JPH04102833A - 機能性光ファイバ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、活性物質を添加したコアを備えた機能性光フ
ァイバであって、例えば発光・増幅等の用途に使用する
機能性光ファイバに関する。

〔従来の技術〕

光ファイバを用いて光増幅、レーザ発光等を行うため、
活性物質として種々の希土類元素をコアに添加した機能
性光ファイバについての報告が成されている。殊に、Ｎ
ｄ５ＥｒＸＨｏ等を添加した機能性光ファイバは、ファ
イバレーザ、ファイバ増幅器、ファイバセンサ等として
、通信等の分野での応用が期待されている。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかし、希土類元素をコアに添加した機能性光ファイバ
では、その固有のエネルギー準位に起因して、発光波長
若しくは光増幅波長を任意に設定することができない。

このため、機能性光ファイバを実用化できない場合も生
じていた。例えば、Ｎｄの　Ｆ　　　−４Ｉ ３／２　　　　□３／２遷移は波長１．３１μｍ帯の光
通信分野への応用が期待されている。にも拘らず、Ｎｄ
添加の光ファイバで最大の光増幅利得が得られるのは波
長１，３１μｍよりも長波長側の波長１．３３μｍであ
り、波長１．３１μｍでは光増幅利得か得られていない
（ＯＦＣ“９０Ｐｏｓｔ　Ｄｅａｄｌｉｎｅ　Ｐａｐｅ
ｒ）。

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、希土類元素等の
活性物質を添加したコアを備える機能性光ファイバであ
って、その発光波長若しくは光増幅波長に所望のシフト
を生じさぜた機能性光ファイバを提供することを目的と
している。

〔課題を解決するための手段及び作用〕上述の目的を達
成するため、本発明による機能性光ファイバは、活性物
質として希土類元素若しくは遷移金属を添加したコアと
、コアを取り囲み該コアよりも低い屈折率を有するクラ
ッドとを備え、更に、コアに応力をイマ１与する応力付
与構造を備えることを特徴とする。

上記機能性光ファイバにおいては、応力付与構造によっ
てコアに応力か付与されているので、活性物質として添
加された希土類元素若しくは遷移金属のエネルギー準位
にエネルギーシフトか生じる。この結果、コアに付与さ
れた応力に応じて、活性物質の発光波長若しくは光増幅
波長に所望のシフトを生じさせることができる。或いは
、発光若しくは光増幅の波長依存性の特性分布を変化さ
せることができる。

例えば、上記機能性光ファイバの好適な実施態様として
、クラッドと異なる線膨脹係数を有する被覆層をクラッ
ドの外側に設け、これを応力付与構造としてもよい。

仮に被覆層の線膨脹係数が大きいとすると、機能性光フ
ァイバがその被覆層及びクラッドの形成された温度より
も冷却された状態にあるとき、被覆層はクラッドに圧力
を及ぼし、更にこの圧力はコアにも及ぶ。この場合、コ
アに付与された圧力に応じて、活性物質の発光波長若し
くは光増幅波長に所望のシフトを生じさせることができ
る。

上記機能性光ファイバの別の好適な実施態様として、コ
ア及びクラッドに機械的応力を加え、これを応力付与構
造としてもよい。

機械的応力の加え方としては、例えば機能性光ファイバ
を所定の方向に圧縮したり、引っ張ったり、ねじったり
することが考えられる。これにより、各種の応力をコア
に付与することができる。

コアに付与した圧力に応じて活性物質の発光波長若しく
は光増幅波長に所望のシフト等を生じさせることかでき
ることは上記の場合と同様である。

上記機能性光ファイバの更に別の好適な実施態様として
、クラッドの線膨脹係数とコアの線膨脹係数との間に差
を設け、これを応力付与構造としてもよい。

仮にクラッドの線膨脹係数が大きいとすると、機能性光
ファイバがそのコア及びクラッドの形成された温度より
も冷却された状態にあるとき、クラッドはコアに圧力を
与える。この場合、コアに付与された圧力に応じて、活
性物質の発光波長若しくは光増幅波長に所望のシフト等
を生じさせることができる。

上記機能性光ファイバの更に別の好適な実施態様として
、クラッドの内部にクラッドの線膨脹係数と異なる応力
付与部を設けることによって、応力付与構造としてもよ
い。

上記と同様に、応力付与部はクラッドに作用してこれを
変形させコアに応力を発生させる。

上記機能性光ファイバの更に別の好適な実施態様として
、この機能性光ファイバの線引き時に急冷することによ
って、応力付与構造を形成することとしてもよい。

この場合、機能性光ファイバに表面は急冷されるので、
クラッドには圧縮応力か働き、コアには引っ張り応力か
働く。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について第１図から第５図を参照
しつつ、説明する。

第１図は、本発明に係る機能性光コアイノ１の第１実施
例を示した図である。本実施例の機能性光ファイバは、
活性物質としてＮｄ”＋を添加した燐酸塩ガラスからな
るコア１２と、Ｎｄ３＋を添加してない燐酸塩ガラスか
らなるクラッド１３とを備えている。更に、クラット１
３の周囲には、被覆層である応力付与ジャケラ）・１１
が設けられている。化カイ」与ジャケット１１の材料と
しては、クラッド１３よりも大きな線膨脹係数を有する
ガラスが使用されている。

以下に、実施例の機能性光コアイノくの製造について簡
単な説明を行う。

上記のコア１２、クラッド１３及び応力付与ジャケット
１１の組成に対応するガラスを溶融法により準備する。

これらのガラスから、コア用ロッドとクラッド用パイプ
と応力付与ジャケット用パイプとを作製する。これらの
ロット及びパイプをロッドインチューブ法によりファイ
バ化し、機能性光ファイバを形成する。この機能性光フ
ァイバでは、応力付与ジャケット１１がクラッド１３よ
りも大きな線膨脹係数を有するため、コア１２及びクラ
ッド１３には圧縮応力か付与されることとなる。

なお、上記第１実施例は様々な変形が可能である。例え
ば、コア及びクラッドの材料として、珪酸塩ガラス、弗
化物ガラス等の使用が可能である。

また、活性物質として、例えばＥｒ等の稀土類元素の使
用か可能なことはいうまでもないが、他の遷移金属の使
用も可能である。更に、化カイ」与ジャケットとしては
、線引きを可能にするため、コア及びクラッドに熱的な
影響を及ぼさず、かつ、耐候性の良いガラスを使用する
ことが望ましい。

たたし、応力（ｑ与ジャケットを同時に線引きしない場
合には、応カイ１与ジャケットの材料として、ＡＩ、Ｉ
ｎ−８ｎ、Ｓｎ等の金属材料の使用も可能である。この
場合、ガラスよりも高い硬度を有する材料を使用するこ
とが望ましい。更に、応力付与ジャケットの線膨脹係数
は、クラッド及びコアの線膨脹係数より小さくてもよい
。この場合、コアには張力か働くものと考えられる。

第２図は、コアを形成する燐酸塩ガラス中のイオンの配
列を模式的に示した図であり、第１実施例の機能性光フ
ァイバによって発光波長若しくは光増幅波長に所望のシ
フトを生じさせることができる理由について考察したも
のである。中央の黒丸は活性イオンであるＮｄ３＋を示
している。その他はガラス形成成分及びガラス修飾成分
等によるガラスの構成イオンを示したものである。

Ｎｄ３＋のエネルギー準位は周囲のアニオン及びカチオ
ンが作り出す配位子場等によって分裂し、シフトする。

この場合、活性イオンか受ける配位子場は活性イオンと
各アニオン及びカチオンとの距離に主に依存している。

例えば、コアを形成する燐酸塩ガラスに一様な圧縮応力
が付与された場合について考えてみる。このような圧縮
応力の（＝１勾によって、活性イオンと周囲のイオンと
の距離が一様に減少する。この結果、Ｎ　ｄ　”＋（７
）エネルギー準位の分裂及びシフトの度合いは大きく変
動するものと考えられる。つまり、適当な圧縮応力の存
在により、機能性光フアイバ中のＮｄ３＋による発光波
長若しくは光増幅波長をシフトさせることができるもの
と考えられる。

このような機能性光ファイバの使用により、例えばファ
イバレーザ、ファイバ増幅器等の作製が可能になる。フ
ァイバレーザの場合、所定の活性物質を含む上記機能性
光ファイバと、励起光を発生する励起光源と、励起光を
励起光源から機能性光フアイバ内に入射させる光学手段
と、機能性光フアイバ内の活性物質に起因する放射光を
機能性光ファイバにフィードバックする光共振器とを備
えるように構成する。また、ファイバ増幅器もファイバ
レーザと基本的には同様であるか、この場］　Ｏ 合、光共振器か不要となり、逆に増幅すべき信号光を導
入する光学手段が必要となる。

以下に、第１実施例について更に具体的な説明を行う。

コアロッドを準備するため、仕上がり組成か１５Ｎａ　
　０−１５ＡＩ　　Ｏ−７０Ｐ２０５となるように、原
料を調合した。更に、調合した原料に活性物質としてＮ
ｄの酸化物を添加し、上記仕上がり組成に対しＮｄ３＋
の濃度が１１０００ｐｐになるようにした。その後、調
合した原料を加熱により溶融し、急冷によりガラス化し
、機械加工によりコアロッドに成形した。

クラッドパイプ及び応力付与ジャケット用パイプも同様
の方法で準備した。ただし、クラッドパイプのガラスの
組成は３　Ｐ　ｂ　Ｏ１５Ｎ　ａ　２０１５ＡＩ　Ｏ−
６７Ｐ２０５とした。また、応力付与ジャケットパイプ
の組成は４５　Ｎ　ａ　２０−１５ＡＩ　Ｏ−４０Ｐ２
０５とした。

次に、公知のロッドインチューブ法により、これらのコ
アロッド、クラッドパイプ及び応力付与ジャケット用パ
イプを溶着し線引きし、機能性光ファイバを準備した。

また、比較のため、コアロッド及びクラッドパイプのみ
を溶着し線引きした光ファイバも準備した。

次に、得られた機能性光ファイバの蛍光ピークについて
測定を行った。具体的には、励起光源（ここでは、ＴＩ
　−サファイアレーザを使用した。）からの波長０．７
８μｍの励起光を上記機能性光ファイバの一端に導入し
、その他端から出力される蛍光を光スペクトラムアナラ
イザで測定した。コア及びクラッドのみからなる試料で
は、蛍光ピークが波長１．３２４μｍに存在することが
観測された。他方、応力付与ジャケットを設けた試料で
は、蛍光ピークが波長１．３１２μｍに存在することが
観測された。

以上から明らかなように、応力付与ジャケットの使用に
より蛍光ピーク波長を短波長側にシフトさせることがで
きる。したがって、光増幅利得ののピーク波長も短波長
側にシフトさせることができるものと考えられる。実施
例の場合、応力骨ｌｊジャケットに使用するガラスはコ
ア及びクラッドに対して相対的に膨脹係数が高く低融点
となっている。このため、応力付与ジャケットを厚くし
て行くと、コアガラスには圧縮応力が働くものと考えら
れる。

第３図は、本発明に係る第２実施例の機能性光ファイバ
を示したものである。

図に示すように、巻取用コア材料３２の周囲には機能性
光ファイバ３１が巻かれている。更に、機能性光ファイ
バ３１を固定するため、その周囲には樹脂モールド３３
が形成されている。機能性光ファイバは、活性物質とし
てＮｄ３＋を添加した燐酸塩ガラスからなるコアと、Ｎ
ｄ３＋を添加してない燐酸塩ガラスからなるクラッドと
を備えている。その作製方法は上記第１実施例の場合と
同様である。

本実施例の特徴は、機能性光ファイバ３１が高張力で巻
取られたまま樹脂モールド３３で固定されている点にあ
る。この場合、機能性光フアイバ光軸方向に一定の応力
で引っ張られることとなる。

この結果、機能性光ファイバのコア中のＮｄ”＋による
発光波長若しくは光増幅波長をシフトさせることができ
る。

実施例では張力を与えて機能性光ファイバ３１を巻き取
っているが、機能性光ファイバ３１をねじりながら巻き
取ってもよい。この場合、機能性光ファイバ３１にはね
じり応力が働く。

第４図は、本発明に係る第３実施例の機能性光ファイバ
を示したものである。

第４図（ａ）の機能性光ファイバは、活性物質としてＮ
ｄ３＋を添加した燐酸塩ガラスからなるコア４１と、Ｎ
ｄ３＋を添加してない燐酸塩ガラスからなるクラッド４
２とを備えている。クラッド４２の層内には、コア４１
の光軸と同一方向に延びる応力付与部４２ａ、４２ｂが
、コア４１を挟むように設けられている。この機能性光
ファイバは、コア用及び応力付与部用のガラスロッドと
これらを収容するための３本の穴を設けたクラッド用パ
イプとを融着し線引きすることによって作製した。

実施例において、応力付与部４２ａ、４２ｂはクラッド
４２の線膨張係数よりも大きく、クラッド４２よりも低
融点である。したがって、機能性光フアイバ作製時の残
留応力により、クラッド４２には引っ張り応力が働き、
これに隣接するコア４１にも引っ張り応力が働くものと
考えられる。

よって、機能性光ファイバのコア中のＮｄ３＋による発
光波長若しくは光増幅波長をシフトさせることができる
。

第４図（ｂ）は、第４図（ａ）の機能性光ファイバの変
形例を示したものである。異なる点は、クラッド４２中
に４本の応力（＝Ｉ与郡部４２ａ１４２ｂ、４２ｃ、４
２ｄ設けた点である。この場合、第４図（ａ）の機能性
光ファイバの場合よりもより均一で大きな応力をコア４
１に付与することができる。

第４図（ａ）及び第４図（ａ）の機能性光ファイバの変
形例として、クラッド全体を応力付与のための手段とし
て使用してもよい。つまり、クラッドの材料として、コ
アの材料のよりも線膨張係数が大きく融点の低いガラス
等を使用すれば、機能性光ファイバを作製したときの残
留応力により、コアに圧縮応力を付与することかできる
。

第５図は、本発明に係る第４実施例の機能性光ファイバ
を示したものである。

第４実施例は、機能性光ファイバの製造工程の条件によ
ってコアに応力を発生させようとするものである。コア
及びクラッドの組成に対応するガラスを溶融法により準
備する。なお、コアには活性物質が添加されている。次
に、準備したコア及びクラッド用のガラスからそれぞれ
コア用ロッドとクラッド用パイプとを作製する。これら
のロッド及びパイプを溶着し、線引き用のプリフォーム
とする。ここまでは従来の製造工程と何ら変わらない。

次に、第５図に示す線引き装置でプリフォームをファイ
バ化する。プリフォーム５２は送り装置２２に固定され
て徐々に降下する。プリフォーム５２はヒーターで加熱
され、軟化して線引きが開始される。線引きされた光フ
ァイバ５］はキャブ］　５ スタン５５を経由して、巻取ドラム５６に巻き取られる
。このとき、軟化させる温度を低温にするか或いは線引
き後の光ファイバ５１を急冷するならば、大きな応力が
コア及びクラッドに残留することとなる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、応力付与構造に
よってコアに応力が付与されているので、活性物質であ
る希土類元素若しくは遷移金属のエネルギー準位にシフ
ト、分裂等が生じる。この結果、活性物質のエネルギー
準位の間隔に対応する発光波長若しくは光増幅波長にシ
フトが生じ、或いは発光特性等に変化が生じる。即ち、
コアに付与された応力の大きさと種類を適当に調節する
ならば、励起された活性物質中の電子の緩和に起因する
発光波長若しくは光増幅波長に所望のシフトを生じさせ
ることができ、或いは所定の波長帯域での発光特性等を
変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による機能性光ファイバの第１実施例の
部分断面図、第２図はコアガラス中のイオンの配列を模
式的に示した図、第３図は第２実施例の機能性光ファイ
バを示した図、第４図は第３実施例の機能性光ファイバ
を示した図、第５図は第４実施例の機能性光ファイバの
製造方法を示した図である。 ］１・・・被覆層、１２・・コア、１３・・・クラッド
、３１・・・機能性光ファイバ、４１・・・コア、４２
・・・クラッド、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ−・
・応力付与部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、活性物質として希土類元素若しくは遷移金属を添加
   したコアと、該コアを取り囲み該コアよりも低い屈折率
   を有するクラッドと、を備える機能性光ファイバであっ
   て、 前記コアに応力を付与する応力付与構造を設けたことを
   特徴とする機能性光ファイバ。 ２、前記応力付与構造は、前記クラッドと異なる線膨脹
   係数を有する被覆層を前記クラッドの外側に設けること
   によって形成されたものであることを特徴とする請求項
   １に記載の機能性光ファイバ。 ３、前記応力付与構造は、前記コア及び前記クラッドに
   機械的応力を加えるものであることを特徴とする請求項
   １に記載の機能性光ファイバ。 ４、前記応力付与構造は、前記クラッドの線膨脹係数と
   前記コアの線膨脹係数との間に差を設けることによって
   形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載
   の機能性光ファイバ。 ５、前記応力付与構造は、前記クラッドの内部に該クラ
   ッドの線膨脹係数と異なる応力付与部を設けることによ
   って形成されたものであることを特徴とする請求項１に
   記載の機能性光ファイバ。 ６、前記応力付与構造は、機能性光ファイバの線引き時
   に急冷することによって形成されたものであることを特
   徴とする請求項１に記載の機能性光ファイバ。