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技術 光学繊維を用いた光増幅器

出願人 クヮンジュ・インスティテュート・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー
発明者 シンウジン
出願日 2014年5月30日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2016-516458
公開日 2016年7月11日 (3年1ヶ月経過) 公開番号 2016-520262
状態 特許登録済
技術分野 レーザ(2)
主要キーワード 高出力レーザーダイオード エルビウムレーザー ツリウムイオン nm波長帯域 光結合素子 レーザー技術 長波長帯域 ポンピング光源
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この項目の情報は公開日時点(2016年7月11日)のものです。
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図面 (6)

課題・解決手段

本発明は、複数の希土類元素が同時に添加された単一モード光学繊維;光学繊維の両端に具備されて光学繊維から励起された一定波長帯域の光を全反射する第1光学繊維格子及び第2光学繊維格子;光学繊維内の希土類イオンを励起させるポンピング光を生成するポンピング光源;及び光学繊維と連結されて光源から生成された光信号とポンピング光源から出力されたポンピング光とを光学繊維に伝達する光結合器を含む光学繊維を用いた光増幅器を提供し、複数の希土類元素が添加された光学繊維を用いた簡単な構成で効果的な光信号の増幅が可能である。

択図

図1】

概要

背景

最近、2μm帯域レーザー技術が多様な応用性の出現のため活発に研究されている。このうち、ツリウム添加光学繊維は、従来の光学繊維レーザーの優れた光学的特性と2μm帯域の光信号の発生が可能な特徴により現在活発に研究されている分野である。

ツリウム添加光学繊維を用いて光学繊維レーザーを製作する場合、希望する大きさの光信号を獲得するためにツリウム添加光学繊維を用いた多段の光学繊維増幅器が必要である。このようなツリウム添加光学繊維増幅器を具現するためには増幅媒質ポンプ光源が要求される。ツリウム添加光学繊維を用いて2μm帯域の光信号の発生及び増幅のためには800nm帯域のポンプ光源あるいは1560nm帯域のポンプ光源が使用される。

図1は、従来の2μm帯域の低出力光信号増幅のための構造を図示した図である。

図1においては、2μm帯域の入力光信号に対して単一モードツリウム添加光学繊維とエルビウム添加光学繊維を用いて光学繊維増幅器を具現した。

高出力増幅器の場合、800nm帯域の多重モード形態の高出力レーザーダイオードを使用して光学繊維クラッドポンピング方式の構造で具現が可能である。小さい大きさの信号を増幅する低出力増幅器の場合には、光学繊維コアポンピング方式を用いて具現すべきであるが、このための800nm帯域の高出力単一モードレーザダイオードと関連する光結合素子不在により具現が不可能である。

このような問題点を解決するために図1に図示したようにエルビウム添加光学繊維を用いた1560nm帯域のエルビウムレーザーと単一モードツリウム添加光学繊維を用いて低出力コアポンピング方式の光増幅器を具現している。

しかし、このような構造は、ポンピング光源のためにエルビウム添加光学繊維を用いなければならないため、構造が複雑であり、製作費用が多く要求されるという問題点がある。

概要

本発明は、複数の希土類元素が同時に添加された単一モード光学繊維;光学繊維の両端に具備されて光学繊維から励起された一定波長帯域の光を全反射する第1光学繊維格子及び第2光学繊維格子;光学繊維内の希土類イオンを励起させるポンピング光を生成するポンピング光源;及び光学繊維と連結されて光源から生成された光信号とポンピング光源から出力されたポンピング光とを光学繊維に伝達する光結合器を含む光学繊維を用いた光増幅器を提供し、複数の希土類元素が添加された光学繊維を用いた簡単な構成で効果的な光信号の増幅が可能である。

目的

本発明は前記のような問題点を解決するために、複数の希土類元素が同時に添加された光学繊維を用いて簡単な構造で光信号を増幅させることができる光学繊維を用いた光増幅器を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

複数の希土類元素が同時に添加された単一モード光学繊維;前記光学繊維の両端に具備されて一定波長帯域の光を全反射する第1光学繊維格子及び第2光学繊維格子;前記光学繊維内の希土類イオン励起(excitation)させるポンピング光を生成するポンピング光源;及び前記光学繊維と連結されて光源から生成された光信号と前記ポンピング光源から出力された前記ポンピング光とを前記光学繊維に伝達する光結合器を含む光学繊維を用いた光増幅器

請求項2

前記光学繊維は、エルビウム(erbium)及びツリウム(thulium)が同時にドーピング(doping)されたことを特徴とする、請求項1に記載の光学繊維を用いた光増幅器。

請求項3

前記光源から生成された光信号は、1800〜2100nm波長帯域であり、前記エルビウムとツリウムとのドーピング割合は、1:2〜1:10であることを特徴とする、請求項2に記載の光学繊維を用いた光増幅器。

請求項4

前記エルビウムのドーピング濃度は、1000ppmであり、前記ツリウムのドーピング濃度は、2000〜10000ppmであることを特徴とする、請求項3に記載の光学繊維を用いた光増幅器。

請求項5

前記光源から生成された光信号は、1800〜2100nm波長帯域であり、前記第1光学繊維格子及び前記第2光学繊維格子は、1550〜1610nm波長帯域で特定波長の光を全反射することを特徴とする、請求項2に記載の光学繊維を用いた光増幅器。

請求項6

前記光源から生成された光信号は、1800〜2100nm波長帯域であり、前記ポンピング光源は、970〜990nmまたは1470〜1490nm波長帯域のポンピング光を生成することを特徴とする、請求項2に記載の光学繊維を用いた光増幅器。

技術分野

0001

本発明は、光学繊維を用いた光増幅器に関する。さらに詳細には、本発明は、複数の希土類元素を同時に添加した光学繊維を用いた光増幅器に関する。

背景技術

0002

最近、2μm帯域レーザー技術が多様な応用性の出現のため活発に研究されている。このうち、ツリウム添加光学繊維は、従来の光学繊維レーザーの優れた光学的特性と2μm帯域の光信号の発生が可能な特徴により現在活発に研究されている分野である。

0003

ツリウム添加光学繊維を用いて光学繊維レーザーを製作する場合、希望する大きさの光信号を獲得するためにツリウム添加光学繊維を用いた多段の光学繊維増幅器が必要である。このようなツリウム添加光学繊維増幅器を具現するためには増幅媒質ポンプ光源が要求される。ツリウム添加光学繊維を用いて2μm帯域の光信号の発生及び増幅のためには800nm帯域のポンプ光源あるいは1560nm帯域のポンプ光源が使用される。

0004

図1は、従来の2μm帯域の低出力光信号増幅のための構造を図示した図である。

0005

図1においては、2μm帯域の入力光信号に対して単一モードツリウム添加光学繊維とエルビウム添加光学繊維を用いて光学繊維増幅器を具現した。

0006

高出力増幅器の場合、800nm帯域の多重モード形態の高出力レーザーダイオードを使用して光学繊維クラッドポンピング方式の構造で具現が可能である。小さい大きさの信号を増幅する低出力増幅器の場合には、光学繊維コアポンピング方式を用いて具現すべきであるが、このための800nm帯域の高出力単一モードレーザダイオードと関連する光結合素子不在により具現が不可能である。

0007

このような問題点を解決するために図1に図示したようにエルビウム添加光学繊維を用いた1560nm帯域のエルビウムレーザーと単一モードツリウム添加光学繊維を用いて低出力コアポンピング方式の光増幅器を具現している。

0008

しかし、このような構造は、ポンピング光源のためにエルビウム添加光学繊維を用いなければならないため、構造が複雑であり、製作費用が多く要求されるという問題点がある。

発明が解決しようとする課題

0009

本発明は前記のような問題点を解決するために、複数の希土類元素が同時に添加された光学繊維を用いて簡単な構造で光信号を増幅させることができる光学繊維を用いた光増幅器を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

前記目的を達成するための本発明は、複数の希土類元素が同時に添加された単一モード光学繊維;前記光学繊維の両端に具備されて一定波長帯域の光を全反射する第1光学繊維格子及び第2光学繊維格子;前記光学繊維内の希土類イオン励起(excitation)させるポンピング光を生成するポンピング光源;及び前記光学繊維と連結されて光源から生成された光信号と前記ポンピング光源から出力された前記ポンピング光を前記光学繊維に伝達する光結合器を含む光学繊維を用いた光増幅器を提供する。

0011

前記光学繊維は、エルビウム(erbium)及びツリウム(thulium)が同時にドーピング(doping)されることができる。

0012

前記光源から生成された光信号は、1800~2100nm波長帯域であり、前記エルビウムとツリウムのドーピングの割合は1:2〜1:10であり得る。

0013

前記エルビウムのドーピング濃度は1000ppmであり、前記ツリウムのドーピング濃度は2000〜10000ppmであり得る。

0014

前記光源から生成された光信号は1800〜2100nm波長帯域であり、前記第1光学繊維格子及び前記第2光学繊維格子は1550〜1610nm波長帯域で特定波長の光を全反射することができる。

0015

前記光源から生成された光信号は1800〜2100nm波長帯域であり、前記ポンピング光源は970〜990nmまたは1470〜1490nm波長帯域のポンピング光を生成することができる。

発明の効果

0016

本発明の光学繊維を用いた光増幅器によると、複数の希土類元素が添加された光学繊維を用いた簡単な構成で効果的な光信号の増幅が可能である。

0017

特に、2μm波長帯域の光信号を簡単で効果的に増幅させることができる効果がある。

図面の簡単な説明

0018

図1は、従来の2μm波長帯域の低出力光信号増幅のための構造を図示した図である。
図2は、本発明において提案するツリウムとエルビウムが添加された光学繊維を用いて具現した光増幅器を図示した図である。
図3は、ツリウムとエルビウムが同時に添加された光学繊維を用いて2μm波長帯域の光信号が増幅される原理を図示した図である。
図4は、エルビウムイオンの濃度が高い場合、エルビウム−ツリウム同時添加光学繊維の蛍光特性を示したグラフである。
図5は、ツリウムイオンの濃度が高い場合、エルビウム−ツリウム同時添加光学繊維の蛍光特性を示したグラフである。

実施例

0019

以下、本発明の好ましい実施例を添付された図面を参照して詳しく説明する。まず、各図面の構成要素に参照符号を付加することにおいて、同一な構成要素に対しては、たとえ、他の図面上に表示されていてもできる限り同一な符号を有するようにしていることに留意しなければならない。また、以下で本発明の好ましい実施例を説明するが、本発明の技術的思想はこれに限定されたり制限されず、当業者により変形されて多様に実施されることができることは勿論である。

0020

図2は、本発明において提案するツリウムとエルビウムが添加された光学繊維を用いて具現した光増幅器を図示した図である。

0021

本発明による光増幅器(20)は、光源(10)から出力された光信号の入力を受けて増幅して出力するものとして、光増幅器(20)の入力端には第1光アイソレータ(12)が具備され、光増幅器(20)の出力端には第2光アイソレータ(14)が具備されて光の進行方向を光源(10)から光増幅器(20)の方向に制限することができる。

0022

図2を参照すると、本発明の一実施例による光増幅器(20)は、ツリウムとエルビウムが同時に添加された単一モード光学繊維(22)と、前記光学繊維(22)の両端に具備された第1光学繊維格子(24)及び第2光学繊維格子(30)と、光を増幅させるためのポンピング光を生成するポンピング光源(26)と、ポンピング光源から出力されたポンピング光を光学繊維(22)に伝達するための光結合器(28)とを含む。

0023

光学繊維(22)は、複数の希土類元素が同時に添加される。増幅させようとする光信号の波長帯域により希土類元素の種類は変わってもよい。本実施例においては、2μm波長帯域の光信号を効果的に増幅させるためにツリウム(thulium)及びエルビウム(erbium)が同時にドーピング(doping)された光学繊維(22)を使用した。

0024

第1光学繊維格子(24)及び第2光学繊維格子(30)は、光学繊維ブラッグ格子(Bragg‘s grating)として設けられ、光学繊維(22)の両端に設けられて一定波長帯域の光を全反射する。本実施例において第1光学繊維格子(24)及び第2光学繊維格子(30)は、1560nm波長帯域の光を全反射して光学繊維(22)を間に置いて共振させる。

0025

ポンピング光源(26)は、光学繊維(22)内の希土類イオンを励起(excitation)させるポンピング光を生成する。本実施例において、ポンピング光源(26)は、980nm波長帯域のポンピング光を生成して光結合器(28)により光学繊維(22)に伝達することによって光学繊維(22)内のエルビウムイオンのエネルギー活性化させる。

0026

光結合器(28)は、光学繊維(22)と連結されて光源(10)から生成された光信号とポンピング光源(26)から出力されたポンピング光とを結合して光学繊維(22)に伝達する。

0027

このような構成を有する光増幅器(20)の作用に対して説明すると、次のようである。

0028

先に、図2に図示されたように、光源(10)から入力された2μm波長帯域の光信号をツリウムとエルビウムが同時に添加された単一モード光学繊維(22)に入射させる。光信号の進行方向は、第1光アイソレータ(12)及び第2光アイソレータ(14)により光源(10)から光増幅器(20)方向に制限される。

0029

光結合器(28)は、光源(10)から入力された2μm波長帯域の光信号とポンピング光源(26)から生成された980nm波長帯域のポンピング光とを光学繊維(22)に伝達する。

0030

図3は、ツリウムとエルビウムが同時に添加された光学繊維を用いて2μm波長帯域の光信号が増幅される原理を図示した図である。

0031

図2及び図3を参照すると、光学繊維(22)内に伝達された980nm波長帯域のポンピング光は、光学繊維(22)内にエルビウムイオンのエネルギーを活性化させ、励起されたエルビウムイオンにおいては1560nm波長帯域の光が発生する。

0032

エルビウムイオンから発生された1560nm波長帯域の光は、光学繊維(22)の両端に設けられる第1光学繊維格子(24)及び第2光学繊維格子(30)により全反射され、光学繊維(22)を間に置いて1560nm波長帯域の光が共振する。

0033

光学繊維(22)を間に置いて共振する1560nm波長帯域の光は、光学繊維(22)内のツリウムイオンを励起させ、活性化されたツリウムイオンから2μm波長帯域の光が発生されることにより、光源(10)から入力された2μm帯域の光信号が増幅される。

0034

このような構造は、従来の方式より非常に簡単で効果的に2μm帯域の光信号の増幅が可能である。また、現在、商用化が多くなされている1560nm帯域の光素子を用いることができるため、経済的なレーザーの開発が可能な効果がある。

0035

本実施例において光学繊維(22)は、エルビウムとツリウムが同時に添加されて2μm帯域の光信号を増幅させるが、この時、エルビウムとツリウムの添加の割合により増幅される光信号の波長帯域が変わり得る。以下においてはこれに対してより詳しく説明する。

0036

図4は、エルビウムイオンの濃度が高い場合、エルビウム−ツリウム同時添加光学繊維の蛍光特性を示したグラフであり、図5は、ツリウムイオンの濃度が高い場合、エルビウム−ツリウム同時添加光学繊維の蛍光特性を示したグラフである。

0037

図4は、光学繊維(22)においてエルビウム:ツリウムのドーピングの割合が1:1(500ppm:500ppm)であり、図5は、光学繊維(22)においてエルビウム:ツリウムのドーピングの割合が1:5(1000ppm:5000ppm)である時、光学繊維(22)の蛍光特性を示したグラフである。

0038

図4を参照すると、光学繊維(22)において、エルビウム:ツリウムのドーピングの割合が1:1(500ppm:500ppm)の場合、エルビウムによる強い蛍光図4のAグラフ)が現れ、相対的にツリウムによる蛍光(図4のBグラフ)は1800nm波長帯域から現れる。

0039

図5を参照すると、光学繊維(22)において、エルビウム:ツリウムのドーピングの割合が1:5(1000ppm:5000ppm)の場合、エルビウムによる蛍光(図5のAグラフ)は相対的に小さく現れ、ツリウムによる蛍光(図5のBグラフ)が2μmの長波長帯域から強く現れて1450nm波長帯域でも現れる。

0040

上のような実験結果により、光源(10)から発生される光信号の波長によりエルビウムとツリウムとのドーピングの割合を相対的に決めることができる。

0041

本実施例においては、2μm波長帯域の光信号を増幅するためにエルビウムとツリウムが同時にドーピングされた光学繊維(22)を使用したため、前記のような実験結果によってエルビウム:ツリウムのドーピングの割合は1:5の比率を使用したが、ドーピングの濃度は、エルビウムは1000ppm、ツリウムは5000ppmで形成することが好ましい。しかし、本発明の権利範囲はこれに制限される必要はなく、エルビウムとツリウムとのドーピングの割合は1:2〜1:10の範囲においても2μm波長帯域の光信号を増幅することに効果がある。

0042

前述した実施例においては、2μm波長帯域の光信号を増幅したが、本発明の権利範囲がこれに制限される必要はなく、本発明の光学繊維を用いた光増幅器(20)は、1800〜2100nm波長帯域の光信号を増幅することに使用され得る。

0043

また、前述した実施例において、ポンピング光源(26)は、980nm(970~990nm範囲)波長帯域のポンピング光を生成して光学繊維(22)内のエルビウムイオンのエネルギーを活性化させたが、本発明の権利範囲はこれに制限される必要はなく、ポンピング光源(26)は、1480nm(1470~1490nm範囲)波長帯域のポンピング光を生成して光学繊維(22)内のエルビウムイオンのエネルギーを活性化させることもできる。この時、光学繊維(22)内に伝達された1480nm波長帯域のポンピング光は、光学繊維(22)内にエルビウムイオンのエネルギーを活性化させ、励起されたエルビウムイオンにおいては1610nm波長帯域の光が発生する。これにより第1光学繊維格子(24)及び第2光学繊維格子(30)は、エルビウムイオンから発生された1610nm波長帯域の光を全反射させて光学繊維(22)を間に置いて1610nm波長帯域の光が共振するように構成され得る。

0044

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有した者であれば、本発明の本質的な特性から脱しない範囲内で多様な修正、変更及び置換が可能である。従って、本発明に開示された実施例及び添付された図面などは、本発明の技術思想を限定するためのものではなく説明するためのものであり、このような実施例及び添付された図面によって本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、下記の請求範囲により解釈されなければならず、それと同等な範囲内にあるすべての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されなければならない。

0045

10光源
12 第1光アイソレータ
14 第2光アイソレータ
20光増幅器
22光学繊維
24 第1光学繊維格子
26ポンピング光源
28光結合器
30 第2光学繊維格子

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