JPH07118558B2 - 光ファイバ - Google Patents

光ファイバ

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JPH07118558B2
JPH07118558B2 JP63265903A JP26590388A JPH07118558B2 JP H07118558 B2 JPH07118558 B2 JP H07118558B2 JP 63265903 A JP63265903 A JP 63265903A JP 26590388 A JP26590388 A JP 26590388A JP H07118558 B2 JPH07118558 B2 JP H07118558B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、螢光体の添加物を有する光ファイバ、特にフ
ァイバレーザの構成に適した光ファイバに関する。
〔従来の技術〕
近時、0.3μm乃至4μmの波長の放射が光ファイバの
コア内で生ずる装置について、広い範囲で多くの技術的
興味がある。これ等の装置においては、ファイバは通常
ポンプ放射といわれる励起放射で相互作用をして所望の
出力を生ずる螢光体の添加剤を有する。装置は例えば広
帯域源、超輝度源及び温度センサのような多くの形態を
有するが、レーザ作用を生ずる装置は遠距離通信におい
て特に重要である。遠距離通信は、光発振器及び光増巾
器のような2つの別の手段でレーザ作用を用いる事が理
解される。然し乍ら、同じにドープされたガラスファイ
バが複数のこのような応用及び総てのかかる応用に等し
く適している。応用物理文けん(Applied Physics Lett
ers)(1973年10月1日発行第23巻,第7号,第388頁と
第389頁)においてストーン(Stone)とニユラス(Nurr
us)は端部を励起化したファイバ幾何学系を有するネオ
ジュームでドープされたシリカで作られたレーザについ
て述べている。それ等の構成の1つは溶融したSiO2のジ
ャケット内に総て包括されたSiO2とNb2O5の薄い受動ス
リーブ内に包括された溶融したSiO2とNd2O3の能動コア
をする。能動コアの直径は約800乃至15μmでサンプル
の長さは1cmである。薄い受動スリーブの作用はコアの
案内、従ってポンプ効率を増加することである。
米国特許第3808549号は内側のクラッド層と外側のクラ
ッド層とによって包囲された能動コアを有する光導波路
の光源について述べている。外側のクラッドの屈折率は
内側のクラッドの屈折率よりも小さく、内側のクラッド
の屈折率はコアの屈折率より小さい。ポンプ放射は外側
のクラッド内にある内側のクラッド層内で始まる。ポン
プ放射はコアを経て多くの通路を作り、それによってコ
アによる吸収が増加する。信号はコア内で生ずる。
〔発明が解決しようとする課題〕
長い間稀土類元素、例えばNd,Er,及びYbが螢光特性を生
じ、光ファイバに螢光体の添加剤として用いるのに適し
ているものと認識されていた。それ等の螢光特性は上述
したレーザ装置に用いるのに特に適している。螢光装置
の作用は、異なる転移において連続放射に対し励起状態
に添加剤のイオン(或は他の基本的な分子)を増大する
為にポンプ光子を吸収してなされる。レーザ装置におい
ては、この発光は信号光子の存在によって刺激され、従
ってレーザ装置の操作は信号波長における放射相互作用
による。本発明の目的は光ファイバ内に送り込まれるポ
ンプパワーを有効に用いる事である。この事は光増巾器
の場合には小さく送り込まれたポンプパワーで大きな利
得を得る事を意味し、光発振器では低レーザスレッシュ
ショルド(threshold)を意味する。
〔課題を解決するための手段及び作用〕
本発明によるファイバは、コアの断面上に不平等に分配
された螢光体の添加剤を有し、コアとクラッドの境界に
おけるよりもコアの中心において添加剤のより大きな濃
度を有する。添加剤の最も大きな濃度はポンプ作用中、
最も高いポンプ放射の密度が期待されるファイバの領域
内にある事が理想的である。添加剤の小さい或は零の濃
度は小さいポンプ密度が期待される場所にある。
最も大きなポンプ作用においては、ポンプ放射の最も大
きな密度がコアの中心に存在し、周辺では零でコアの中
心では最も大きな添加剤の濃度を与える事が望ましい。
コアの2つの領域、即ち外側の領域で囲まれた内側の領
域を有する事が好ましく、内側の領域は添加剤を含み、
外側の領域は実質的に添加剤を含まない。内側の領域
は、コアの断面の1/4未満、例えば5乃至15%に構成さ
れている。
ファイバは螢光体の添加剤と適合し得る任意のガラスで
構成される。かくして、例えば、ファイバは一般のケイ
酸塩、フォスフェイト及びフッ化物系、例えばZr,Ba,L
a,Al,Na及びHfのフッ化物或はシリカ系、例えばコア内
の屈折率を調整する為にGeO2のような添加剤を有するSi
O2で構成される。
特別な実施例においてはシリカファイバは (a)溶融点を減少する為にP2O5を加え、屈折率の増加
を抑制する為にFを加えたSiO2で形成されたクラッド。
(b)屈折率を増加する為にGeO2を加え、溶融点を減少
する為にP2O5を加えたSiO2で形成された外側のコア領
域。
(c)屈折率を増加する為にAl2O3を加え、溶融点を低
下し失透を防止する為にP2O5を加え、ポンプ放射と相互
作用をする為に螢光体の添加剤を加えたSiO2で形成され
た内側のコア領域。
を有する。
ファイバの寸法は信号波長で単一モードである事が好ま
しい。これは、たとえば4又は5までのいくつかのモー
ドをポンプ周波数において維持し得ることを意味する。
多くの螢光体の添加剤は稀土類金属を含む。これ等の内
最も重要なものは、スリー(3)レベル機構でレーザ光
を発するErと、3及び4のレベル機構でレーザ光を発す
るNdである。
本発明によるシリカファイバを作る1つの方法は、通常
MCMVDと呼ばれる変形化学蒸着方法を用いる。MCVDは、
終局的にファイバの操作部を形成するガラスが等量の塩
化物を基板管体の内面に層毎に蒸着される所望の酸化物
に変化する事によって作られるから、内側の蒸着処理と
して知られている。通常全体で10乃至30の層が蒸着され
る。最初に蒸着したガラスは孔明きであるが、この孔明
き材料は直ちに溶融して充実した層となりその上に次の
層が蒸着される。総ての層が蒸着されると、管体はロッ
ド状に変形されファイバ状に引かれる。
本発明によるファイバを作る為に、この処理はクラッド
と外側のコアを作る為に引き続いて行われる。内側のコ
アの先駆物は蒸着されるが孔明きの状態で残る。螢光体
の添加剤を含む添加剤は溶液として孔明き層に加えられ
る。溶剤を除去し、必要に応じて酸化物に変えた後、孔
明き層は固められた管体はロッド状に変形され次いでフ
ァイバ状に引かれる。
孔明き層内に溶液を浸漬する事は光ファイバに添加剤を
加える多くの公知の技術の1つである。本発明によれば
小さなドープされた中心領域が大きなコア内にある。MC
VDの固有の1つの困難性は蒸発によって露出した内面か
ら添加剤が損失する傾向がある事である。この問題は本
発明が軸上において添加剤の大きな濃度を必要とするか
ら、受け入れられない。添加剤が削除された部分は最終
の変形の直前に例えばエッチングによって除去され得
る。変形の最終段階で更に添加剤が損失するという危険
はあるが、これは下記理由によりある顕著な程度まで起
り得ない。即ち、 (1)露出面が非常に小さいから損失の割合が最小であ
る。
(2)最終段階は顕著な損失が生ずるには非常に短かい
時間である。
然し乍ら、我々はアルミニュームをコアの屈折率を調節
する為に用いると、添加剤の損失は顕著ではないという
事を発見した。アルミニュームは同時に螢光体の添加
剤、例えばAl(NO3)3としてアルコールの溶液中に加え得
る。加熱中Al(NO3)3はAl2O3に変化する。
本発明によるファイバは、螢光体の添加剤に対して励起
放射を与える為のポンプを含む一般のファイバ装置を作
る為に用いられる。
〔実施例〕
図面はMCVD処理によって準備された本発明によるファイ
バを示す。このファイバはMCVD処理に用いられた基板管
体の残りである残留層10を有する。層10は光作用を有さ
ない。ファイバは又一般のクラッド11と非添加の外側領
域12及び0.001〜10.0重量パーセントの濃度のErのよう
な螢光添加剤を含む内側の領域13を有するコア14をもっ
ている。
上述したファイバは一般のMCVD処理によって準備され、
この処理中基板管体は反応ガスがその孔を経て通過し乍
らガラス吹付けレース内を回転する。操作中、以下に述
べる3つの異なった反応混合物が用いられる。
約2cmの管体の短い部分が伝播する炎によって反応温度
に加熱される。この部分においては、塩化物は、多孔質
のリングとして炎の下流で蒸着する酸化物に変わる。炎
が横切ると、クラッドと外側のコアの場合、蒸着物は溶
けて基板管体の内面に薄い層を形成する。内側のコアの
場合、低い温度が用いられるから蒸着物はとけずに孔を
残す。
クラッドの先駆物を形成する為に用いられる反応混合物
はSiCl4を通る毎分700mlのO2とPOCl3を通る毎分90mlのO
2の泡立ちによって得られる。
これ等の2つのガスの流れの混合物は毎分1.5リッター
のO2と毎分1.0リッターのHeで薄められる。更に、毎分6
mlのCCl2F2が混合物中に含まれる。加熱された領域の温
度は1600℃で、炎は毎分18cmで横切る。
かくして、5つのクラッド層が10mmの内径の基板管体上
に蒸着される。これ等は一体に溶けてP2O5とフッ素で添
加されたSiO2のクラッド層を形成する。
P2O5はPOCl3から誘導されるものであり、一体化して、
溶融を容易にするSiO2の溶融点を低下させる。P2O5はシ
リカの屈折率を僅かに増加するがフッ素は屈折率を僅か
に減少する。2つの濃度を平衡させる事により、5つの
クラッド層の屈折率は純粋のシリカの屈折率と本質的に
等しくなる。かくして、POCl3とCCl2F2は本質的にSiO2
を含む最終製品を作る際に何等影響を有さない処理促進
剤である。
外側のコアを形成する為に、8つの層が次に蒸着され
る。各層の為に用いられた反応混合物はSiCl4を通る毎
分200mlのO2とGeCl4を通る毎分200mlのO2及びPOCl3を通
る毎分10mlのO2の泡立ちによって得られる。
これ等3つのガスの流れの混合物は毎分1.5リッターのO
2で薄められる。これ等の8つの層は1500℃で共に溶融
し、炎は毎分16cmで横切る。これによって屈折率を増加
する為のGeO2とガラスの溶融点を低下する事により処理
を容易にする為のP2O5を添加したSiO2よりなる外側のコ
ア領域を形成する。
内側のコアにおける先駆物は2つの孔明き層に蒸着され
る。反応混合物はSiCl4を通る毎分200mlのO2とPOCl3
通る毎分10mlのO2の泡立ちによって得られる。そして毎
分1.5リッターのO2で薄められる。
炎が横切る速度は毎分17cmであり、最大温度は1300℃で
あるがこの温度は蒸着物を溶かすには非常に低い。総て
の泡立ち操作においては液体は25℃である。この点にお
いて管体はレースから除去され、1MAl(NO3)30.08MErCl3
のエタノールの溶液内に1時間浸漬することによって孔
明き層に添加物が加えられる。
浸漬後、管体は1時間N2で乾燥され、レースに戻されて
約800℃〜1000℃で数分間加熱される。これによって溶
剤は蒸発する。温度はロッドに変形する為に約1900℃に
上昇する。これは又Al(NO3)3をAl2O3に又ErCl3をEr2O3
に変化する。管体はこれ等の総ての工程中O2/Heの混合
物で満たされる。若し非常に乾燥した製品が要求される
ならば、約10%の容積のCl2がO2/Heの混合物中に加えら
れる。その結果約2mmの直径のコアが得られた。分散X
線技術を用いた分析により、AlとEr3+が中心領域内にあ
ることが認められた。大きなコアが選ぶ為の理由は簡単
に説明される。最終の目的は、例えば直径が1〜3μm
の非常に小さな内側のコア内に含まれたEr3+の添加剤を
有するファイバである。ファイバを得る為には厚い外側
のコア(8層)、薄い内側のコア(2層)及び大きな全
体の線引き比率、即ち約1:105の長さの延びによって決
まる。中間加工体の厚さは処理を困難にし、2つの工程
で引張られる。先づ外径は7mmから3.2mmに減少する。即
ち軸方向の線引は1:4.8である。引張られたロッドはシ
リカの管体でスリーブ化され、ファイバを得る為に1:2.
5×104で線引きされる。この時添加剤が変形中中間加工
体の内側の層からなくなるという良く知られた問題があ
る。上述した処理中にAl2O3が存在し、この成分の存在
においてはEr3+の損失は生じない。製品であるファイバ
は次の測定値を有する。
クラッド11 外径 7μm 内径 4μm 屈折率 シリカに合致 コア 外側領域12 外径 4μm 内径 1.5μm Er3+ 含まず コア 内側領域13 外径 1.5μm Er3+ 1重量パーセント 一般特性 外径 125μm LP11カットオフ 790nm 屈折率ステップ 0.01 屈折率ステップはコアの屈折率とクラッドの屈折率との
間の差を示す。
このファイバの操作の可能な理論を次に簡単に述べる。
上述した考察は、特に3つのレベルシステムとしてレー
ザー光を発する添加剤に関連する。
3つのレベルとは (a)基底状態、 (b)ポンプレベル (c)上位のレーザーレベル(準安定レベルとしても知
られている)である。
基底状態のイオンによるポンプ光子の吸収はそのイオン
を上位のポンプレベルに伝え、そこから上位のレーザー
レベル迄非放射的に衰える。そのイオンは次いでレーザ
ー動作転位を経て基底状態に戻る。即ち信号光子を生ず
る。レーザー操作に対して必然的な反転分布を得る為
に、添加剤のイオンの半分以上を基底状態から上位のレ
ーザーレベルに送る事が必要である。かくして、空間の
特別の点において、半分以下のイオンが上位のレーザー
レベルに送られるならば、信号ビームはその点で減衰す
る。
従って、ポンプ密度が最も高い場所、即ち軸上に螢光体
の添加剤を位置させ、ポンプ密度の低い領域に添加剤イ
オンの存在を防ぐ事が最も好ましい。
単一のモードである信号ビームは又軸上に最大の密度を
有し、励起された添加剤のイオンと重なりかくして有効
に上位のレーザーレベルを減少する。
本発明の利点を説明する為に、比較測定が、両者とも蛍
光体としてEr3+を用いた2つの非常に類似したファイバ
になされた。Aとして示されたファイバは図に示すよう
に中心のコア領域内にEr3+イオンが位置している。Xと
して示された比較されるべきファイバは他の標準なEr3+
の分布、即ちコアの全体に一様に分布されたEr3+を有し
ている。両ファイバの詳細を表1に示す。
ファイバAの場合、添加剤は内側の領域13内にのみ含ま
れる。この領域のみに基づくと、Er3+の濃度は、0.45重
量%であり、コア全体に基づくと、0.037重量%であっ
た。
ファイバXの場合、Er3+の濃度は全体のコア14を基準に
して0.05%重量である。
2つのファイバの性能は各々の透明度を測定する事によ
って比較された。
透明度を測定する為、ポンプパワーがその長さに沿って
大きく変化しないように短い長さのファイバが用いられ
る。試験は、信号を1.54μmの波長で発射し、528.7nm
の波長でファイバの端部においてポンピングすることで
なされた。信号の入力と出力とはポンプパワーのいくつ
かの値に対して測定された。信号が増巾もせず或は減衰
もしない特別なポンプパワーがあり、このパワーは透明
度として知られている。この名称は、ファイバはこのポ
ンプパワーにおいて疑似的な完全に透明な窓を形成する
から適当と思われる。透明度よりも大きなポンプパワー
では、ファイバは信号ビームを増巾し、小さいポンプパ
ワーでは、ファイバは信号ビームを減衰する。透明度は
本発明の性能の直接の測定値であり、透明度が小さけれ
ば性能は良くなる。2つのファイバの透明度は ファイバA 0.8mW ファイバX 1.4mW 比率 1:1.75 である。
〔発明の効果〕
本発明によるファイバは比較ファイバよりも更に小さい
ポンプパワーで利得を得た。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明によるファイバの断面図である。 11…クラッド、12…外側のコア、13…内側のコア、14…
コア。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョナサン・リチャード・アーミテイジ イギリス国、アイピー3・8エージェイ、 サフォーク、アイプスウイッチ、グラッド ストーン・ロード 14 (56)参考文献 特開 昭62−219678(JP,A) 米国特許3894857(US,A)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コア内に螢光体の添加剤を含み、螢光装置
    を形成するのに適した光ファイバであって、添加剤の濃
    度はコアとクラッドとの間の境界面におけるよりもコア
    の軸における方が大きい事を特徴とする光ファイバ。
  2. 【請求項2】コアは内側領域とこの内側領域を包囲する
    外側領域とよりなり、添加剤の殆んどが内側領域内に含
    まれる請求項1記載の光ファイバ。
  3. 【請求項3】添加剤はコアの内側領域内に実質的に一様
    に分布される請求項2記載の光ファイバ。
  4. 【請求項4】添加剤は稀土類元素である前記請求項の何
    れか1項記載の光ファイバ。
  5. 【請求項5】添加剤はEr,Nd,Pr,Ho,Yb及びTmから選ばれ
    る請求項4記載の光ファイバ。
  6. 【請求項6】(a)第1の屈折率を有する第1のガラス
    成分から形成されたクラッド領域と、 (b)クラッド領域によって包囲され、前記第1の屈折
    率よりも大きな第2の屈折率を有する第2のガラス成分
    より形成された外側のコア領域と、 (c)前記外側のコア領域によって包囲され、前記第2
    の屈折率に実質的に等しい屈折率を有する第3のガラス
    成分で形成され、第3のガラス成分はレーザー動作転位
    をなし得るEr,Nd,Pr,Ho,Yb,及びTmから選ばれた元素で
    ある添加剤を有し、この添加剤の濃度は全体の第3のガ
    ラス成分を基準にして前記元素の0.001〜10%重量であ
    る内側のコア領域とよりなる光ファイバ。
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