JPH0459635A - 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１．３μｍ帯での光増幅に使用される光機能性
ガラス及びファイバ増幅器に関する。

〔従来の技術〕

希土類元素を添加した光機能性ガラスは、一般に１．３
１０±０．０２５μｍの範囲で行われる１、３μｍ帯で
の光通信に使用するファイバ増幅器、ファイバセンサ、
ファイバレーサ等の光機能性装置への応用か考えられて
いる。例えば、燐酸塩系の多成分ガラスにネオジムイオ
ン（Ｎ　ｄ　”）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レーサ発振特性について評
価した旨の報告（ＥＬＥＣＲＯＮＩＣ３ＬＥＴＴＥＲ３
，１９９０，Ｖｏｌ、２Ｂ。

Ｎｏ、２．Ｉ）ｐ１２１−１２２）等がなされている。

この報告では、光ファイバの特性に関して、蛍光ピーク
が波長１．３２μｍに存在し、レーザ発振ピークが波長
１．３６μｍに存在し、Ｅ　Ｓ　Ａ　（ｅｘｃｅｅｄｓ
ｔａｔｅ　ａｂｓｏｒｐＮｏｎ）ピークが波長１．３１
μｍ帯域に存在するという結果が示されている。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかし、上記の報告に示される多成分ガラスでは波長１
．３μｍ帯で利得か得られていなかった。

このように利得が得られない理由として、Ｎ　ｄ　””
の波長１．３２μｍでの蛍光ピークが比較的微弱である
ことと、ＥＳＡ遷移による比較的大きな吸収ピークがち
ょうど１．３１μｍ帯域に存在することとか考えられて
いる。

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、波長１．３μｍ
帯での光増幅を可能にする、或いはその増幅効率を高め
る光機能性ガラスを提供することを目的としている。

また、本発明は、上記光機能性ガラスを用いた光ファイ
バを含む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光機能性ガラスであって、波長１．
３μｍ帯での光増幅を可能にする、或いはその増幅効率
を高めるガラスを見出した。

本発明に係る光機能性ガラスにあっては、希土類元素の
イオンであるセリウムイオン（Ｃｅ３＋）テルビウムイ
オン（Ｔｂ””）、プラセオジムイオン（Ｐｒ　　）及
びサマリウムイオン（Ｓ　ｍ　””）の３十 内少なくとも一種類のイオンを、Ｎ　ｄ　”、！：共に
ホストガラス（マトリックスガラス）に添加することと
している。

本発明に係る光機能性ガラスにおいては、３＋　　　　
　　３＋　　　　　　　３＋Ｃｅ　　　Ｔｂ　　　Ｐｒ
　　若しくはＳｍ３＋又はこれらの組み合わせをホスト
ガラスに共添加することにより、Ｎｄ”Ｏｌ、０６μｍ
帯での発光を抑制できることと、この結果波長１．３μ
ｍ帯での光増幅に適したガラスを得ることかできること
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＋添加の光機能性ガラスに導入された０、
８μｍ帯の励起光は活性物質であるＮｄ３＋を励起する
。この結果１、エネルギー準位　Ｆ３／２からエネルギ
ー準位　Ｉ　　への遷移に対応する１３／２ １．３μｍ帯の輻射と、その他の輻射として、エネルギ
ー準位　Ｆ　　からエネルギー準位３／２ ”１１／２への遷移に対応する１、０６μｍ帯の輻射等
か可能になる。

Ｎｄイオンに関する上記の現象を統計的に考えてみる。

ホストガラス中のＮ　ｄ　３”Ｏ多数は、励起されて波
長１．０６μｍ帯、波長１．３μｍ帯等の発光に対応す
る遷移が可能な状態となっている。

励起された上記Ｎｄ３＋の一部分は、自然放出或いは誘
導放出により所定の確率で波長１．３μｍ帯の光を放射
する。また、励起された上記Ｎｄ”＋の一部分は、自然
放出或いは誘導放出により、所定の確率で波長１，３μ
ｍ帯の光ではなく波長１．０６μｍ帯の光を放射する。

この場合、Ｎ　ｄ　””Ｏ波長１．０６μｍ帯の放射光
を抑制するための物として、波長１．０６μｍ帯の放射
光のみの抑制体がホストガラス中にある程度の量存在す
れば、これらの抑制体はＮｄ３”Ｏｌ、０６μｍ帯先の
放射を抑制し、更に波長１，０６μｍ帯の光に起因する
誘導放出を抑制することかできる。

この結果、波長１．３μｍ帯での誘導放出の効率の低下
を防止することかできる。

以上の仮説について、第１図及び第２図を参照してより
具体的に説明する。

第２図は、燐酸塩系のガラス試料に添加された活性物質
であるＮ　ｄ　３”（７）エネルギー準位を示した図で
ある。図に示す吸・発光遷移の波長は、このガラスから
作製した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したものであ
る。主な遷移について説明すると、約０．８０μｍの励
起光により、基底遷移する。このようなポンピングによ
り、準位４Ｆ　　　と、準位　１　　　、　１　　　、
’１３／２　　　　　　９／２　　　１１／２　　　１
３／２及び　■　　との間に反転分布が形成されると、
１５／２ 波長０．８８μｍ、波長１．０６μｍ、波長１．３３μ
ｍをピークとした発光が可能になる。

これらの発光の強度は、外因がないものとすれば自然放
出による発光と考えてよく、Ｎｄ”＋添加ガラスの蛍光
ピークの高さに対応するものと考えられる。波長０．８
８μｍ５波長１．０６μｍ及び波長１．３３μｍにおけ
るＮ　ｄ　”（ｒ）蛍光ピーク高さは、波長０．８μｍ
帯励起光のみをＮｄ３＋を添加したバルクガラスに入射
させることて求まり、それらの比はそれぞれ約５：９：
１であった。

この様に、波長１．０６μｍ帯での発光確率が非常に大
きいという事実に対し、この発光の低減及びこれに起因
する誘導放出を低減させるための方法を示したのが第１
図である。

波長０．８μｍ帯光６励起されたＮｄ””は、例えば自
然放出により波長０．８８μｍ帯、波長１．０６μｍ帯
及び波長１．３μｍ帯の光を放射する。ここで、発光確
率の比較的高い１．０６μｍ帯光の６の適当な抑制体と
して、基底準位の約２０００　ｃｒｎ−’上方にエネル
ギー準位を有する活性イオンがＮ　ｄ　””（７）近傍
に存在すれば、この活性イオンの上記エネルギー準位に
存在する励起された電子からのエネルギ伝達により、Ｎ
ｄ３＋の基底４１１□／２に励起されることとなる。こ
の結果、多４１１□／２との間の反転分布が選択的に消
滅し、或いはその反転分布の度合いが減少し、準位４Ｆ
３／２から準位４■ １□／２への遷移に対応する波 長１．０６μｍ放射の放射が制限される。このように波
長１．０６μｍ帯での発光が抑制された状３＋ 態のＮｄ　　を含むガラスに１．３μｍ帯の信号光が入
射すると、波長１．３μｍ帯での誘導放出が１．０６μ
ｍ帯での発光に妨げられること無く効果的に行われる。

よって、ＥＳＡに起因する波長１．３μｍ帯域での吸収
の存在にもがかわらず、波長１．３μｍ帯での光増幅・
発光が可能になるとともに、光増幅の利得を増大させる
ことができる。

上記抑制体の条件としては、基底準位の約２０００ｃｍ
　　上方にエネルギー準位を有することのみならず、波
長的１．３μｍ帯の放出光を吸収しないものであること
、励起光を吸収しないこと等も必要である。この様な抑
制体として活性イオンを用いてこれをＮｄ３＋と共にホ
ストガラスに添加する場合、吸収帯がブロードな遷移金
属の使用は適さず、吸収帯がシャープな希土類元素の使
用か望ましい。更に、その活性イオンの基底準位がら約
２０００ＣＩ１１−１上方のエネルギー準位の状態密度
が高いことか望ましい。このような条件での希土類元素
イオンの選択を示したのが第３図である。

尚、第３図に示される希土類元素のエネルギー準位は結
晶中のものである。上記の条件を満たす希土類元素の候
補として、Ｃｅ３＋３＋３＋Ｔｂ　　　　　Ｐｒ 若しくはＳｍ”＋が望ましいことがゎがる。ｃｅ３＋７
Ｆ６遷移、Ｐｒ　　の　Ｈ５−Ｈ４遷移及び３＋　　３
　　　　　３ ５ｍ３＋の６）Ｉ　　　−６Ｈ遷移は、それぞれ波９／
２　　　　　５／２ 数的２３００　ｃｍ　　　１９００　ｃｍ　　　２１０
０　ｃｍ−１及び２３００８ｍ−’となっており、これ
らの値は準位　Ｉ　と準位　Ｉ　　との差約２０００ｃ
ｍ−１に対応する。

なお、Ｃｅ３＋＄のイオンを波長１，０６μｍ帯の発光
に対する抑制体として機能させるためには、３＋ 例えばＣｅ　　については、エネルギー準位２Ｆ７／２
に電子か励起されている必要がある。このような励起を
起こさせるためには、５μｍ帯の励起光を用いてＮｄ　
　を励起することが望ましい。

５μｍ帯の光が吸収されないようにするという条件から
すると、カルコゲナイドガラスの使用が最も望ましい。

上記の５μｍ帯の励起光に替わる他の方法としては、例
えばｃｅ３＋Ｐ１ｇのより高い別のエネルギー準位に電
子を一旦励起し、この別の準位から準位２Ｆ ７／２に電子を遷移させる方法もあ るか、更に別のイオンを用いてエネルギー伝達を行うこ
とも可能である。

上記の仮説が適切なものであるがどうかは不明である。

いずれにせよ、本発明者の実験・検討によれば、ガラス
中に、Ｎｄ”＋と共にＣｅ””Ｔｂ”Ｐｒ　　若しくは
Ｓｍ　　又はこれらの組み３＋　　　　　　　　　　３
＋ 合わせを添加することにより、Ｎｄ３＋の１．０６μｍ
帯での発光をＣｅ　　等により抑制させることができ、
波長１．３μｍ帯での光増幅を可能にする或いはその増
幅効率を高める有望なガラスか得られた。

上記の光機能性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よいが、上記の光
機能性ガラスからなるコア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く、また
波長１．３μｍ帯の光機能性装置を得る上でも望ましい
。即ち、上記ような光機能性ガラスは、これをコアとし
た光ファイバを作製することにより、ファイバレーザ、
ファイバ増幅器、ファイバ検出器等の光機能性装置への
応用が可能になる。

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。光機能性ガラスが例えばカルコゲナイドガラスを
用いたものであるときは、まず３＋ Ｎｄ　　とＣｅ”＋等とを添加した光機能性ガラスから
なるプリフォームを準備し、第４図のような線引き装置
にこのプリフォームをセットし、光ファイバに線引きす
る。第４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て加熱され、軟化して線引きか開
始される。

線引きされたファイバコア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。

こうして得られたファイバコア１０をクラッドで被覆し
て光ファイバを作製する。光機能性ガラスが酸化物系或
いは弗化物系のガラスであるときは、ますＮｄ３＋とＣ
ｅ３＋１とを添加した光機能性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、このプリフォームを第４図に示す線引き装置にセッ
トし、光ファイバに線引きする。

この光ファイバ１０を用いた１、３μｍ帯のファイバ増
幅器の一構成例を第５図に示す。図に示すように、ファ
イバ増幅器は１．３μｍ帯の信号光の導波路となるファ
イバ３０と、波長０．８μｍ帯の第１の励起光を発生す
る第１の励起光源３２と、波長５μｍ帯の第２の励起光
を発生する第２の励起光源３４と、これらの励起光を第
１の励起光源３２から光ファイバ３０内に入射させる光
学手段３３とを備える。第１の励起光源３２からの波長
０，８μｍ帯の励起光と第２の励起光源３４からの波長
５μｍ帯の励起光とは、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。

上記のような先ファイバと、第１及び第２の励起光源と
、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波長０
．８μｒｎ帯のＮ１の励起光によってコアガラス中のＮ
ｄ３＋が励起される。更に、波長５μｍ帯の第２の励起
光によってコアガ３＋　　　　　　　　　　　　３＋ ラス中のＣｅ　　　Ｔｂ””Ｐｒ　　若しくは５ｍ３＋
またはこれらの組み合わせが励起される。これら３＋ の抑制体は、Ｎｄ　　の１，０６μｍ帯での発光を抑制
し、励起されたＮ　ｄ　”０）多くは、これと同時に先
ファイバ内に導入された１、３μｍ帯の信号光等に誘導
されて、波長１．３μｍ帯で効率の高い誘導放出を行う
こととなる。この結果、波長１．３μｍ帯でも光増幅利
得が得られるばがりてなく、波長１，０６μｍ帯の発光
に起因するロスが減少する。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、低閾値てＮｄ３＋に反転分布を形成
することかできる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。

ます、光機能性ガラスとして、Ｎｄ３＋と共に３＋　　
　　　　　３＋　　　　　　　３＋Ｃｅ　　　Ｔｂ　　
　Ｐｒ　　若しくは５ｍ３＋を添加したカルコゲナイド
ガラスを準備した。ホストガラスの組成は３０Ｇｅ−２
０Ａｓ−５０５とした。

このホストガラスに添加した活性物質であるネオジムイ
オンの濃度はホストガラスに対し重量で１０００　ｐｐ
ｍとした。抑制体として使用するＣｅ　　　Ｔｂ　　　
Ｐｒ”＋若しくはＳｍ”＋の濃度は、３＋　　　　　　
３＋ すべて１ｏｏｏｐｐｍとした。また、比較のためＣｅ”
＋等を全く共添加していないカルコゲナイドガラスも準
備した。これらの試料はＣｅ３＋＊を共添加してないも
の、Ｃｅ３＋を共添加したもの、Ｔｂ３＋を共添加した
もの、Ｐｒ３＋を共添加したもの及びＳｍ３＋を共添加
したものの順に、試料Ａ〜試料Ｅと名付けた。

こ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、コア用のプリフォームとする。その後、
準備したプリフォームを第４図の線引き装置にセットし
、ファイバコアに線引きした。このファイバコアはその
周りを保護のためＦＥＰのクラッドで覆った。この結果
、コア径８μｍで外径１２５μｍの８Ｍファイバが得ら
れた。この８Ｍファイバは、測定のため１ｍ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Ａ−Ｈの特性の評価は、第５図
のファイバ増幅器等によって行った。

第１の励起光源３２としては、励起波長が０．７８μｍ
で、励起出力か１０ｍＷのＴｉ−サファイアレーザを用
いた。５μｍ帯の光源３４は、熱線ヒータと適当なフィ
ルタとの組み合わせからなる。この光源３４がら光ファ
イバ３ｏへの入力信号の強度は１０ｍＷとした。信号光
源３１としては半導体レーザを使用した。その入力信号
の強度は、−３０ｄＢｍとし、ピーク波長を１．３１０
μｍとした。

なお、各試料Ａ−Ｈについては、Ｎｄ３＋の波長０．８
８μｍ帯、波長１．０６μｍ帯及び波長１．３３μｍ帯
の蛍光についても測定を行った。

それぞれの試料Ａ−Ｅのバルクガラスに１５．０ｍＷの
０．８μｍ帯光δ１１００ｍＷの５．ｃｚｍ帯光とを入
射させ、出てくる蛍光をスペクトラムアナライザで測定
した。

試料Ａ−Ｅの特性評価の結果を第６図の表に示す。

表に示した各試料のケインは１．３１０μｍにおけるも
のである。

３＋３＋ 表からも明らかなように、Ｃｅ　　　ＴｂＰｒ３＋若し
くはｓ　ｍ　３”ｏ添加と、波長５μｍ帯先０使用とに
より、利得か増大する。つまり、Ｃｅ３＋等の抑制体を
共添加せず、波長５μｍ帯の励起光を使用していない従
来型の光ファイバ（試料Ａ）では利得係数か１　、　２
　ｄＢ／ｍＷであるか、波長５μｍ帯の放射光によって
励起された抑制体が存在する場合には、最も利得の少な
いＳｍ””ｆ’＋加の試料Ｅでも利得係数が１　、　５
　ｄＢ／ｍＷとなっている。更に、抑制体を使用するこ
とによるＮ　ｄ　””Ｏｌ、０６μｍ帯での発光抑制は
、表に示した蛍光ピークの強度比によっても裏付けられ
る。すなわち、Ｃｅ３＋等の抑制体を共添加したファイ
バ試料Ｂ−Ｅは、いずれも波長１．０６μｍ帯での発光
ピークが減少しており、相対的に０．８８μｍ帯及び１
．３３μｍ帯の蛍光ピークが増大している。

本発明のファイバ増幅器に使用した光ファイバは、例え
ばファイバレーザ等の装置にも応用する二とができる。

具体的には、ファイバレーザを、上記光ファイバと、第
１及び第２の励起光源と、光学手段と、光共振器とを備
えるように構成する。ここに、第１の励起光源は波長０
．８μｍ帯の励起光を発生し、第２の励起光源は波長５
μｍ帯の励起光を発生する。また、光学手段は励起光を
第１及び第２の励起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１，３μ
ｍ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帯の励起光によ
ってＮｄ３＋が励起される。この励起されたＮｄ３＋ｏ
一部は、光ファイバ内からの波長１．３μｍ帯の放出光
と、先ファイバ内にフィードバックされた波長１．３μ
ｍ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１，３
μｍ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／＜−Ｊ、Ｏｐｌ
ｕｓ　　Ｅ、１９９０年１月、ｐｐ。

１１２〜１１８等参照。）。たたし本実施例の場合、光
ファイバとして、Ｎｄ３＋、ｔｈＣｅ３＋Ｗとをドープ
した上記実施例の光ファイバを使用する。また、第１の
励起光源として、波長０．８μｍ帯の励起光を発生する
レーザダイオードを使用し、第２の励起光源として、波
長５μｍ帯の励起光を発生するヒータを使用する。

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。同時に、ヒータからの波長
５μｍ帯の励起光もこの光ファイバ内に導入される。こ
の結果、光ファイバ内のＮｄ”＋は所定の状態に励起さ
れ、波長１．３μｍ帯での効率の良い発光が可能になる
。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、励起光の出力か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、本発明に係る光機能性ガラスによ
れば、励起されたＣｅ３＋等の抑制体の存在により１．
３μｍ帯での発光・光増幅か可能になり、或いはその増
幅効率を高めることができる。

更に、これを導波路、光ファイバ等に形成することによ
り、光増幅装置、レーザ等の光機能性装置に応用できる
。特に、ファイバに形成した場合、低閾値で高利得のフ
ァイバ増幅器か得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光機能性ガラスに添加したＮｄ及
び抑制体のエネルギー準位を示した図、第２図は従来型
のガラス中のＮｄのエネルギー準位を示した図、第３図
は希土類元素のイオンのエネルギー準位を示した図、第
４図は上記の光機能性ガラスを使用したファイバの形成
装置を示した図、第５図はファイバ増幅器の構成を示し
た図、第６図は第５図のファイバ増幅器の１．３１０μ
ｍ帯でのゲインを示した図である。 １０．３０・・・光ファイバ、３２・・・第１の励起光
源、３４・・・第２の励起光源、３３・・・光学手段で
あるカプラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｎｄ＾３＾＋を活性物質として含む光機能性ガラス
   であって、 Ｃｅ＾３＾＋、Ｔｂ＾３＾＋、Ｐｒ＾３＾＋及びＳｍ＾
   ３＾＋の内少なくとも一種類のイオンをＮｄ＾３＾＋と
   共に添加することを特徴とする光機能性ガラス。 ２、請求項１に記載の光機能性ガラスを有して構成され
   、波長１．３μｍ帯の信号光を伝搬する光ファイバと、
   波長０．８μｍ帯の励起光を発生する第１の励起光源と
   、波長５μｍ帯の励起光を発生する第２の励起光源と、
   波長０．８μｍ帯及び波長５μｍ帯の前記励起光を前記
   第１及び第２の励起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。