JPH0450135A - 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、弗化物を主成分とする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（Ｎ　ｄ　３＋）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Ｎｄ３＋を添加したガラスを準備し、この
ガラスから形成した光フアイμの光増幅特性について評
価した旨の報告がなされているにューガラスフォーラム
、°９０年１月発表）。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　５ｔａｔｅ　ａｂｓｏｒｐｕｔｉｏ
ｎ　）　ピーク波長１．３１０μｍ１増幅ピーク波長１
．３６０μｍという結果が得られたことが示されている
。

更に、弗化物系多成分ガラスをホストガラスとし、Ｎｄ
３＋を活性物質として１１０００ｐｐ添加したファイバ
の光増幅特性に関する報告（ＯＦＣ９０Ｐｏ５ｔ　Ｄｅ
ａｄｌｉｎｅ　Ｐａｐｅｒ”　）もなされている。この
報告では、波長的１．３３μｍに増幅ピークを有するＺ
ｒ−Ｂａ−Ｌａ−ＡＩ−Ｆガラスが報告されており、蛍
光ビーク波長を１，３２μｍと評価している。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 しかし、前者の報告に示される酸化物系の多成分ガラス
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、増幅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。

同様に、後者の報告に示される弗化物系の多成分ガラス
でも、増幅ピーク波長が長波長側にシフトしてしまい、
１．３μｍ帯で十分な利得が得られない。

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、Ｎｄ”＋を
活性物質として含み弗化物を主成分とする機能性多成分
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。

この弗化物を主成分とする機能性多成分ガラスにあって
は、ＮｄＦ３の濃度を１００　ｍｏｌ　ｐｐｍ乃至１０
０００ｍｏｌ　ｐｐｍとしている。ただし、Ｎ　ｄ　”
（７）添加は、必ずしも弗化物よるものでなくてよく、
例えばＮｄ　　Ｏ等を用いてＮｄ３＋を添加してもよい
。ホストガラス（マトリックスガラス）となる多成分ガ
ラスの成分としては、ジルコニウム、バリウム、ランタ
ン等の各種弗化物の使用が可能である。また、補助的に
珪素、アルミニウム、アルカリ等の酸化物を加えてもよ
い。

本発明の機能性多成分ガラスによれば、ＮｄＦ３の濃度
を１００ｍｏｌ　］）Ｉ）ｓ　乃至１００００１００Ｏ
０層の範囲で変化させることにより、Ｎｄ３＋の１．３
μｍ近傍の蛍光スペクトル及びＥＳＡスペクトルについ
て、そのピーク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、Ｎｄ３＋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
　”＋７７）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、Ｎｄ３＋の濃度の影響を受けて、その配位子基
の対称性、周囲弗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、その縮退体が解け、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
・吸収のピ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＋した多成分ガラスの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Ｎ　ｄ　”
Ｏエ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、Ｎｄ”＋をドープしたＺ
　ｒ−Ｂａ−Ｌａ−Ａ　Ｉ−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　
Ｆ３／２と　１　　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。

一方、準位　Ｆ　　に存在する電子は、波長３／２ １．３１μｍの光を吸収し、準位　Ｇ７／２に励起され
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つＯ 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。

位　１　　への遷移による発光スペクトルに対応１３／
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はこ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、１．３μｍで利得が得られない事が
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Ｎ　ｄ　”Ｌ７）
吸・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、例えば活性物質である
Ｎｄ３＋の濃度を変化させることで、一方でＮｄ３＋の
周囲の配位子基を変化させることになり、他方でこの配
位子基の中にあるＮｄ３＋のエネルギー準位も相対的に
変化することになり、この結果、Ｎ　ｄ　”Ｏ吸・発光
のスペクトルの特性を変化させることが可能になるもの
と考えられる。

ｍ７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の和として与えら
れる実線３ｂに対応する利得特性のピークを１，３１μ
ｍ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ｌｃ、２ｃともに短波長側にシフ
トさせ、吸・発光のスペクトル１ｃｓ２ｃの和として与
えられる実線３Ｃに対応する利得特性のピークを１．３
１μｍ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の和と
して与えられる実線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１ｅｓ２ｅ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の和として与えられる実線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１ｆ、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の和として与えられる実線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こととな
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。

ＮｄＦ　、したがってＮｄ３＋の濃度を多成分ガラス中
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（ｆ）の
現象が生じているものと考えられるが、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、カチオン（Ｎ　ｄ　３＋）はホ
ストガラスの影響を受けてその電子軌道のエネルギー準
位が分裂又は変動することが考えられる。同時に、大き
な半径を有するカチオンの強い相互作用の影響を受けて
、周囲の原子の配置構造等にも変化が生じることも考え
られる。

この様な構造の変化がＮｄ３＋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場は非対称性を増減
させられ、或いはＮｄ−Ｆ結合の共有３＋４ 性に変化が生じ、Ｎｄ　　自体の　Ｆ　　準位及び３／
２ 同様の現象が生じている可能性もある。したがって、Ｎ
　ｄ３”ｃｏ配位子場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。

いずれにせよ、本発明者の実験・検討によれば、ＮｄＦ
３の濃度を１００１１１ｏｌ　ｐｐｍ乃至１００００１
ＩＯ１ｐｐ１１とすることによりＮ　ｄ　３”Ｏ吸・発
光スペクトルを変動させることができ、ホストガラスの
組成に合わせてＮｄＦ３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
Ｎｄ３＋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、弗化物を主成分とするコアガラスのＮｄＦ３の濃
度を１００　ａ＋ｏｌ　ｐｐｍ乃至１００００ｍｏ１１
００Ｏ０としているため、１．３１μｍ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。

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１．３μｍμｍ
−ザの導波路となる光ファイバ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
バカブラ等により、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、励起光を力・ソ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３
７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Ｎｄ３＋が励起される。この励起されたＮｄ
３＋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、レーザ光を発生し、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、ホストガラスの原料としてＺ　ｒ　Ｆ　ｓ、Ｂａ
Ｆ　　、ＬａＦ　　５ＡＩＦ３及びＮａＦを用意し、そ
れぞれを５３：２０：４：３：２０の組成比となるよう
に調合する。これに希土類元素Ｎｄの弗化物であるＮｄ
Ｆ３を所定量添加し、雰囲気を制御して白金ルツボ中で
溶融させる。ＮｄＦ３の添加量は、ＮｄＦ３の濃度がホ
ストガラスに対して、モル濃度で５０．１００．１００
０．５０００．１００００．３００００ｐｐ■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、急冷し、ガラス化する。ガラス化したこれらの試
料は、その濃度に応じて試料Ａ、Ｂ。

Ｃ，Ｄ、ＥＳＦと命名した。その組成を第１図に示す。

このガラス試料の光増幅特性を評価するため、下記のよ
うにして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、クラッドパイプとする
。クラッドパイプのガラスにはＮｄＦ３を添加していな
い。これらのコアロッド及びクラッドパイプはロッドイ
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１２
５μｍの５Ｍファイバが得られた。

この５Ｍ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ビーク波長、増幅ピーク波長及び１．３１０
μｍでのゲインを対象として、第５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２図の表に示したゲインは１．
３１μｍにおけるものである。レーザ光源３２としては
、励起波長が０．７’８ｕｍ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．
３１０μｍとした。ＥＳＡピ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、エネルギー波長を割
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。

１．３μｍ帯でのゲインに注目すると、ＮｄＦ３の濃度
が１００ｍｏｌ　ｐｐｍ　〜１００００ｍｏｌｐｐｓの
範囲では、所定値以上の利得が得られることがわかる。

また、Ｎ　ｄ　Ｆ　ａの濃度に応じて、蛍光ピーク、Ｅ
ＳＡビーク及び増幅ピークは漸次長波長側に移動して行
く。尚、１００　ｍｏｌ　ｐｐｍ以下では活性イオンと
なるＮｄ３＋が少なく、高い効率の光増幅が行えないも
のと考えられる。他方、１００００ｍｏｌ　ｐｐｍ以上
では、次第に増幅ピークが長波長側に移動してしまって
、１．３１μｍで有効な利得が得られない。これは、Ｎ
　ｄ　”４オンの濃度が増大し、イオンの配位子場等に
及ぼす影響が大きくなり過ぎ、大きな波長シフトが生じ
てしまうものと考えられる。この結果、波長シフトの影
響が遷移確率の及ぼす影響よりも大きくなり、十分な増
幅が得られないものと考えられる。

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　
”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（「Ｅｒトープファイバー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ー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Ｎｄ”＋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、弗化物を主成分とする本発明の機
能性多成分ガラスによれば、励起光の存在により１．３
μｍ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。

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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による機能多成分ガ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等を示した
図、第３図は本発明による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１．３１０μｍでのゲインについて説明し
た図である。

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＾＋を活性物質として含み、弗化物を主成分と
   する機能性多成分ガラスであって、 ＮｄＦ＿３の濃度が１００ｍｏｌｐｐｍ乃至１００００
   ｍｏｌｐｐｍである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。