JP2005294570A - 光ファイバ増幅装置、第二次高調波発生装置、光生成方法及び第二次高調波発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 大出力の、第二次高調発生用の基本波に適した光を簡単にかつ高効率で得る。
【解決手段】 それぞれネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加された第１の光ファイバ１０１と第２の光ファイバ１０５で、光ファイバ増幅器１０２と共振器１０６を構成し、励起光源１１３からの励起光１１５を一方の光ファイバに励起光として入射すると共に、ネオジムイオンに吸収されなかった励起光を他方の光ファイバの励起光として入射してそれぞれ波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの光を生成させる。共振器によって発振動作を行わせ、その発振経路中に、挟帯域化素子を介在させ、それによって生成された挟帯域光を光ファイバ増幅器で増幅させて出力する。
また、光ファイバ増幅器の出力を、非線型素子を通すことによって、第二次高調波光を生成させるように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コア部に所定のイオンが添加された光ファイバを用いた光ファイバ増幅装置と、この光ファイバ増幅装置を用いた第二次高調波発生装置に関し、特に励起光として光ファイバに入射される光を有効に活用することができるようにすると共に、所望の光を第二次高調波として効率よく生成させることができる第二次高調波発生方法に関する。

光ファイバ増幅器は、光をそのまま増幅して高パワーで出力することが可能であり、信号の伝送はもとより、光源を用いる電子機器の光源としても広く利用されてきている。

光ファイバ増幅器では、例えばコア部に希土類イオンを添加した光ファイバに所定波長の励起光を入射し、希土類イオンを励起させてそのエネルギー準位を遷移させ、それが下位準位に緩和する際に所定波長の光を生成するという現象を利用している。

図１０は、その原理を説明するための図であり、光ファイバとしてコア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、励起光として波長８１０ｎｍの光をそのコア部に入射した際の状況を示している。

すなわち、Ｎｄ３＋は、８１０ｎｍを吸収して基底準位4Ｉ9/2から、4Ｆ5/2へ遷移し、すぐに4Ｆ3/2へ非発光緩和し、その後基底準位4Ｉ9/2へ緩和する際に、波長９２０ｎｍ付近の光を発する。増幅（あるいは後述する発振）はこの遷移を利用するものであるが、いわゆる擬似三準位（quasi-three-level）と呼ばれる状態であり、基底準位4Ｉ9/2の分布密度が高ければ発光した波長９２０ｎｍ付近の光が再吸収されて損失となってしまう。そのため、波長９２０ｎｍ付近を増幅（あるいは発振）させるには、基底準位4Ｉ9/2の分布密度を極力低くする必要がある。

すなわち、光ファイバに多くの励起光を入射して、励起光密度を高めることで、多くのＮｄ３＋を基底準位から励起させれば、それによって基底準位4Ｉ9/2の分布密度を低下させることが可能である。

Ｎｄ３＋が添加された光ファイバをその端面からに励起する場合、励起光はＮｄ３+に吸収されて指数関数的に減少する。ことのきファイバ長が長いと末端の方は、励起光密度が充分でなく、波長９２０ｎｍ付近の光に対する損失が増加していく。

そこで光ファイバ増幅器を構成する光ファイバのファイバ長は、励起が充分に実行される長さに設定されることになる。そのため、一部の励起光は、Ｎｄ３＋に吸収されることなく、そのまま光ファイバを通過して外部に出力されるようになる。

このように従来、光ファイバ増幅器においては、励起光の全てが活用されされることはなく、一部がそのまま利用されずに出力され、結果として破棄されてしまっており、効率という点で改善の余地があった。

光ファイバ増幅器としては、従来から多くの提案がなされている（例えば特許文献１，２）が、光ファイバに入射される励起光の活用されない部分を有効活用しようとする提案はなされていない。

さらにまた、光ファイバを用いて、近赤外光を基本波として、その第二次高調波としての可視光を生成する提案も従来なされている（例えば特許文献３）が、効率という点で必ずしも充分でなく、さらなる改善を施した提案の実現が要望されている。
特表２０００−５０３４７６号公報 特開平５−１０７５７３号公報 特開２００３−２５８３４１号公報

以上のように、従来、光ファイバ増幅器においては、励起光として入射された光のうち、添加イオンに吸収されずにそのまま出力される部分を有効活用しようとする提案がなされておらず、改善の余地があった。さらに光ファイバを用いた第二次高調波発生装置も、効率の点で必ずしも満足できるものがなく、高効率の装置の実現が要望されていた。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、光ファイバ増幅器と光ファイバで構成される共振器とを光学的に結合し、いずれかの光ファイバに励起光を入射して、吸収されなかった励起光を、他方の光ファイバに励起光として入射し、共振器で共振により生成された光を光ファイバ増幅器に導入して増幅させるように構成して励起光を有効活用できるようにした光ファイバ増幅器及び、この光ファイバ増幅器で増幅されて出力される光を非線型素子で異なる波長の光に変換して出力するように構成した第二次高調波発生装置を提供することを目的とする。

本発明の光ファイバ増幅装置は、コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの第１の光を出力する第１の光ファイバを有した光ファイバ増幅器と、コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで前記第１の光と同等の波長でかつ第１の光より狭帯域の第２の光を共振により生成する共振器として構成される第２の光ファイバを有した共振器と、励起光源と、前記光ファイバ増幅器と前記共振器を光学的に結合すると共に、前記励起光源からの励起光を前記第１の光ファイバまたは第２の光ファイバのいずれかに入射し、当該入射した励起光のうち前記ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）で吸収されなかった励起光を他方の光ファイバへ前記励起光として入射し、さらに前記共振器で生成された前記第２の光を前記第１の光ファイバに入射させる光学手段と、を具備したことを特徴とする。

また本発明の第二次高調波発生装置は、コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの第１の光を出力する第１の光ファイバを有した光ファイバ増幅器と、コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで前記第１の光と同等の波長でかつ第１の光より狭帯域の第２の光を共振により生成する共振器として構成される第２の光ファイバを有した共振器と、励起光源と、前記光ファイバ増幅手段と前記共振器を光学的に結合すると共に、前記励起光源からの励起光を前記第１の光ファイバまたは第２の光ファイバのいずれかに入射し、当該入射した励起光のうち前記ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）で吸収されなかった励起光を他方の光ファイバへ前記励起光として入射し、さらに前記共振手段で生成された前記第２の光を前記第１の光ファイバに入射させる第１の光学手段と、前記光ファイバ増幅器で増幅された前記第１の光を非線型素子を通過させることで、波長４６０ｎｍ±１０ｎｍの第３の光を生成して出力する第２の光学手段と、を具備したことを特徴とする。

また、本発明の光生成方法は、コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの第１の光を出力する第１の光ファイバを有した光ファイバ増幅器とコア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで前記第１の光と同等の波長でかつ狭帯域の第２の光を共振により生成する第２の光ファイバを有した共振器とを光学的に結合して、第１及び第２の光ファイバのいずれかの光ファイバに励起光を入射して励起させるステップと、前記励起光が入射された光ファイバで吸収されなかった励起光を他方の光ファイバに励起光として入射するステップと、前記共振器で生成された前記第２の光を前記光ファイバ増幅器で増幅して出力するステップと、を具備したことを特徴とする。

さらに、本発明の第二次高調波発生方法は、コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの第１の光を出力する第１の光ファイバを有した光ファイバ増幅器とコア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで前記第１の光と同等の波長でかつ狭帯域の第２の光を共振により生成する第２の光ファイバを有した共振器とを光学的に結合して、第１及び第２の光ファイバのいずれかの光ファイバに励起光を入射して励起させるステップと、前記励起光が入射された光ファイバで吸収されなかった励起光を他方の光ファイバに励起光として入射するステップと、前記共振器で生成された前記第２の光を前記光ファイバ増幅器で増幅して出力するステップと、光ファイバ増幅器から出力された光を非線型素子を通して、前記光ファイバ増幅器から出力された光の第二次高調波を得るステップと、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、光ファイバ増幅器あるいは共振器の光ファイバで吸収されなかった励起光を、他方の光ファイバに励起光として入射すると共に、共振器を、光ファイバの励起によって生成される光と同等の波長でかつ挟帯域の光を生成するように構成し、この共振器で生成される光を光ファイバ増幅器に導いて増幅させるように構成したので、励起光を有効に活用した高効率で大出力の得られる光ファイバ増幅装置を提供することができる。

さらに、光ファイバ増幅器で増幅された光を基本波とし、それを非線型素子を通すことによって第二次高調波を生成するように構成したので、所望の波長の光を簡単にかつ効率よく生成することができる第二次高調波発生装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の光ファイバ増幅装置の一実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の光ファイバ増幅装置１００を示す図である。図において、１０１は光ファイバ増幅器１０２を構成する第１の光ファイバであり、そのコア部には、ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加されている。

また、第１の光ファイバ１０１の両端には、それぞれ光学素子１０３，１０４が配設されている。光学素子１０３，１０４は通過する光の方向に応じて集光レンズあるいはコリメータレンズとして機能する。

また、１０５は共振器１０６を構成する第２の光ファイバであり、第１の光ファイバ１０１と同様にそのコア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加されている。また、第２の光ファイバ１０６の両端には、それぞれ誘電ミラー１０７，１０８が押し当てられて接続されている。

誘電ミラー１０７，１０８は、波長８１０ｎｍ付近及び１．０６μｍ付近の光を透過し、波長９２０ｎｍ付近の光を部分的に反射する機能を有する。さらに、誘電体ミラー１０７，１０８にそれぞれ近接して、光学素子１０９，１１０が配設されている。光学素子１０９，１１０もまた通過する光の方向に応じて集光レンズあるいはコリメータレンズとして機能する。

また、光学素子１０９は、第１の光ファイバ１０１の端部に配設された光学素子１０４と光学的に結合されており、光学素子１０４は、第１の光ファイバ１０１からの光をコリメートして光学素子１０９に導出し、また光学素子１０９は誘電体ミラー１０７からの光をコリメートして光学素子１０４に導出する。

また、誘電体ミラー１０８側の光学素子１１０に対向するように偏光プリズム１１１が配置され、さらに偏光プリズム１１１に対向して回折格子１１２が設けられている。回折格子１１２は、例えばリトロー配置されており、第２の光ファイバ１０５と共に、第２の光ファイバ１０５の反対側の誘電体ミラー１０７と波長９２０ｎｍ付近の光共振器１０６を形成する。また、偏光プリズム１１１は光共振器１０６の中にあって、直行する直線偏波のうち片方の直線偏波の損失を大きくする機能を有する。

さらに、励起光として波長８１０ｎｍ付近のレーザ光を発生する半導体レーザ光源１１３が設けられ、このレーザ光源１１３からの８１０ｎｍ付近のレーザ光は、フィルタ１１４で反射され、光学素子１０３に導出される。フィルタ１１４は、波長８１０ｎｍ付近と９２０ｎｍ付近を分離するフィルタであり、誘電体ミラーで構成され、波長８１０ｎｍ付近は反射させ、波長９２０ｎｍ付近はそのまま透過させる。

以上のように構成された光ファイバ増幅装置１００の動作を説明する。半導体レーザ光源１１３からの波長８１０ｎｍ付近のレーザ光１１５は、フィルタ１１４と光学素子１０３を介して第１の光ファイバ１０１のコア部に入射される。

第１の光ファイバ１０１は、そのコア部のネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が、入射される波長８１０ｎｍ付近の光を吸収して励起され、波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの光を生成する。その一方で、波長８１０ｎｍ付近の励起光１１５の一部が、ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）に吸収されずにそのまま第１の光ファイバ１０１から出射され、光学素子１０４，１０９及び誘電体ミラー１０７を介して第２の光ファイバ１０５のコア部に入射される。

第２の光ファイバ１０５は、そのコア部のネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が、入射された波長８１０ｎｍ付近の光１１５を吸収して励起し、波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの光を生成する。この光は誘電体ミラー１０８で反射され第２の光ファイバ１０５中を逆方向に伝播するため、第２の光ファイバ１０５中の励起光密度が上昇して充分な励起状態となる。

第２の光ファイバ１０５中で生成された波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの光は、その一部が誘電体ミラー１０８を透過し、光１１６として、光学素子１１０から偏光プリズム１１１を介して回折格子１１２に導出され、回折格子１１２で、折り返されれて光１１７として再び偏光プリズム１１１に導出される。偏光プリズム１１１から出射された光１１７は、光学素子１１０で集光されて誘電体ミラー１０８に導出され、この誘電体ミラー１０８を透過して第２の光ファイバ１０５に入射される。

第２の光ファイバ１０５に入射された光１１７は、そのコア部を通過して反対側の誘電体ミラー１０７で反射され、再び、誘電体ミラー１０８から光学素子１１０及び偏光プリズム１１１を介して回折格子１１２に到達し、ここで折り返されて、第２の光ファイバ１０５に入射される。以上のように、第２の光ファイバ１０５中で生成された波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの光は、誘電体ミラー１０７と回折格子１１２間で交互に反射される結果、共振器１０６としては発振動作をすることになる。

発振動作によって生成される光は、回折格子１１２によってＦＷＨＭ（Full Width Half Maximum）＜０．５ｎｍに挟帯域化され、さらに偏光プリズム１１１によって直線偏波となるように処理されており、それが光１１８として、誘電体ミラー１０７から出射され、光学素子１０９でコリメートされ、さらに光学素子１０４によって集光されて第１の光ファイバ１０１に入射される。

第１の光ファイバ１０１は、前述のように高い励起密度で励起されているため波長９２０ｎｍ付近の光に対しては高ゲインの増幅器として機能し、入射した光１１８は、ハイパワーの光に増幅されて、波長９２０ｎｍ付近の光１１９として第１の光ファイバ１０１から出射される。第１の光ファイバ１０１から出射した光１１９は、光学素子１０３でコリメートされ、フィルタ１１４を透過して出力される。

出力される光１１９は、挟帯域化されしかも直線偏波であるため、例えば第二次高調波（ＳＧＨ：Second Harmonic Generate）の基本波として利用するのに最適である。

以上説明した本発明の光ファイバ増幅装置によれば、光ファイバ増幅器で吸収しきれずに残った励起光を、共振器を構成する光ファイバの励起光として利用するようにしたので、励起光を無駄なく使うことができる。

さらに、共振器用光ファイバの両端に配設された一対の誘電体ミラーの外側に回折格子を配置し、光ファイバを挟んで誘電体ミラーと回折格子によって発振経路を構成するようにしたので、損失の原因となり得る回折格子のような挟帯域化素子を、小出力でも問題のない光発振系で用いることによって損失の影響を最小にすることが可能である。
以上のように、本発明の光ファイバ増幅装置によれば、大出力及び高効率なレーザ光を提供することができるものである。

なお、以上の説明では、第１及び第２の光ファイバ１０１，１０５の構造について詳しく述べていないが、光ファイバ１０１，１０５として、コア部の周りにコア部より屈折率の低い励起高伝播用のクラッドを設けたいわゆるダブルクラッド構造とするのが好ましい。それによれば、より高いレベルの励起光を入射することができるため、より高レベルの出力を得ることができるようになるものである。

図２は、第１及び第２の光ファイバ１０１，１０５をダブルクラッド構造とした例を示す図である。図に示すように、光ファイバ１０１，１０５は、その中央部にコア部２０１が設けられ、その外側に第１のクラッド２０２が形成され、さらにその外側に第２のクラッド２０３が形成されている。第１のクラッド２０２は、励起光を伝播する機能を有するものであり、光学素子によって集光された光のスポットの外側部分が入射されてこれをそのまま伝播して出力する。この目的のため、第１のクラッド２０２の屈折率は、コア部２０１の屈折率より低く設定され、さらに第２のクラッド２０３の屈折率よりは高くなるように設定されている。

このようなダブルクラッド構造の光ファイバを用いることで、励起光を伝播することが可能であるため、大出力の光を生成することができるが、特に第２の光ファイアバ１０５に適用する際に、そのコア部のカットオフ波長を発振により生成される波長９２０ｎｍ±２０ｎｍより短いものとすることで、共振器を簡単にシングルモードで発振させられるようになる。

さらに、第１及び第２の光ファイバ１０１，１０５は、偏波保持型のファイバであることが望ましい。すなわち、図３に示すように、コア部３０１が、断面楕円形状に形成されている。このような構成によって、コア部３０１の短軸方向に偏光を持つ光と長軸方向に偏光を持つ光とで、伝播速度が異なるため、偏波を保持できるようになる。このような光ファイバを用いることによって、不必要な直交成分の少ない、直線偏光を得ることができるものである。なお、図３においても光ファイバ１０１，１０５としてはダブルクラッド構造に形成されており、第１のクラッド３０２と第２のクラッド３０３を有する。

また、図１に示す実施の形態によれば、共振器１０６において生成される光を挟帯域化するために、回折格子１１２を用いているが、他の素子を用いて挟帯域化するようにしてもよいものである。

すなわち、回折格子の代わりに、例えば、エタロンを用いることも可能である。図４は、エタロンを用いた共振器１０６の実施の形態を示す図であり、図中図１と同一構成部分に同じ符号を付す。偏光プリズム１１１を通過した光１１６を受けるようにエタロン４０１が配置され、さらにエタロン４０１を通過した波長９２０ｎｍ付近の光１１７を全反射するミラー４０２が設けられている。

全反射ミラー４０２で反射された光１１７は、偏光プリズム１１１、光学素子１１０及び誘電体ミラー１０８を介して第２の光ファイバ１０５に入射され、反対側の誘電体ミラー１０７で反射されて、誘電体ミラー１０８、光学素子１１０及び偏光プリズム１１１を介して戻り、再び全反射ミラー４０２で反射される。以上の繰り返しによって発振動作が行なわれる。

この実施の形態においは、エタロン４０１の急峻なフィルタ特性により、ＦＷＨＭ＜０．５ｎｍの挟帯域な光を得ることができるものである。

また、さらに、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を用いても、同様に挟帯域の光を生成させることができる。図５は、その実施の形態を示す図であり、図１と同一構成部分に同一符号を付す。

図５においては、ＦＢＧを備えた光ファイバ５０１と、この光ファイバ５０１と偏光プリズム１１１の間に配設された光学素子５０２を備える。

偏光プリズム１１１を通過した光１１６は、光学素子５０２で集光され、ＦＢＧを備えた光ファイバ５０１に入射される。光ファイバ５０１は、ＦＢＧによって波長９２０ｎｍ付近の光のうち、ＦＷＨＭ＜０．５ｎｍを全反射する機能を有し、それによって波長９２０ｎｍの挟帯域な光１１７が光学素子５０２に導出され、ここでコリメートされて偏光プリズム１１１に出射され、光学素子１１０、誘電体ミラー１０８を介して第２の光ファイバ１０５に入射される。

入射された光１１７は誘電体ミラー１０７で反射されて戻り、結局、波長９２０ｎｍ付近でかつ挟帯域の光を生成する発振動作が行なわれるようになる。

さらに、発振により生成される光を挟帯域化する手段として、励起されていないネオジムイオン（Ｎｄ３＋）を添加した光ファイバを用いたものも適用できる。図６にその実施の形態を示す。図６において、図１と同一構成部分に同一符号を付す。図６の実施の形態では、ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加された光ファイバ６０１が設けられると共に、この光ファイバ６０１と偏光プリズム１１１の間に光学素子６０２が設けられ、さらに光ファイバ６０１の光学素子６０２とは反対側の端に波長９２０ｎｍ付近の光を全反射するミラー６０３が設けられている。

偏光プリズム１１１を通過した光１１６は、光学素子６０２で集光されて、光ファイバ６０１のコア部に入射され、そのままミラー６０３に到達して反射して戻り、光１１７として光学素子６０２、偏光プリズム１１１、光学素子１１０を介して第２の光ファイバ１０５に入射される。この実施の形態においても、誘電体ミラー１０７とミラー６０３間で光が反射を繰返す発振動作が行われることになる。

この実施の形態では、図１に示す第１の光ファイバ１０１で吸収されずに第２の光ファイバ１０５に入射された波長８１０ｎｍ付近の励起光は、第２の光ファイバ１０５のコア部のネオジムイオン（Ｎｄ３＋）を励起するが、誘電体ミラー１１０によって反射され、誘電体ミラー１１０から出射されることはない。したがって、光ファイバ６０１には励起光は入射されることなく、ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が励起されることはない。

共振器１０６が発振動作を起こすと、その内部で定在波が立つ。このとき、コア部に添加されたネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が励起されている第２の光ファイバ１０５においては、利得の空間ホールバーニングが生じ、この空間ホールバーニングを埋める多数の縦モードが立つことによって帯域が広がる。しかしながら、光ファイバ６０１では、添加されたイオンが励起されることがないために、内部で定在波による損失のホールバーニングが生じるため、その他の縦モードにとっては逆位相となって立ちにくくなる。その結果、光ファイバ６０１を通過して出射される光１１７は、挟帯域なものとなる。

以上のように、図４〜図６に示す実施の形態においては、共振器１０６の発振動作で生成される光の帯域を確実に挟帯域にすることが可能である。

なお、図１に示す実施の形態では、半導体レーザ光源１１３で生成される波長８１０ｎｍ付近の励起光１１５を、まず第１の光ファイバ１０１に入射し、第１の光ファイバ１０１で吸収されなかった励起光１１５を第２の光ファイバ１０５入射するように構成したが、先に第２の光ファイバ１０５に励起光１１５を入射させ、吸収し切れなかった分を、第１の光ファイバ１０１に入射するように構成することもできる。

図７は半導体レーザ光源１１３からの励起光を最初に第２の光ファイバ１０５に入射させるように構成した実施の形態を示すものである。図７において、図１と同一構成部分に同一符号を付す。図７に示す実施の形態においては、光学素子１１０と偏光プリズム１１１の間に、フィルタ１１４を配設し、半導体レーザ光源１１３から発生された波長８１０ｎｍの光１１５を、このフィルタ１１４で反射させて光学素子１１０、誘電体ミラー１０８を介して第２の光ファイバ１０５に入射するように構成している。

それによって、第２の光ファイバ１０５のコア部に添加されたネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が励起され、波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの光を生成するが、ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）で吸収し切れなかった励起光１１５は、誘電体ミラー１０７を透過して、光学素子１０９，１０４を介して第１の光ファイバ１０１に入射される。

それによって、コア部に添加されたネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が励起され、第１の光ファイバ１０１は、波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの光を生成する。

一方第２の光ファイバ１０５で生成された波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの光は、誘電体ミラー１０７で反射されて、第２の光ファイバ１０５内を通って、誘電体ミラー１０８に到達し、この誘電体ミラー１０８を透過して光１１６として光学素子１１０、偏光プリズム１１１を介して回折格子１１２に導出される。

回折格子１１２では、入射された光１１６を光１１７として返し、それが偏光プリズム１１１、光学素子１１０及び誘電体ミラー１０８を介して再び第２の光ファイバ１０５に入射される。

以上によって、共振器１０６が誘電体ミラー１０７と回折格子１１２間で光を発振する動作を起こすようになる。回折格子１１２は、図１で説明したように、発振によって生成される光を挟帯域化する機能を有し、偏光プリズム１１１は、所定の直線偏波を有する信号に変換する。

共振器１０６の発振動作で生成された、波長９２０ｎｍ±２０ｎｍで挟帯域かつ直線偏波の光１１８は誘電体ミラー１０７を透過して光学素子１０９及び１０４を介して第１の光ファイバ１０１に入射され、増幅されて、第１の光ファイバ１０１から光１１９として出射され、光学素子１０３でコリメートされて出力される。

この実施の形態によれば、第２の光ファイバ１０５に、大レベルの励起光を入射することができるので、共振器１０６の発振動作によって大レベルの光を生成することができるため、第１の光ファイバ１０１の増幅器としてのゲインをそれほど高くする必要がない。

この第７図に示す実施の形態においても、発振によって生成される光を挟帯域化するために、図４〜図６に示す実施の形態と同様に、エタロン、ＦＢＧを備えた光ファイバ、あるいはコア部にイオンが添加されて励起されていない光ファイバを用いた構成を採用することができるものである。

さらに、第１図及び第７図で示した実施の形態においては、光ファイバ増幅器を構成する第１の光ファイバと、共振器を構成する第２の光ファイバを光学素子１０４と１０９で結合するように構成したが、各光ファイバ１０１，１０５の端部を、間に誘電ミラー１０７と同等の特性を有するミラーを介在させて直設的に接続するように構成したもよいものである。

図８は、そのように構成した光ファイバ結合部を示す図であり、第１の光ファイバ１０１の端部、第２の光ファイバ１０５の端部のいずれかに、誘電体ミラー８０１を直接成膜し、さらに他方の光ファイバの端部をその誘電体ミラー８０１に押し当てて接続するように構成している。

この実施の形態においては、第１の光ファイバ１０１と第２の光ファイバ１０５が、直接的に結合されるために、互いに他方の光ファイバへの光の伝播を効率よく実行できるようになるものである。

なお、ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）を用いた光ファイバは、波長１．０６μｍに対して比較的大きな利得を示すようになることから、その波長で発振し易くなる。この波長１．０６μｍは上位準位が９２０ｎｍ付近の発振と同準位であるため、発振が生ずると効率低下を招く恐れがある。そこで増幅用の第１の光ファイバ１０１の端面を斜めにカットもしくは研磨することで、ファイバ内部から外部へ出射される光を、ファイバ端面において放射モードで出射させて発振を抑制するように構成することもできるものである。

以上説明したように、図１及び図７で示す光ファイバ増幅装置において、第１の光ファイバ１０１で増幅されて出力される光１１９は、挟帯域でかつ直線偏波であるため、第二次高調波を生成させるための基本波として最適なものとなっている。

図９は、図１に示す実施の形態で増幅されて出力された光１１９を基本波として、その第二次高調波を発生させる装置の一実施の形態を示す図である。図において、図１と同一構成部分に同一符号を付す。

図９において、フィルタ１１４を透過した第１の光ファイバ１０１からの光１１９を受けるように、光学素子９０１を介して非線型結晶９０２が配置され、さらに非線型結晶９０２を通過した光を受けるように、光学素子９０３を介してフィルタ９０４が配置されている。

非線型結晶９０２は、入射される波長９２０ｎｍ付近の光１１９を、その第二次高調波を含む光９０５に変換する機能を有するもので、例えば周期分極反転構造をした酸化マグネシウムを添加したリチウムナイオベート結晶（ＰＰＭｇＬＮ）等が適している。

光学素子９０１は、誘電体ミラー１１４を透過してくる光１１９を集光して非線型結晶９０２に入射させる機能を有し、光学素子９０３は、非線型結晶９０２から出射された光９０５をコリメートしてフィルタ９０４に導出する機能を有する。また、フィルタ９０４は、光学素子９０３を介して導出される光９０５から、第二次高調波９０６を分離する機能を有し、例えば誘電体ミラーで構成される。すなわち、基本波はそのまま透過し、第二次高調波を反射するものである。

非線型結晶９０２の作用によって、ここを通過する波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの光１１９は、波長４６０ｎｍ付近を含む光９０５となり、この光９０５は、フィルタ９０４によって、波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの基本波９０５と第二次高調波９０６に分離される。第二次高調波９０６は波長４６０ｎｍ付近のいわゆる青色レーザ光である。

図９に示す実施の形態によれば、第１の光ファイバ１０１から、大レベルに増幅された、波長９２０ｎｍ±２０ｎｍで挟帯域かつ直線偏波の光を受けるため、極めて効率よく、第二次高調波を生成して出力することができるようになるものである。

なお、図９に示す装置においても、光ファイバ１０１，１０５としては、図２，３に示す構成のものが適用でき、さらに光ファイバ１０１と１０５を結合する手段としても、図８に示すものを適用することが可能である。

以上説明したように、本発明によれば、増幅用の光ファイバと共振器用の光ファイバのいずれかに励起光源からの励起光を入射して励起させ、その光ファイバで吸収されなかった励起光で他方の光ファイバを励起させるように構成し、さらに共振器用の光ファイバによって構成される発振経路中に発振によって生成される光を挟帯域化させるための素子を介在させるように構成したので、励起光を無駄なく使うことができ、さらに挟帯域化素子の損失の影響を抑制することができるため、増幅用の光ファイバから高効率で大出力かつ挟帯域の、第二次高調波を発生させるための基本波に適した光を出射させることができるものである。

本発明に係る光ファイバ増幅装置の一実施の形態を示す図。 図１の装置に適用される光ファイバの一実施の形態を示す図。 図１の装置に適用される光ファイバの他の実施の形態を示す図。 図１の装置に適用される挟帯域化手段の他の実施の形態を示す図。 図１の装置に適用される挟帯域化手段のさらに他の実施の形態を示す図。 図１の装置に適用される挟帯域化手段のさらに他の実施の形態を示す図。 本発明に関わる光ファイバ増幅装置の他の実施の形態を示す図。 図１及び図７に示す装置において、光ファイバを光学的に結合する結合手段の他の実施の形態を示す図。 本発明に関わる第二次高調波発生装置を示す図。 光ファイバの励起による光生成の原理を説明するための図。

符号の説明

１００…光ファイバ増幅装置
１０１…第１の光ファイバ
１０２…光ファイバ増幅器
１０３，１０４…光学素子
１０５…第２の光ファイバ
１０６…共振器
１０７，１０８…誘電体ミラー
１０９，１１０…光学素子
１１１…偏光プリズム
１１２…回折格子
１１３…半導体レーザ光源
１１４…フィルタ
４０１…エタロン
５０１…ＦＢＧを備えた光ファイバ
６０１…励起されない光ファイバ
９０２…非線型結晶

Claims (6)

1. コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの第１の光を出力する第１の光ファイバを有した光ファイバ増幅器と、
   コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで前記第１の光と同等の波長でかつ第１の光より狭帯域の第２の光を共振により生成する共振器として構成される第２の光ファイバを有した共振器と、
   励起光源と、
   前記光ファイバ増幅器と前記共振器を光学的に結合すると共に、前記励起光源からの励起光を前記第１の光ファイバまたは第２の光ファイバのいずれかに入射し、当該入射した励起光のうち前記ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）で吸収されなかった励起光を他方の光ファイバへ前記励起光として入射し、さらに前記共振器で生成された前記第２の光を前記第１の光ファイバに入射させる光学手段と、
   を具備したことを特徴とする光ファイバ増幅装置。
2. 前記共振器は、共振経路内に挟帯域化素子を備えていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅装置。
3. コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの第１の光を出力する第１の光ファイバを有した光ファイバ増幅器と、
   コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで前記第１の光と同等の波長でかつ第１の光より狭帯域の第２の光を共振により生成する共振器として構成される第２の光ファイバを有した共振器と、
   励起光源と、
   前記光ファイバ増幅手段と前記共振器を光学的に結合すると共に、前記励起光源からの励起光を前記第１の光ファイバまたは第２の光ファイバのいずれかに入射し、当該入射した励起光のうち前記ネオジムイオン（Ｎｄ３＋）で吸収されなかった励起光を他方の光ファイバへ前記励起光として入射し、さらに前記共振手段で生成された前記第２の光を前記第１の光ファイバに入射させる第１の光学手段と、
   前記光ファイバ増幅器で増幅された前記第１の光を非線型素子を通過させることで、波長４６０ｎｍ±１０ｎｍの第３の光を生成して出力する第２の光学手段と、
   を具備したことを特徴とする第二次高調波発生装置。
4. 前記共振器は、共振経路内に挟帯域化素子を備えていることを特徴とする請求項３に記載の第二次高調波発生装置。
5. コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの第１の光を出力する第１の光ファイバを有した光ファイバ増幅器と、コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで前記第１の光と同等の波長でかつ狭帯域の第２の光を共振により生成する第２の光ファイバを有した共振器とを光学的に結合して、第１及び第２の光ファイバのいずれかの光ファイバに励起光を入射して励起させるステップと、
   前記励起光が入射された光ファイバで吸収されなかった励起光を他方の光ファイバに励起光として入射するステップと、
   前記共振器で生成された前記第２の光を前記光ファイバ増幅器で増幅して出力するステップと、
   を具備したことを特徴とする光生成方法。
6. コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで波長９２０ｎｍ±２０ｎｍの第１の光を出力する第１の光ファイバを有した光ファイバ増幅器と、コア部にネオジムイオン（Ｎｄ３＋）が添加され、当該コア部に励起光が入射されることで前記第１の光と同等の波長でかつ狭帯域の第２の光を共振により生成する第２の光ファイバを有した共振器とを光学的に結合して、第１及び第２の光ファイバのいずれかの光ファイバに励起光を入射して励起させるステップと、
   前記励起光が入射された光ファイバで吸収されなかった励起光を他方の光ファイバに励起光として入射するステップと、
   前記共振器で生成された前記第２の光を前記光ファイバ増幅器で増幅して出力するステップと、
   光ファイバ増幅器から出力された光を非線型素子を通して、前記光ファイバ増幅器から出力された光の第二次高調波を得るステップと、
   を具備したことを特徴とする第二次高調波生成方法。

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