JPH0450137A - 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先ファイバ増幅器、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　””）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ァイバ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　％　Ｅ　
ＳＡ　（ｅｘｃｉｔｅｄ　５ｔａｔｅ　ａｂｓｏｒｐｕ
Ｎｏｎ　）ピーク波長１．３１０μｍ１増幅ピーク波長
１．３６０μｍという結果か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、波長約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。

〔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、弗化物を主
成分とするホストガラスにＮｄ”＋を活性物質として添
加した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、Ｎｄ以外のランタノイド元素の弗化物の濃度を３ｍ
ｏｌ％以上であってガラス形性能を劣化させない程度の
量としている。このようなランタノイド元素としては、
Ｌａ、、Ｅｒ、Ｙｂ。

ＨｏＳＰｍ５５ｍ５Ｅｕ等を使用することができる。ま
た、これらのランタノイド元素の弗化物は、その一部を
酸化物に置き換えてもよい。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、アルカリ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、Ｎｄ以外のラン
タノイド元素の弗化物の濃度を３ｍｏｌ％以上であって
ガラス形性能を劣化させない程度の量までの範囲で変化
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
　””（７）受ける静電場等の配位子場の変化に起因す
るものと考えることが可能である。

つまり、ホストガラスの一部を構成するＮｄ以外のラン
タノイド元素の弗化物の濃度の変化の影響を受けて、Ｎ
　ｄ　”０’：）配位子場の対称性、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、Ｎ　ｄ　３〜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＋添加の機能性多成分ガラ
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、
基底準位れ、フォノンを放出した後準位　Ｆ　　に遷移
す３／２ る。このようなポンピングにより、準位４Ｆ３／２ 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。

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つ０ 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
か与えられる。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　””（７
）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、例えばホストガラス
を構成するＮｄ以外のランタノイド元素の弗化物の濃度
を変化させることで、Ｎ　ｄ　３”＋７）周囲の配位子
基を変化させることになり、この配位子基の中にあるＮ
ｄ３＋の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＋の吸・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。

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１ｂ、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ＩＣ１２Ｃともに短波長側にシフ
トさせ、吸・発光のスペクトルＩＣ％２ｃの和として与
えられる実ｕ　３　ｃ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
利得か得られる。

第７図（ｅ）は、吸・発光スペクトルｌｅ、２ｅ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
１　ｅｓ　２　ｅ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。

ホストガラスの一部を構成するＮａＦ又はＡｌＦ３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。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、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、ホストガラスの一部を構成する
Ｎｄ以外のランタノイド元素の弗化物の濃度を変化させ
ることにより、Ｎｄ”＋の周囲のイオンか一部Ｎｄイオ
ンに置換され、Ｎｄ３＋の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
ド元素の弗化物の濃度を変化させることにより、Ｎ　ｄ
　”０’：）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かＮｄ以外
のランタノイド元素の弗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−Ｆ結合の共有性３＋４ に変化が生じ、Ｎｄ　　自体のの　Ｆ３／２準位及びは
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元素の弗化物の濃度を３ｍｏ
ｌ％以上であってガラス形性能を劣化させない程度の量
とすることにより、Ｎｄ３＋の吸・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　”との濃度に合わせてＮｄ以外のランタノイ
ド元素の弗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
ることがわかった。

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、先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中のＮｄ以外の
ランタノイド元素の弗化物の濃度を３ｍｏｌ％以上であ
ってガラス形性能を劣化させない程度の量としているた
め、１．３１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Ｎｄ３＋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、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　ａ、Ｂａ
Ｆ　　、ＬａＦ　　５ＥｒＦ　　５ＡＩＦ３及びＮａＦ
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の弗化物であるＮｄＦ３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。溶融した原料は、十分な混合が完了した後に、ガラ
ス化する。ガラス化したこれらの試料は、その組成比に
応じて試料Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｄｌ
及びＢ２と命名した。これらの試料Ａ１〜Ｄ２の組成と
別に作製された比較試料の組成とを第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。マス、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
。クラッドバ３＋ イブのガラスにはＮｄ　　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１２５μｍの３Ｍ
ファイバが得られた。この３Ｍ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１．３１０
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０．７８．ｃｚｍ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、ＬａＦ３の濃度
が３〜１５ｍｏ１％の範囲、又はＥｒＦ３の濃度か３〜
１５ｍｏ　１％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、この範囲では、増幅ピークが１
．３１０±０．０１５μｍの範囲に収まる。この場合、
ＬａＦ３若しくはＥ　ｒ　Ｆ　３の濃度に応して、蛍光
ピーり、ＥＳＡピーク及び増幅ピークは漸次短波長側に
移動して行く。

尚、Ｌ　ａ　Ｆ　３及びＥｒＦ３の濃度が３　ｍ　ｏ　
１％以下では顕著な効果が得られない。Ｌ　ａ　Ｆ　３
及びＥ　ｒ　Ｆ　ｓの濃度が低いため、配位子基に効果
的な変化を生しさせることができないものと考えられる
。他方、Ｌ　ａ　Ｆ　ａの濃度が１５ｍｏ１％を越える
とガラスは結晶化してしまう。また、Ｅ　ｒ　Ｆ　ａの
濃度が１５ｍｏ１％を越えてもガラスは結晶化してしま
う。ただし、このような結晶化はガラス組成の改良、冷
却法の改良等によりある程度改善されるものと考えられ
る。

すでに述べたように、ＬａＦ　　及びＥ　ｒ　Ｆ　３の
濃度が増大すると、次第に増幅ピークが短波長側に移動
することか観察される。これは、Ｎｄ３＋の周辺に配置
され大きな半径を有するＬａイオン又はＥｒイオンの量
が増大し、Ｎｄ３＋の配位子基等に及はすこれらＬａ、
Ｅｒ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＋か励起される。この励起されたＮｄ”（
ｒ）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、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・光増幅か可能になる。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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による弗化物を主成分とする機能多成分
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。 １０． ０　・・ ３＋ Ｎｄ　　をドープしたガラスをコア とする光ファイバ、 ２・・・励起用のレーザ光源、 ３・・・光学手段であるカプラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、波長１．３μｍ帯での光増幅のため、弗化物を主成
   分とするホストガラスにＮｄ＾３＾＋を活性物質として
   添加した機能性多成分ガラスであって、Ｎｄ以外のラン
   タノイド元素の弗化物の濃度が３ｍｏｌ％以上であって
   ガラス形性能を劣化させない程度の量であることを特徴
   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に記
   載の光ファイバと、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。