、表１に示してある。ビート長さ
Ｌ_bは、伝播方向に沿って二つのモードについて２πの
差分位相シフトが重畳する長さと定義される。固定した
波長に対し、一定の散乱パワースペクトラムを仮定すれ
ば、ＤはＬ_b ⁴に比例することを示すことができる。例え
ば、Ｄ．Ｍａｒｃｕｓｅ，”ＴｈｅＴｈｅｏｒｙｏ
ｆＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＯｐｔｉｃａｌＷａｖｅ
ｇｕｉｄｅｓ”，ｐ．２３８，ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒ
ｅｓｓ（１９７４），Ｇｌｏｇｅを参照されたい。ビー
ト長さが長ければ、密接したモードの位相は一致し、よ
り大きいパワーが長さの関数として付随する。Ｇｌｏｇ
ｅによって明らかにされたように、モード結合は隣接し
たモード間で最も大きいと期待できるので、モード結合
を避けるためにできるだけ短いＬＰ₀₁／ＬＰ₁₁ビート長
さを使うことが好ましい。

【００３９】一般的に、高レベルのモード結合は、大き
な散乱損失を持つファイバーから得られると期待され
る。このことから、小さい散乱損失を持つファイバー中
の長い波長においては、モード結合係数は小さいことが
予測される。表１から解るように、ファイバー１の波長
が大きくなると、モード結合は著しく減少する。モード
結合の受容できるレベルは、ファイバー１においては、
７９０ｎｍ程度に短い波長で達成される。光ファイバー
のモード数はａ／λにのみに依存するので、５６μｍほ
どの大きさのコア直径を持ったファイバーと同様なファ
イバーによって、１ｍ長さにおけるモード結合を実現で
きる。より長い波長における散乱を減少させるために、
より長い波長ではより大きなコア直径がよい。例えば、
Ｔａｖｅｒｎｅｒらによれば、コア直径６０μｍのＭＭ
ファイバーはＳＭ増幅器よりも１６倍にパルスピーク強
度を増幅することができる。表１から解るように、また
次に説明することにより、モード結合の許容できるレベ
ルは特別に設計された５０μｍのコア直径を持つファイ
バーで得られる。

【００４０】さらに、勾配指数（グレーデッド・インデ
ックス）ＭＭファイバー中の伝播定数はよく似ており、
モード結合への感度が著しく増加するので、モード結合
を最小にするためには、段階指数（ステップ・インデッ
クス）ＭＭファイバーの方が勾配指数を持つＭＭファイ
バーより実用的である。モード結合を最小にするために
は、ファイバー・モード間の伝播定数の差を最大にする
ことが好ましい。

【００４１】上記表１中のファイバー２は、ロッド・イ
ン・チューブ法で製作されたものであって、本質的に散
乱損失が大きく、ＭＣＶＤ成長法による上記表１中のフ
ァイバー１，３，４に比べて、より大きなモード結合係
数を持っている。また、ファイバー２で測定されたモー
ド結合係数は、ＧａｍｂｌｉｎｇらやＧｒｉｅｂｎｅｒ
らによって得られた結果と同じである。彼らはロッド・
イン・チューブ法で作られた段階指数をもつ固体コアフ
ァイバーを用いている。その結果、直接成長技術、例え
ばＭＣＶＤ、ＯＶＤ、ＰＣＶＤまたはＶＡＤなどのファ
イバー製作技術によるＭＭファイバーを用いた場合は、
モード結合の縮小が期待できる。

【００４２】上記表１に示すように、１．５５μｍにお
いてファイバー４で得られたモード結合係数は、ファイ
バー３のそれの１／１１である。この差は、ファイバー
３の外径が１２５μｍであるのに対し、ファイバー４の
外径が２５０μｍであることで説明がつく。表１で明ら
かなように、一般に厚いファイバーは硬く、モード結合
を誘発する曲りや微少曲りに対して強い。

【００４３】発明者が行った実験では、最も小さいモー
ド結合係数は縦方向に延ばされた光ファイバーによって
得られる。例えば、ファイバー２，３のモード散乱係数
は、ファイバーを引っ張り真直に保持して測定された。
短い長さのファイバーに張力を加えることは、もっとも
良い質のモードを得るのに利用できる。モード結合は、
再び図１に示すように、増幅ファイバー（ファイバー
１）がポンプされるような配置で測定した。増幅器は９
８０ｎｍの波長で、ブロード・ストライプの半導体レー
ザー（活性領域：１×５００μｍ）から出射する３Ｗ以
上の信号に対して反対方向にポンプされた。ここでは、
ＭＭ増幅ファイバーの内部コアへのパワー結合を最大に
するために脱磁をした。見かけのフィードバックを除く
ために、増幅器を約８°傾けて固定した。１．５５μｍ
で、１００ｍＷ以上の信号出力を増幅システムから取り
出した。

【００４４】ＭＦファイバー１６に対するＭＭ増幅ファ
イバー１２の結合効率を、ＭＭ増幅ファイバー１２の曲
率の関数として図２に示す。真直なＭＭ増幅ファイバー
と１０ｃｍの曲率を持ったＭＭ増幅ファイバーについて
は、ＭＦファイバー１６に対しての結合効率は９４％以
上であるという結果が得られた。そしてモード結合は、
ＭＭ増幅ファイバー１２ではほぼ完全に消失し、ＳＭは
ＳＭファイバー中の数ｍを伝播することができることを
示した。５ｃｍの曲率でもモード結合は認められず、こ
の場合でもＭＭ増幅ファイバー１２からＭＦファイバー
１６への結合効率は約９０％である。

【００４５】測定されたＭＭファイバー１２からＳＭフ
ァイバーへの結合効率は、ポンプされない場合とポンプ
された場合とではほぼ同じであるので、このような特殊
な増幅ファイバーでは利得ガイドは比較的弱いことが明
らかである。このような観測結果は単純な計算機モデル
によっても得られた（以下を参照）。しかし、ＭＭ増幅
ファイバーコアの中心にドーパントが局在していると、
基本モードが著しく増幅される。高次モードへ散乱する
いずれの光も利得が低下し、基本モードと高次モードと
の強度的重畳を縮小するために、より高次のモードにお
ける散乱光のレベルを低くすれば、基本モードの利得は
飽和しない。かくして、上記の実験例では、モード散乱
係数は非常に小さかったので利得ガイドによる効果は、
簡単には観測されなかった。一般に、本発明によるＭＭ
増幅システムでは、利得ガイドが一つの役割を果たす。
さらに、上記の計算機モデルでよれば、コア直径の大き
いＭＭファイバーには基本モードの利得ガイドが存在
し、そして、あるいは、コアとクラッド間の屈折率の違
いが縮小することが予測される。

【００４６】モード直径が増加すると、信号が小さい、
すなわち利得飽和がないという条件で、ＳＭの大きさは
利得プロファイルで決定できる。このことはモードの大
きさが長さに依存することを意味する。小信号下で、モ
ードは利得ガイドによって限定される。利得が飽和する
と、ＭＭファイバーのコアによって限定され、利得ガイ
ドはより関係なくなり、モードの大きさを大きく出来
る。ファイバーの長さに沿って先細になった（テーパー
した）コアを用いることにより、長さに依存したモード
の大きさが実現できる。このことは、例えばファイバー
の長さ方向に沿ってファイバーの外径を先細りにするこ
とにより実現できる。

【００４７】利得ガイドが存在すると、ＭＭファイバー
は本質的にＳＭになり、増幅された自発光（ＡＳＥ）は
減少する。利得ガイドが存在すると、ＡＳＥはＭＭファ
イバーのすべての可能なモードよりも、むしろ基本モー
ドに誘導され、ＭＭファイバーの雑音の性質が改善され
る。同様に、実験例では、ドーパントを制限すると、フ
ァイバーにおいて増幅された自発光（ＡＳＥ）レベルは
著しく減少することが観測された。このことはＭＭファ
イバー１２からＭＦファイバー１６へのＡＳＥの結合効
率を測定することにより証明できた。１ｍＷのＡＳＥの
強度レベルに対して、結合効率は１５％と高い測定値が
得られた。上記数２と比較すると、ＡＳＥは主として１
３次数低いモードで発生する（このうち半分は分極が減
少したためと考えられる）。すなわち、ＡＳＥは、増幅
ファイバーの全モード体積の約２０％で起きる。ＡＳＥ
が大きく減少することが観測され、これによって増幅器
における雑音レベルが下がり、またＡＳＥのレベルを低
くすることにより、増幅器を飽和するのに要求される信
号強度も減少する。発振増幅器の信号パルス源から最も
大きいエネルギーを引き出すためには、一般的に、増幅
器は飽和状態で動作するのが良い。

【００４８】小さな機械的揺動をファイバーに加えて
も、１．５５μｍと７８０ｎｍにおけるＭＭファイバー
１２からＭＦファイバー１６に対する結合効率は変わら
ないことが解った。実際の光学システムにおいて、加え
られた機械的揺動は５ｃｍの曲率により加えられる揺動
に比べて小さいものである。このことは、このようなフ
ァイバーにおいて、モード伝播パターンの長時間安定性
が実現できることを示している。

【００４９】ＭＭファイバー１２では、１０ｃｍ程度の
小さい曲率半径に対しても分極が保存されている。高度
な分極を保持するために、このようなファイバーには楕
円ファイバー・コアあるいは熱応力が利用される。最適
のモード結合と最適条件から外れたモード結合とで、そ
れぞれ測定されたＭＭ増幅ファイバー１２（曲率半径１
０ｃｍ）からの増幅されたパルスの自己相関を、それぞ
れ図３および図４に示す。最適条件から外れたモード結
合での自己相関には、種々の伝播定数をもつ高次モード
の励起のため、いくつかのピークが現れる。しかし、最
適モード結合の条件下では、いずれの二次ピークも１％
以下に抑えられている。このことは、ＭＭファイバーか
らの出るパルスは高品質であることを示している。

【００５０】一般的に、ＭＭファイバーの出力端で測定
されたパルスのスペクトラムは自己相関よりも極端に結
合条件に依存する。この理由はスペクトル測定が基本モ
ードと高次モードとの間の位相に敏感であることにあ
る。すなわち、ＭＭファイバーの出力に１％の高次モー
ドのエネルギーを含むとスペクトラム形状は１０％揺動
する。

【００５１】［実施例２］本発明の実施例２としての光
学増幅装置は、図５のブロック図に示すように、多重モ
ード増幅システムである。このシステムには、回折限界
に近い入力ビーム、モード変換器５０およびＭＭファイ
バー増幅器５２が含まれている。回折限界に近いビーム
は任意のレーザシステムから得る事が出来る。これはフ
ァイバー・レーザーである必要はない。回折限界に近い
ビームは、連続波またはパルス状輻射を含むことが出来
る。モード変換器５０は、ＭＭ増幅器５２のモードを整
合することが出来る任意の光学的イメージングシステム
から成っている。例えば、レンズ・システムを用いるこ
とも出来るだろう。

【００５２】逆に、先細りファイバーの先端の出力に置
けるモードがＭＭ増幅ファイバー５２のモードと一致す
るような先細りファイバーの切片を利用することも出来
る。この場合、非常に小型にするために、モード変換器
は直接ＭＭファイバー５２に接続する事が出来る。ＭＭ
ファイバーに対するポンピング配列は、信号方向または
側面ポンピングと逆方向または同方向にすることができ
る。同様にポンプ光のＮＡは、最小のＡＳＥに縮小でき
る。この場合、ポンプ光が直接ファイバー・コアに導か
れるよう、単層クラッド・ファイバーを使うとさらに有
利である。一般的に、ＭＭファイバーには、単一、二
重、多重のクラッドが採用されている。

【００５３】同方向ポンピングの場合、ポンプ光と信号
光とは、二色性のビーム分離器（図示せず）に入射す
る。結合光学系は、ポンプ・ビームと信号ビームとの結
合を同時に最適にするために最適化される。ＭＭファイ
バー５２を通った信号の単一と二重の光路には便益性が
ある。二重光路の場合、ファラデー回転鏡によりシステ
ムの分極移動を除く事が出来る。勿論、二重光路構成で
は増幅器を最初に通ったあと、出力が回折限界に近いこ
とを確実にするため、信号と高次モードとの結合を避け
ねばならない。

【００５４】随時、線形または非線形の光学素子をシス
テムの出力端に使う事が出来る。このようなシステム
は、従来のレーザー・システムと接続して使われるいず
れの応用例とも互換性がある。非線形を応用する多くの
場合、十分の動作をさせるためには大きなピーク・パル
スの出力が必要である。このことは、クラッドされたポ
ンプＳＭファイバー増幅器で実現する事は難しい。なぜ
なら、通常このようなシステムでは、１／１０ｍオーダ
ーのファイバーが使われているからである。標準的なＳ
Ｍ光増幅器においても、１ｋＷ／（増幅器の長さ）以上
のピーク強度は希にしか実現されない。逆に、約１５ｋ
Ｗのピーク強度が、非線形効果がない状態で、１．５ｍ
長さの二重クラッドＥｒ／Ｙｂファイバー（上記表１の
ファイバー１）で得られる。すなわち、２０ｋＷ／（増
幅器長さ）以上のピーク強度を実現できる。

【００５５】本発明に従えば、ＭＭ増幅器を利用するこ
とは、大きなコア直径を利用できるということのために
便利である。すなわち、ＭＭ増幅器を利用することによ
り、（クラッディング）／（ドープ・コア直径）の比を
小さく出来る。そしてこのことにより増幅器の長さと非
線形性とを最小にすることができる。しかしこのことは
ＡＳＥノイズを更に発生させることになる。

【００５６】［実施例３］本発明の実施例３としての光
学増幅装置は、図６のブロック図に示すように、多重モ
ード・ファイバー増幅システムである。実施例３のシス
テムおいては、増幅器の出力パルスを圧縮するため拡張
されたスペクトルが得られるように、高出力光パルスを
ドープされない（あるいは増幅する）ＭＭファイバー中
を伝播（または増幅）させることが出来る。非線形パル
ス圧縮を応用するため、正の（ソリトンを保持しない）
あるいは負の（ソリトンを保持する）分散が利用され
る。かなりの量の自己位相変調を得るため、多重モード
ファイバー６０における強度レベルは上げられる。光フ
ァイバーにおける分散と自己位相変調が、光パルスのス
ペクトラムを広げ、パルス圧縮をするために用いられ
る。

【００５７】ＭＭファイバー６０がソリトンを保持する
とき、高次のソリトンを圧縮することは、ＭＭファイバ
ー６０から、直接、短いパルスを得るために使われる。
一般に正の分散の場合（ソリトンを保持しない）、スペ
クトル的に広がった光パルスを圧縮するために、付加的
な線形あるいは非線形な圧縮されたパルス成分を使わな
ければならない。この場合、従来の線形パルス圧縮器６
２（プリズム、格子、グリスムあるいはＳＭチャープ・
ファイバー・ブラッグ格子のような）は、光学増幅装置
の出力端で使われる。チャープし周期的な極性を持った
二重結晶が、圧縮され周波数が二倍になったパルスを得
るために使われる。同様にチャープ・ファイバー格子
は、このような構造が線形パルス圧縮器６２に適用され
たとき、その非線形性を縮小するために、縮小されたモ
ード結合をもつＭＭ光ファイバー６０に書き込まれる。
反射の高次モードの励起を除くためには、ブラッグ格子
はブレーズされていてはならない。

【００５８】［実施例４］図７は、本発明の実施例４と
しての光学増幅装置の構成を模式的に示したものであ
る。図７に示すように、モード・ファイバー７０は、シ
ステム（光学増幅装置）の回折限界の出力を確実にする
ために、空洞鏡Ｍ１，Ｍ２の一つの前に挿入されてい
る。モード・フィルター７０は、適切にモード整合され
た光学系とつながった標準的なＳＭファイバーから成っ
ている。替わりに、先細りファイバーをモード整合のた
めに（上記の検討のように）使う事が出来る。最適のモ
ード整合のために、レーザーの効率は全てのＳＭレーザ
ーと略同程度である。しかし、ＭＭ増幅器７６を使えば
設計の余裕度が増す。異なったコア・クラッディング比
を持った二重クラッドのエルビウム／イッテルビウム・
ファイバーを、何処にでも適当に利用する事が出来る。

【００５９】［実施例５］本発明の実施例５としての光
学増幅装置では、図８に示すように、ＭＭファイバーを
使うことにより、小さい吸収断面積の二重クラッド・フ
ァイバーを設計する事が出来る。例えば、二重クラッド
Ｅｒドープ増幅ファイバーはＭＭファイバーから構成す
ることが出来る。ＳＭファイバーを遮光している間に、
大面積のダイオード・レーザーからのポンプ光を吸収す
るためには、大きなクラッディング／コア比を用いなけ
ればならないので、典型的なＥｒドープ二重クラッド・
ファイバーは、比較的効果が薄い。通常、このような設
計では、クラッディングの直径がΦｃｌ＝１００μｍ、
コアの直径がΦｃｏ＝１０μｍになる。この構造での有
効な吸収量は単一モードＥｒドープ・ファイバーの吸収
量の１００分の１（＝Φｃｌ／Φｃｏ）²である。しか
し、ＭＭＥｒドープ・ファイバーを装備する事により、
コアの大きさを著しく大きくでき、クラッディング／コ
アの比は小さくなり、増幅器長さもより短くなる。この
ことは高出力レーザーを設計するには非常に有益であ
る。

【００６０】勿論、高出力Ｅｒ二重クラッドレーザーを
設計するために、クラッディングの直径を１００μｍよ
り大きくすることができる。ドープされたＭＭファイバ
ー・コアとドープされないファイバー・クラッディング
とを用いたファイバー断面の概念図は、図８に示す通り
である。図８に示すように、ドーパント・プロファイル
により明らかなように、活性ドーパントは断面に閉じ込
められている。これは屈折率プロファイルにより定義さ
れるように、ファイバー・コアより本質的に小さい。勿
論、このようなレーザー・システムにおいて、ドーパン
トの局在は増幅器長を長くするので、ドーパントの局在
はあまりない方が有益である。

【００６１】［実施例６］本発明の実施例６としての光
学増幅装置では、図９に示すように、ファイバー再生増
幅器はＭＭファイバー増幅器９０から構成されている。
再生増幅器は、ＭＭファイバー増幅器からｍＪのエネル
ギーを得るのに利用できる。ＭＭファイバー増幅器の限
られた利得のために、ｍＪのエネルギーを引き出すには
増幅器を通る幾つかの経路が必要である。このことは再
生増幅器を使うことにより容易になる。図９に示すよう
に、高速な光学スイッチ（ＯＳ）９２は再生増幅器の入
力パルス、出力パルスの切り替えに使われる。モード・
フィルター９４は、ファイバー・モードを“清浄”にす
るために、増幅過程に抱合させる事が出来る。モード・
フィルター９４は再生増幅器におけるいずれの非線形性
も最小にするための空間フィルターから構成できる。

【００６２】種パルスは、要求される繰り返し率を持っ
た光学スイッチ９２によって動作する発振器９６から選
択できる。ファラデー回転子９８および偏向ビーム分別
器９９は、システムからの増幅されたパルス出力と種パ
ルスとを結合するために用いられる。増幅器の連続波か
パルス状のポンピングかが利用できる。［実施例７］本発明の実施例７としての光学増幅装置で
は、図１０に示すように、ＭＭ−Ｑスイッチのあるファ
イバー・レーザー源が構成されている。ＭＭファイバー
を有する事により大きな断面積が可能になるので、単一
モード・ファイバーに比較してエネルギー蓄積量が増加
する。この結果、高強度のＱスイッチされたパルスを直
接このようなシステムから発生させる事が出来る。通
常、これらのパルスの持続時間はナノ秒範囲にある。図
１０に示すように、最適なモードの質を保証するために
モード・フィルター１００を用いる事が出来る。光学ス
イッチ１０２は、出力の結合のために用いられ、これは
また、二つの鏡Ｍ１，Ｍ２とＭＭファイバー１０４とに
よって限定される空洞の損失（Ｑ）を変調するためにも
役に立つ。半透過鏡Ｍ２は出力を引き出す事にも使うこ
とが出来る。

【００６３】［実施例８］本発明の実施例８としての光
学増幅装置では、図１１に示すように、ＭＭ増幅ファイ
バー１１２を十分に飽和させ、ＭＭ増幅ファイバー１１
２におけるＡＳＥのレベルを減少させるために、ＭＭ増
幅ファイバー１１２の前方に前置増幅器１１０が組み込
まれている。前置増幅器は、ＳＭともＭＭともすること
ができ、ＡＳＥの成長を最小にするためには、前置増幅
ファイバー１１０のコア直径を最終のＭＭ増幅ファイバ
ー・コアの直径より小さく選ぶことが有用である。一つ
のアイソレータ（図示せず）をレーザー源と前置増幅器
との間に挿入することができ、ＡＳＥを更に減少させる
ために、他のアイソレーターを前置増幅器１１０と最終
のＭＭ増幅ファイバー１１２の間に挿入することができ
る。同様にＡＳＥを減少させるため、狭いバンドの光フ
ィルター（図示せず）をシステムの任意のところに挿入
することができる。また、ＡＳＥの総量を減少させるた
めに、光学スイッチ（図示せず）をレーザー源と前置増
幅器１１０および最終増幅器１１２の間に用いることが
できる。

【００６４】一つ以上の前置増幅器をこのシステムに使
うことができる。ここでは、システムで発生するＡＳＥ
の総量を最小にするために、アイソレーターと光フィル
ターと光学スイッチを使うことができる。さらに、前置
増幅器と最終ＭＭ増幅器とにおける非線形過程をパルス
圧縮のために使うことができる。［実施例９］本発明の実施例９としての光学増幅装置で
は、図１２に示すように、増幅された出力ビームの周波
数を変換するために、ＭＭ増幅ファイバー１２２の下流
に周波数変換器１２０が置かれている。周波数変換器と
しては、出力ビームの周波数を２倍にする周期的なある
いは非周期的な極性を持つＬｉＮｂＯ₃結晶のような非
線形結晶を使うことができる。

【００６５】［付記］以上、幾つかの実施例を図示しこ
れについて説明をしたが、当業者によれば、本発明の思
想および視点を離れずにこれらの技術の修正や変形が可
能であることが認識できる。そして、本明細書の冒頭に
ある請求範囲によって発明を定義することにしたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施例１としての光学増幅装
置である多重モードファイバー増幅システムの模式図で
ある。

【図２】図２は、多重モード増幅ファイバーをモード・
フィルター・ファイバーに結合するときの効率を、多重
モード増幅ファイバーの曲率の関数として示すグラフで
ある。

【図３】図３は、最適のモード結合条件下で測定した多
重モード増幅ファイバーから得られる増幅されたパルス
の自己相関を示したグラフである。

【図４】図４は、最適条件ではないモード結合条件下で
測定した多重モード増幅ファイバーから得られる増幅さ
れたパルスの自己相関を示したグラフである。

【図５】図５は、本発明の実施例２としての光学増幅装
置である多重モードファイバー増幅システムのブロック
図である。

【図６】図６は、本発明の実施例３としての光学増幅装
置である多重モードファイバー増幅システムのブロック
図である。ここではパルス圧縮器が多重モードファイバ
ーの出力端に配置されている。

【図７】図７は、本発明の実施例４としての光学増幅装
置である多重モードファイバー増幅システムの構成を示
す模式図である。

【図８】図８は、本発明の実施例５としての光学増幅装
置に採用されている、ドープした多重モード・ファイバ
ー・コアとドープされないファイバー・クラッドとを用
いたファイバー断面の概念を示した模式図である。

【図９】図９は、本発明の実施例６としての光学増幅装
置である多重モード・ファイバー増幅システムの構成を
示す模式図である。ここでのファイバー再生増幅器は多
重モードファイバー増幅器から構成されている。

【図１０】図１０は、本発明の実施例７としての光学増
幅装置である多重モード・ファイバー増幅システムの構
成を示す模式図である。ここではＭＭ−Ｑスイッチ・フ
ァイバー・レーザーが構成されている。

【図１１】図１１は、本発明の実施例８としての光学増
幅装置である多重モード・ファイバー増幅器システムの
構成を示すブロック図である。ここでは多重モードファ
イバーの前に前置増幅器が挿入されている。

【図１２】図１２は、本発明の実施例９としての光学増
幅装置である多重モード・ファイバー増幅器システムの
構成を示すブロック図である。ここでは多重モードファ
イバーの出力側に周波数変換器が配置されている。

【符号の説明】

１０：単一モード（ＳＭ）ファイバー発振器１２：多重モード（ＭＭ）ファイバー発振器、ＭＭ増幅
ファイバー１４：望遠鏡（テレスコープ）１６：モード・フィルター（ＭＦ）ファイバー１８：ビーム分離器（ビーム・スプリッター）２０：ポンプ源５０：モード変換器５２：ＭＭファイバー増幅器６０：多重モードファイバー６２：線形パルス圧縮
機７０：モード・フィルター７６：ＭＭ増幅器９０：ＭＭファイバー増幅器９２：光学スイッチ
（ＯＳ）９４：モード・フィルター９４：空間フィルター９６：発振器９８：ファラデー回転子９９：偏光ビームスプリッター１００：モード・フィルター１０２：光学スイッチ１０４：ＭＭファイバー１１０：前置増幅器、前置増幅ファイバー１１２：
ＭＭ増幅ファイバー１２０：周波数変換器１２２：ＭＭ増幅ファイバーＬ１〜Ｌ５：レンズＭ１，Ｍ２：空洞鏡（キャビテ
ィー・ミラー）Ｍ１：二色鏡（ダイクロイックミラー）Ｍ２：半透
過鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回折限界に近いモードを持つ入力ビ−ムを
発生させるレーザー源と、多重モード・ファイバー増幅器と、該入力ビームを受け、該多重モード・ファイバー増幅器
の基本モードに整合するように該入力ビームのモードを
変換し、該多重モードファイバー増幅器に入力するモー
ド変換された入力ビームを作り出すモード変換器と、該多重モード・ファイバー増幅器に結合され、該多重モ
ード・ファイバー増幅器を光学的にポンピングして本質
的に基本モードでの増幅されたビームを生成するポンプ
源と、を有することを特徴とする光学増幅装置。
【請求項２】前記基本モードが利得ガイドにより実質的
に誘導される、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項３】前記基本モードから任意の高次モードへの
内部モードの散乱が、該基本モードの利得ガイドにより
実質的に低減される、請求項２記載の光学増幅装置。
【請求項４】前記利得ガイドの実質的な結果として、前
記多重モード・ファイバー増幅器の前記基本モードの大
きさが、ファイバー長さに沿って変化する、請求項２記載の光学増幅装置。
【請求項５】前記多重モード・ファイバー増幅器は、フ
ァイバー・コアをもち、ドーパントが全ファイバー・コ
ア領域より小さい中心部の断面に局在している、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項６】前記多重モード・ファイバー増幅器は、フ
ァイバー・コアをもち、ドーパントが全ファイバー・コ
ア領域より小さい中心部の断面に局在し、高次モードへ
のモード結合が利得ガイドにより低減されている、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項７】前記基本モードの利得は、前記多重モード
ファイバー増幅器に存在するいずれの他のモードの利得
より本質的に大きい、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項８】前記多重モード・ファイバーの長さに沿っ
て、ファイバー直径が変化し、該変化に伴って該多重モ
ード・ファイバー増幅器の前記基本モードの大きさが変
化する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項９】前記多重モード・ファイバーの長さに沿っ
て、コアまたはドープされたコアの直径が変化し、該変
化に伴い該多重モード・ファイバー増幅器の前記基本モ
ードの大きさが変化する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項１０】前記多重モード・ファイバー増幅器は、
希土類イオンをドープされている、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項１１】前記多重モード・ファイバー増幅器は、
Ｅｒ，Ｅｒ／Ｙｂ，Ｙｂ，Ｎｄ，Ｔｍ，ＰｒまたはＨｏ
のイオンのうち少なくとも一つによってドープされてい
る、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項１２】前記多重モード・ファイバー増幅器は、
二重クラッディング構造を持つ、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項１３】前記多重モード・ファイバー増幅器は、
偏光保存性をもつ、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項１４】前記増幅されたビームは、前記多重モー
ド・ファイバー増幅器を少なくとも２回通過するもの。
【請求項１５】前記モード変換された入力ビームは、光
パルスからなり、該光パルスのスペクトルは、前記多重モードファイバー
増幅器内の非線形効果により拡げられる、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項１６】前記モード変換された入力ビームは、光
パルスからなり、前記多重モードファイバー増幅器からの光パルス出力を
圧縮する圧縮器をさらに有する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項１７】前記モード変換器は、バルク光学イメー
ジング・システムをもつ、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項１８】前記モード変換器は、テーパーした単一
モード・ファイバーをもつ、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項１９】前記モード変換器は、バルク光学イメー
ジング・システムとテーパーしたファイバーとの組み合
わせを有する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項２０】前記増幅されたビームを軸に沿って反射
してレーザーキャビティーを形成する反射器と、該レーザーキャビティーから出力される増幅されたビー
ムの反射されたエネルギーを結合する結合手段とをさら
に有する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項２１】前記反射器は、鏡、ファイバー・ブラッ
グ格子およびバルク格子のうち少なくとも一つをもつ、請求項２０記載の光学増幅装置。
【請求項２２】前記レーザーキャビティー内に置かれ、
該レーザーキャビティーのＱスイッチングを可能にする
光学スイッチをさらに有する、請求項２０記載の光学増幅装置。
【請求項２３】前記レーザーキャビティー内に置かれ、
該レーザーキャビティーの再生増幅器としての作動を可
能にする光学スイッチをさらに有する、請求項２０記載の光学増幅装置。
【請求項２４】前記増幅されたビームを受けてモードフ
ィルターされたビームとするモード・フィルターをさら
に有する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項２５】前記モード・フィルターは、単一モード
・フィルターである、請求項２４記載の光学増幅装置。
【請求項２６】前記モード・フィルターは、空間フィル
ターである、請求項２４記載の光学増幅装置。
【請求項２７】前記多重モード・ファイバー増幅器内の
伝播モード数は、３ないし３０００である、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項２８】前記多重モード・ファイバー増幅器内の
伝播モード数は、３ないし１０００である、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項２９】前記増幅されたビームの波長は、１．１
００μｍより長い、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項３０】前記多重モード・ファイバーは、直線に
沿って置かれて長さ方向に張力がかけられている、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項３１】前記多重モード・ファイバーは、ステッ
プ状に変化する屈折率プロファイルを持つ、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項３２】前記多重モード・ファイバー増幅器は、
ＭＣＶＤ、ＯＶＤ、ＶＡＤおよびＰＣＶＤの製法技術の
うち一つによって作られている、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項３３】前記多重モード・ファイバー増幅器にお
ける伝播モード数が４より大きく、ファイバー・ブラッ
グ格子が該多重モード・ファイバー増幅器に書き込まれ
ている、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項３４】前記多重モード・ファイバー増幅器に
は、チャープ・ファイバー・ブラッグ格子が書き込まれ
ている、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項３５】前記レーザー源は、単一モード・ファイ
バー発振器をもつ、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項３６】前記レーザー源と前記多重モード・ファ
イバー増幅器との間に、少なくとも一つの前置増幅器が
挿入されている、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項３７】前記前置増幅器のうち少なくとも一つ
は、第二の多重モード・ファイバー増幅器であり、前記多重モード・ファイバー増幅器に、単一モード光が
入力される、請求項３６記載の光学増幅装置。
【請求項３８】前記前置増幅器のうち少なくとも一つ
は、単一モード増幅ファイバーである、請求項３６記載の光学増幅装置。
【請求項３９】前記多重モード・ファイバー増幅器は、
１ｋＷ以上のピーク強度を持つパルスを発生する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項４０】前記多重モード・ファイバー増幅器は、
該増幅器の単位長さ当たり１ｋＷより大きいピーク強度
を発生する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項４１】前記多重モード・ファイバー増幅器内で
１０ｎｓｅｃより短い幅の光パルスが増幅される、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項４２】前記多重モード・ファイバー増幅器の下
流に配置され、前記増幅されたビームを周波数変換する
非線形光学素子をさらに有する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項４３】前記多重モード・ファイバー増幅器の下
流に配置され、前記増幅されたビームの周波数を二倍に
する該非線形結晶をさらに有する、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項４４】前記非線形結晶は、周期的に極性を持つ
ＬｉＮｂＯ₃（ＰＰＬ）結晶である、請求項４３記載の光学増幅装置。
【請求項４５】前記非線形結晶は、非周期的な極性をも
つＬｉＮｂＯ₃（ＡＰＬ）結晶である、請求項４３記載の光学増幅装置。
【請求項４６】前記多重モード・ファイバー増幅器のＭ
²値は、１０より小さい、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項４７】前記多重モード・ファイバー増幅器のＭ
²値は、４より小さい、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項４８】前記多重モード・ファイバー増幅器のＭ
²値は、２より小さい、請求項１記載の光学増幅装置。
【請求項４９】前記多重モード・ファイバー増幅器は、
１２５μｍより大きい外径のクラッディングをもつ、請求項１記載の光学増幅装置。