JPH0450134A - 機能性多成分ガラス、光ファイバ及びファイバ増幅器 - 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、酸化物系の機能性多成分ガラスに関するもの
で、例えば１，３μｍ帯光増幅に使用される。

〔従来の技術〕

希土類元素を添加した機能性多成分ガラスは、一般に１
．３１０±０．０２５μｍの範囲で行われる１、３μｍ
帯の光通信に使用する光ファイバ増幅器、光ファイバセ
ンサ等への応用が考えられている。例えば、このような
機能性多成分ガラスとして、酸化物系多成分ガラスをホ
ストガラスとし、これにネオジムイオン（Ｎｄ３＋）を
活性物質として添加したものが既に知られている。具体
的には、ホストガラスである燐酸塩ガラスにＮ　ｄ　”
”を添加したガラスを準備し、このガラスがら形成した
光ファイバのレーザ発振特性について評価した旨の報告
がなされている（　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅ
ｒｓ　ｖｏｌ、２Ｂ、Ｎｏ、２．ＰＬ２１）　ｏこの報
告では、光ファイバの特性に関して、蛍光ピーク波長１
、３２３μｍ、　ＥＳＡ　（ｅｘｃｉｔｅｄ　５ｔａｔ
ｅａｂｓｏｒｐｔ　ｔｏｎ）　ピーク波長１．３１０μ
ｒｎ、　レーザ発振ピーク波長１．３６０μｍという結
果が得られたことが示されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記の報告に示される機能性多成分ガラスでは
、蛍光ピークが１．３２３μｍであっても、ＥＳＡ遷移
による吸収ピークがちょうど１．３１０μｍに存在する
ため、発振ピーク波長が長波長側にシフトしてしまうの
みならず、１．３μｍ帯で利得が得られない。

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、１．３μｍ帯で
光増幅を可能にする酸化物系の機能性多成分ガラスを提
供することを目的としている。

また、本発明は、上記機能性多成分ガラスを用いた光フ
ァイバを提供することを目的とする。

更に、本発明は、上記光ファイバを用いたファイバ増幅
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及び作用〕本発明者は上記
課題の解決のため、鋭意研究を重ねた結果、Ｎｄ３＋を
活性物質として含む酸化物系の機能性多成分ガラスであ
って、１．３μｍ帯での光増幅を可能にするガラスを見
出した。

本発明に係る機能性多成分ガラスにあっては、ホストガ
ラス中のＮｄ以外のランタノイド系列に属する元素の酸
化物の濃度を５ｍｏ　１％以上であってガラス形成能を
劣化させない程度の量としている。例えば、好適には、
ホストガラス中のＮｄ以外のランタノイド系列に属する
元素の酸化物の濃度を５から５０ｍｏ１％とすることが
望ましい。

ホストガラス（マトリックスガラス）となる酸化物系の
機能性多成分ガラスとしては、燐酸塩ガラスの他、硼酸
塩ガラス、アルミノ珪酸塩ガラス等の使用が可能である
。

上記の機能性多成分ガラスによれば、ホストガラス中の
Ｎｄ以外のランタノイド系列に属する元素の酸化物の濃
度を５ｍｏｌ％以上であってガラス形成能を劣化させな
い程度の量の範囲で変化させることにより、Ｎｄ３＋の
１．３μｍ近傍の蛍光スペクトル及びＥＳＡスペクトル
について、その波長のシフト又は強度の増減を起こさせ
ることができる。この結果、１．３μｍ帯での光増幅に
適したガラスを得ることが、後述のように判明した。

上記の現象に関し、本発明者は次のような仮説を立てて
検討した。即ち、Ｎｄ”＋の１．３μｍ近傍の蛍光スペ
クトル及びＥＳＡスペクトルのこの様な変化は、Ｎ　ｄ
　”（１）受ける静電場等の配位子基の変化に起因する
ものと考えることが可能である。

つまり、ホストガラス中のＮｄ以外のランタノイド系列
に属する元素の酸化物の濃度の変化の影響を受けて、Ｎ
　ｄ　”（７）配位子基の対称性、周囲酸素との共有結
合性等が変化するものと考えられる。

この結果、Ｎｄ３＋イオンのエネルギー準位が変動し、
或いは、その縮退が解け、Ｎｄ３＋イオンの輻射・吸収
の遷移確率が変化し、更には、その輻射・吸収のビーク
波長がシフトするものと考えられる。

以上のことは一つの仮説であるが、本発明者は、後に述
べる実施例及びこれに対する検討に基づき、この現象を
利用し又は制御して、Ｎｄ３＋添加ガラスの１．３μｍ
帯での増幅特性の向上を図ることとしたのである。以下
、第６図及び第７図に基づいて、このような現象の利用
について説明する。

第６図は、比較用のガラス試料に添加されたＮｄ３＋ｏ
工ネルギー準位を示した図である。

比較用のガラス試料としては、Ｎｄ３＋をドープしたＺ
ｒ−Ｂａ−Ｌａ−ＡＩ−Ｎａ−Ｆガラスのファイバを用
いた。図示のエネルギー準位は、このファイバを自記分
光光度計及び光スペクトルアナライザを用いて測定する
ことにより算出されたものである。この内の代表的な遷
移について説明する。約０．８０μｍの励起光により、
基底準位る。このようなポンピングにより、準位４Ｆ３
／２ と　Ｉ　　との間に反転分布が形成されると、波１３／
２ 長１．３２μｍをピークとした発光が可能になる。

１．３１μｍの光を吸収し、準位　Ｇ　　に励起７／２ される可能性もある。このため、このようなガラスでは
電子が準位　Ｆ　　にポンピングされても、３／２ 波長１．３２μｍで効率よく発光させることができなく
なってしまう。このためレーザ利得も１．３１μｍ帯で
は得られないこととなってしま比較用ガラス試料のこの
ような利得喪失を模式的に示したのが第７図（ａ）であ
る。

水平線の上側の点線１ａは準位　Ｆ　　から準３／２ し、水平線の下側の点線２ａは準位　Ｆ　　から３／２ 準位　Ｇ　　への遷移による吸光スペクトルに対７／２ 応する。これらスペクトルのピークは、それぞれ波長１
，３２μｍと波長１．３１μｍとに存在する。これらの
強度が等しいと仮定して、平均値を求めると、実線３ａ
が与えられる。この実線３ａは二のガラスの光増幅の利
得の波長依存性に対応するものと考えられる。このよう
なモデルによって、１．３１μｍで利得が得られない事
か説明され、これより長波長側である程度の利得が得ら
れることが説明される。

本発明者はこのような仮定から、逆にＮｄ”＋の眼中発
光のスペクトルを制御することにより、波長１．３μｍ
帯での光増幅を十分な利得を有するものにできるのでは
ないかと考えた。ここで、例えばホストガラスを構成す
るＮｄ以外のランタノイド系列に属する元素の酸化物の
濃度を変化させることで、Ｎｄ３”の周囲の配位子場を
変化させることになり、この配位子場の中にあるＮ　ｄ
　３”１７）エネルギー準位も相対的に変化させること
になり、この結果、Ｎｄ３＋ｌ１７１＋吸・発光のスペ
クトルの特性を変化させることか可能になるものと考え
られる。

第７図（ｂ）〜（ｆ）により、このような着想について
説明する。

第７図（ａ）の吸・発光スペクトルに対し、そのピーク
波長のみをシフトさせて１．３μｍ帯での利得を得る方
法を示したのが第７図（ｂ）、（Ｃ）である。第７図（
ｂ）は、吸光スペクトル２ｂのみを長波長側にシフトさ
せ、吸・発光のスペクトルｌｂ、２ｂの和である実線３
ｂに対応する利得特性のピークを１．３１μｍにシフト
させようというものである。第７図（Ｃ）は、吸・発光
スペクトルＩＣ，２Ｃともに短波長側にシフトさせ１、
吸・発光のスペクトルＩＣ１２Ｃの和である実線３Ｃに
対応する利得特性のピークを１．３１μｍにシフトさせ
ようというものである。

第７図（ａ）の吸・発光スペクトルに対し、そのピーク
強度を変化させて１．３μｍ帯での利得を得る方法を示
したのが第７図（ｄ）〜（ｆ）である。第７図（ｄ）は
、吸・発光スペクトルｌｄ。

２ｄのピーク波長自体を変化させず、吸収・発光スペク
トルｌｄ、２ｄの相対強度のみを変化させたものである
。これにより、吸・発光のスペクトルｌｄ、２ｄの和で
ある実線３ｄに対応する利得特性のピーク波長はほとん
ど変化しないものの、波長１．３１μｍでも利得が得ら
れる。第７図（ｅ）は、吸・発光スペクトルｌ　ｅ　１
２　ｅのピーク波長を短波長側に移動〜させ、それらの
相対強度を変化させたものである。これにより、吸・発
光のスペクトルｌｅ、２ｅの和である実線３ｅに対応す
る利得特性のピーク波長は短波長側にシフトし、全体の
利得も増大し、１．３１μｍで大きな利得が得られる。

第７図（ｆ）は、吸・発光スペクトルＩｆ、２ｆのピー
ク波長を長波長側に移動させ、それらの相対強度を大き
く変化させたものである。これにより、吸・発光のスペ
クトルＩｆ。

２ｆの和である実線３ｆに対応する利得特性のピーク波
長は長波長側にシフトするが、全体の利得が増大するた
め、１．３１μｍでも利得が得られる。

ホストガラス中のＮｄ以外のランタノイド系列に属する
元素の酸化物の濃度を所定範囲で変化させることにより
、第７図（ｂ）〜（ｆ）の現象のいずれが生じているか
は不明である。即ち、以下の実施例で得た増幅ピーク特
性からは、主に第７図（Ｃ）若しくは（ｅ）の現象が生
じているものと考えられるが、吸・発光スペクトルのシ
フトが一様でないということ等を考慮すると、複合した
現象が生じている可能性もある。

配位子場内な考察からこのような吸・発光スペクトルの
変動現象を説明すると、ホストガラス中のＮｄ以外のラ
ンタノイド系列に属する元素の酸化物の濃度を変化させ
ることにより、Ｎｄ３＋の周囲のイオンがＮｄ以外のラ
ンタノイド系列に属する元素のイオンに置換され、Ｎ　
ｄ　””（７）配位子基が大きく変化するものと考える
ことができる。また、Ｎｄ以外のランタノイド系列に属
する元素の酸化物の濃度を変化させることにより、Ｎｄ
”＋の周囲の原子の配置構造等に間接的な変化が生じる
ことも考えうる。この様な構造の変化がＮｄ以外のラン
タノイド系列に属する元素の酸化物の添加量に応じて蓄
積され、ホストガラスの形成する配位子基は非対称性を
増減させられ、或いはＮｄ−０結３＋４ 合の共有性に変化が生じ、Ｎｄ　　自体の　Ｆ３／２変
化するものと考えられる。したがって、Ｎｄ３＋の配位
子基の変動現象は複合的であると考えられ、そのメカニ
ズムの詳細は不明であるが、いずれにせよ、本発明者の
実験・検討によれば、Ｎｄ以外のランタノイド系列に属
する元素の酸化物の濃度を５ｍｏｌ％以上であってガラ
ス形成能を劣化させない程度の量とすることにより、Ｎ
　ｄ　””（７）吸・発光スペクトルを変動させること
ができ、ホストガラスを構成する他の成分とＮ　ｄ　３
”（！：の濃度に合わせてＮｄ以外のランタノイド系列
に属する元素の酸化物の濃度を選択することにより、波
長１．３μｍ帯での光増幅を可能にする有望なガラスが
得られた。

上記の酸化物系機能性多成分ガラスは光伝送路用の素材
として用いられ、例えば平面導波路等に形成しても良い
が、上記の酸化物系機能性多成分ガラスからなるコアと
、該コアを取り囲み該コアより低い屈折率を有するクラ
ッドと、を備えた光ファイバを作製することが、長尺の
光伝送路を得る上では望ましい。

上記光ファイバは、具体的には下記のようにして作製さ
れる。まず、Ｎｄ３＋添加の酸化物系機能性多成分ガラ
スをコアとするプリフォームをロッドインチューブ法等
により準備する。次に、準備したプリフォームを第３図
のような線引き装置にセットし、光ファイバに線引きす
る。第３図に示すように、プリフォーム１１は送り装置
１２に固定されて徐々に降下する。このとき、プリフォ
ーム１１はヒータ１３で加熱され、軟化して線引きが開
始される。線引きされたファイバ１０は、キャプスタン
１４を経由して、巻取ドラム１５に巻き取られる。こう
して得られた光ファイバ１０を拡大して示したのが第４
図である。光ファイバ１０は、Ｎｄ３＋を添加したコア
１０ａと、コア１０ａよりも相対的に屈折率が低くＮｄ
３＋が添加されていないクラッド層１０ｂとを備えてい
る。

上記のような酸化物系の機能性多成分ガラスをコアとし
た光ファイバによれば、ファイバレーザ、ファイバ増幅
器、ファイバ検出器等への応用が可能になる。即ち、コ
アガラス中のＮｄ以外のランタノイド系列に属する元素
の酸化物の濃度を５ｍｏｌ％以上であってガラス形成能
を劣化させない程度の量としているため１、波長１．３
μｍ帯でも光増幅利得が得られる。更には、コアに光が
効率的に閉じ込められ、かつ、閉じ込められた光の損失
が極めて低いこととから、低閾値で反転分布を形成する
ことができる。したがって、高利得の光増幅装置等への
応用が可能になるのである。

更に、上記の光ファイバ１０は、一つの応用例として１
．３μｍ帯の光ファイバ増幅器に使用することができる
。第５図に示すように、ファイバ増幅器は１，３μｍ帯
のレーザ光の導波路となるファイバ３０と、０．８μｍ
帯の励起光を発生するレーザ光源３２と、信号光を励起
光によって増幅するため、その励起光をレーザ光源から
光ファイバ内に入射させる光学手段３３とを備える。レ
ーザ光源３２からの励起光は、光学手段３３であるファ
イバカプラ等により、信号光源３１からの信号光と結合
される。結合された信号光及び励起光は、ファイバ３０
内にコネクタ等を介して導入される。

因みに、光ファイバ３０の出力側に設けられた０、８μ
ｍフィルタ３６は、励起光をカットするためのものであ
り、光スペクトラムアナライザ３５は、増幅された信号
光を測定するための装置である。マツチングオイル３７
は、融着延伸により形成されたファイバカブラ３３から
の戻り光を防止するためのものである。

上記のような光ファイバと、レーザ光源及び光学手段と
を備えた１、３μｍ帯のファイバ増幅器によれば、光学
手段によりファイバ内に導入された０、８μｍのレーザ
光によってＮｄ”＋が励起される。この励起されたＮｄ
”＋は、これと同時に光ファイバ内に導入された１、３
μｍ帯の信号光等に誘導されて、１．３μｍ帯の光を発
生し、波長１．３μｍ帯での光増幅が可能になる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

まず、ホストガラス原料として、Ｎｄ以外のランタノイ
ド系列に属する元素の酸化物であるＬａ　　Ｏ又はＥｒ
２Ｏ３と、他の成分となるＮａ　　Ｏ，ＡＩ　　Ｏ，５
ｉｎ２とを用意し、それぞれを各種の組成比となるよう
に調合する。これに希土類元素Ｎｄの酸化物であるＮ　
ｄ　２０　ｇを所定量添加し、白金ルツボ中で溶融させ
る。

Ｎｄ　　Ｏの添加量は、Ｎｄ３＋の濃度がホストガラス
に対して、重量で１％ととなるように調整する。溶融し
た原料は、十分な混合が完了した後に急冷処理し、ガラ
ス化する。ガラス化したこれらの試料を、その組成比に
応じて試料Ａ、Ｂ、Ｃ。

Ｄ、Ｅ及びＦと名付け、その組成を第１図に示した。試
料Ｂ−ＥはＬａ２Ｏ３の濃度を変化させた試料であり、
試料ＦはＬａ２Ｏ３の代りにＥ　ｒ　２０３の濃度を変
化させた試料である。Ｎｄ以外のランタノイド系列に属
する元素の酸化物としては、上記Ｉ、ａ、Ｅｒのみなら
ず、Ｙｂ５Ｈｏ、Ｐｍ。

Ｅｕ等の酸化物を使用してもよい。

これらのガラスの光増幅特性を評価するため、下記のよ
うにして光ファイバを作製した。まず、上記の組成のガ
ラスを棒状に成形し、コア用のガラスロッドとする。次
に、このガラスロッドと組成がほぼ等しく、屈折率がわ
ずかに低いガラスを溶融・成形し、クラッドバイブとす
る。クラッドパイプのガラスにはＮｄ３＋を添加してい
ない。これらのコアロッド及びクラッドバイブはロッド
インチューブ法によりプリフォームに形成され、第３図
の装置によって線引きすることでコア径６μｍで外径１
２５μｍの８Ｍファイバが得られた。

この８Ｍファイバは、測定のため１０ｍの長さのファイ
バ試料に切り出した。

このようなファイバ試料の特性の評価は、蛍光ピーク波
長、ＥＳＡピーク波長、増幅ピーク波長及び１．３μｍ
帯でのゲインを対象として、第４図のファイバ増幅器等
によって行った。結果は第２図の表に示す。

増幅ピーク及びゲインは、ファイバ増幅器の信号光源３
１及びレーザ光源３２をオンとして、光スペクトラムア
ナライザ３５でファイバ試料の蛍光を測定することによ
り得られた。ただし、第１図に示したゲインは１．３１
０μｍにおけるものである。レーザ光源３２としては、
励起波長が０．７８μｍで、励起出力が１０ｍＷのＴｉ
−サファイアレーザ（アルゴン励起）を用いた。入力信
号の強度は、−３０ｄＢｍとし、ピーク波長を１．３１
０μｍとした。ＥＳＡビーク波長は自記分光光度計でフ
ァイバ試料の吸収波長を求め、エネルギーを割り出すこ
とにより求めた。蛍光ピーク波長は信号光の入力をオフ
として、増幅ピークと同様に光スペクトラムアナライザ
３５を用いて測定することにより求めた。

１．３１０μｍでのゲインに注目すると、Ｌａ２Ｏ３の
濃度が５〜５０ｍｏ１％の範囲では、所定値以上の利得
が得られることがわかる。

Ｌａ２Ｏ３の濃度が５ｍｏｌ％未満では顕著な効果が得
られない。Ｌａ２Ｏ３の濃度が低いため、配位場に効果
的な変化を生じさせることができないものと考えられる
。他方、Ｌａ２Ｏ３の濃度が５５ｍｏｌ％を超えてしま
うと、ガラスは結晶化してしまう。ただし、Ｌａ等のラ
ンタノイド元素の酸化物の濃度が増大することに起因す
るこれらの問題は、ガラス形成時の冷却温度の変更、組
成の改良等により、ある程度は改善できるものと考えら
れる。

Ｌａ２Ｏ３の濃度の増大に応じて、蛍光ピーク、ＥＳＡ
ピーク、及び増幅ピークが次第に短波長側に移動するこ
とが観察される。これは、Ｎ　ｄ　”（１）周囲に配置
されるＬａイオンの量が増大し、Ｎｄ３＋の配位子場等
に及ぼすこれらＬａイオンの影響が増大し、大きな波長
シフトが生じるものと考えられる。

本発明に係る光ファイバは、例えばファイバレーザ等の
装置にも応用することができる。

具体的には、ファイバレーザを、上記光ファイバと、レ
ーザ光源と、光学手段と、光共振器とを備えるように構
成する。ここに、レーザ光源は波長０．８μｍ帯の励起
光を発生する。また、光学手段は励起光をレーザ光源か
ら光ファイバ内に入射させる。さらに、光共振器は光フ
ァイバ内からの波長１．３μｍ帯の放射光を光ファイバ
にフィードバックする。

上記のようなファイバレーザによれば、光学手段により
ファイバ内に導入された波長０．８μｍ帯のレーザ光に
よってＮｄ３＋が励起される。この励起されたＮ　ｄ　
３”Ｏ一部は、光ファイバ内からの波長１．３μｍ帯の
放出光と、光りファイバ内にフィードバックされた波長
１．３μｍ帯の光とによって誘導され、波長１．３μｍ
帯の放出光を発生する。これを繰り返すことにより、波
長１．３μｍ帯でのレーザ発光が可能になる。

以下に、ファイバレーザの実施例について説明する。

具体的な構成は、Ｅｒをドープした公知のファイバレー
ザと同様である（ｒＥｒドープファイバーＪ、Ｏｐｌｕ
ｓ　　Ｅ、１９９０年１月、ｐｐ。

１１２〜１１８等参照。）。ただし本実施例の場合、光
ファイバとして、Ｎｄをドープした上記実施例の光ファ
イバを使用する。また、励起光源として、波長０．８μ
ｍ帯の励起光を発生するレザダイオードを使用する。

レーザダイオードからの波長０．８μｍ帯の励起光は、
レンズ等の適当な光学手段によって上記実施例に示した
光ファイバ内に導入される。光ファイバ内のＮｄ３＋は
所定の状態に励起され、波長１．３μｍ帯の発光が可能
になる。ここで、ファイバの出力端を鏡面に仕上げてい
るため、この出力端とレーザダイオードの端面とは共振
器を構成する。この結果、励起光の出力が所定値を超え
ると波長１．３μｍ帯でレーザ発振が生じる。

なお、共振器は、誘電体ミラー等を使用するタイプのも
のであってもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明に係る酸化物系の機能性多
成分ガラスによれば、励起光の存在により１．３μｍ帯
での発光・光増幅が可能になる。

更に、これを導波路、ファイバ等に形成することにより
、光増幅装置、レーザ等に応用できる。特に、ファイバ
に形成した場合、低閾値で高利得の光増幅器が得られる
。

ラスの実施例を示した図、第２図は第１図のガラスの吸
・発光特性を示した図、第３図は本発明による酸化物系
の機能多成分ガラスを使用したファイバの形成方法を示
した図、第４図は特性評価に用いたファイバ試料を示し
た図、第５図はファイバ試料の特性を評価するための装
置及び光増幅器の構成を示した図、第６図はＮｄ３＋イ
オンの励起準位の一例を示した図、第７図は１．３１０
μｍでのゲインについて説明した図である。

１０．３０・・・Ｎｄ３＋をドープしたガラスをコアと
する光ファイバ、３２・・・励起用のレーザ光源、３３
・・・光学手段であるカブラ。

代理人弁理士　　　長谷用　　芳　　樹

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸化物系の機能多成分ガ各試料に
使用したホストガラスの組成 光ファイバ司肩蜆５１名、【１ 第３図 実施例の各種試料とその１゜ ３１ドｍ帯でのゲイン Ｎ（ｌＪｔイオンのＮ７Ｌ孕准 第６図 １．３１μｍ １．３１／Ａｍ 弗・− 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、波長１．３μｍ帯での光増幅のため、 Ｎｄ＾３＾＋を活性物質としてホストガラスに添加した
   酸化物系の機能性多成分ガラスであって、 前記ホストガラスは、その構成成分として、Ｎｄ以外の
   ランタノイド系列に属する元素の酸化物を５ｍｏｌ％以
   上であってガラス形成能を劣化させない程度の量で含む
   ことを特徴とする機能性多成分ガラス。 ２、請求項１に記載の機能性多成分ガラスからなるコア
   と、該コアを取り囲み該コアより低い屈折率を有するク
   ラッドと、を備えた光ファイバ。 ３、波長１．３μｍ帯の信号光を伝搬する請求項２の光
   ファイバと、波長０．８μｍ帯の励起光を発生するレー
   ザ光源と、前記信号光を前記励起光で増幅させるため、
   該励起光を前記レーザ光源から前記光ファイバ内に入射
   させる光学手段と、を備えるファイバ増幅器。