DE69206640T2

DE69206640T2 - Optisch aktives Glas und dieses nutzende Vorrichtung

Info

Publication number: DE69206640T2
Application number: DE69206640T
Authority: DE
Inventors: Hiroo Kanamori; Yoshiaki Miyajima; Koji Nakazato; Masashi Onishi; Minoru Watanabe
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-02-01
Filing date: 1992-01-31
Publication date: 1996-05-30
Anticipated expiration: 2012-02-01
Also published as: CA2060427C; EP0498313A1; JP2792744B2; KR960000906B1; CA2060427A1; EP0498313B1; US5244846A; JPH04247435A; AU649304B2; DE69206640D1; TW211089B; AU1061792A; US5377294A

Description

Hintergrund der Erfindung

(Gebiet der Erfindung)

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Funktionsglas, eine optische Faser, ein optisches Wellenleiterteil und eine zur optischen Verstärkung und dergleichen im 1,3 um Wellenband verwendete optisch aktive Vorrichtung.

(Stand der Technik)

Es wurden Anstrengungen unternommen, optische Teile, wie z.B. einen Faserverstärker, einen Fasersensor und einen Faserlaser unter Verwendung eines mit einem Seltenen-Erden- Element dotierten Glases für die Anwendung in den Gebieten optischer Kommunikation in dem 1,3 um Wellenlängenband und dergleichen herzustellen. Beispielsweise wurde ein Bericht erstellt (ELECTRONICS LETTERS, 1990, Vol. 26, No.2, pp. 121 - 122), in welchem ein Neodym-Ion (Nd³&spplus;) einem auf Phosphat basierendem Mehrkomponentenglas zugesetzt, eine optische Faser aus diesem Glas hergestellt und Laseroszillations- Charakteristiken dieser optischen Faser ermittelt wurden. Dieser Bericht zeigt, daß bei den Charakteristiken der optischen Faser eine Fluoreszenzpeak-Wellenlänge bei 1,32 um, eine ESA-Peak-Wellenlänge (Anregungszustandsabsorption) bei 1,31 um und eine oszillationspeak-Wellenlänge bei 1,36 um lag.
In dem in dem vorstehenden Bericht angegebenen Mehrkomponentenglas kann keine ausreichend hohe Laserverstärkung in dem 1,3 um Wellenlängenband erzielt werden, da die Intensität des Fluoreszenzpeaks von ND³&spplus; bei der 1,32 um Wellenlänge relativ schwach ist, und da ein von dem ESA-Übergang verursachter relativ hoher Absorptionspeak bei der Wellenlänge von 1,31 um vorliegt.
Ferner bestehen, wenn eine optische Verstärkung durch Nutzung einer induzierten oder stimulierten Emission wie in der vorstehenden optischen Faser ausgeführt wird, nicht nur Probleme darin, daß der Fluoreszenzpeak bei der 1,31 um Wellenlänge schwach ist, sondern daß auch andere Fluoreszenzpeaks aufgrund möglicher Übergänge vorhanden sind. Insbesondere stellt in der vorstehenden optischen Faser zusätzlich zu dem Umstand, daß der Fluoreszenzpeak von Nd³&spplus; bei dem 1,3 um Wellenlängenband relativ schwach ist, der Umstand ein Problem dar, daß Emissionen von Nd³&spplus; bei den 0,8 um und 1,06 um Wellenlängenbändern, die einem anderen möglichen Übergang entsprechen, relativ stark sind. Aufgrund der induzierten Emission durch die Lichtemissionen bei dem 0,8 um und 1,06 um Wellenlängenband, wird die stimulierte Emission bei dem 1,3 um Wellenlängenband behindert und der Wirkungsgrad der induzierten Emission deutlich reduziert.
Die US-A-3 755 757 offenbart ein mit Nd und U dotiertes Wirtsglas, schlägt aber nicht die in Anspruch 1 definierte spezifische Menge von U vor. Ähnliche Offenbarungen sind in der US-A-3 580 859 und der GB-A-1 409 726 gemacht.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Funktionsglas bereitzustellen, welches eine optische Verstärkung bei dem 1,3 um Wellenlängenband bereitstellen, oder den Wirkungsgrad der optischen Verstärkung verbessern kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Faser und ein optisches Wellenleiterteil bereitzustellen, wovon beide das vorgenannte optische Funktionsglas nutzen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optisch aktive Vorrichtung, wie z.B. einen Verstärker oder Laser bereitzustellen, welcher die vorgenannte optische Faser oder das optischen Wellenleiterteil nutzen.
Der vorliegenden Erfindung entsprechend wird ein optisches Funktionsglas bereitgestellt, welches ein mit ND³&spplus; als ein aktives Ion dotiertes und mit U&sup4;&spplus; dotiertes Wirtsglas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran-Ion eine Konzentration von 50 bis 150% bezogen auf die des ND³&spplus; aufweist, um so eine Emission etwa bei dem 1,06 um Wellenlängenband zu absorbieren, um eine induzierte Emission von ND³&spplus; etwa bei den 1,06 um Wellenlängenband zu unterdrücken und die Wahrscheinlichkeit der induzierten Emission von ND³&spplus; etwa bei dem 1,3 um Wellenlängenband zu erhöhen. Als Wirtsglas "Matrixglas) für diese Dotierungssubstanzen kann ein Mehrkomponentenglas auf Oxidbasis wie z.B. ein Glas auf Phosphatbasis, ein Chalkogenidglas und dergleichen zusätzlich zu einem Glas auf Fluorbasis verwendet werden. Ein solches optisches Funktionsglas kann durch Schmelzen eines Materialgemischs hergestellt werden, in welchem ein Gemisch aus ND³&spplus;- und dem U&sup4;&spplus;-Ion einem Glasmaterial zugesetzt wird.
Da das Uran-Ion (U&sup4;&spplus;) in dem vorgenannten optischen Funktionsglas mitdotiert wird, kann die Emission von ND³&spplus; in dem 1,06 um Wellenlängenband durch das Uran-Ion absorbiert werden. Demzufolge findet man, daß ein für die Verstärkung bei etwa dem 1,3 um Wellenlängenband geeignetes Glas erzielt werden kann, wie es nachstehend beschrieben wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt eine optische Faser bereit, welche beispielsweise aus einem aus dem vorgenannten optischen Funktionsglas bestehenden Kern und einer den Kern umgebenden und einen geringeren Brechungsindex als der Kern aufweisenden Mantelschicht hergestellt werden kann.
Da in der vorgenannten optischen Faser das Uran-Ion in den mit ND³&spplus; dotierten Kernglas und/oder in einen Abschnitt des den Kern umgebenden Mantel mitdotiert wird, kann die Emission von ND³&spplus; bei dem 1,06 um Wellenlängenband von dem Uran-Ion absorbiert werden. Aus diesem Grund kann die optische Verstärkung von Licht des in dem Kern sich fortpflanzenden 1,3 um Wellenlängenbandes durchgeführt werden, oder es kann die optische Verstärkung durchgeführt oder der optische Verstärkungsfaktor erhöht werden. Das heißt, das Licht wird durch den Faseraufbau effektiv in dem Kern eingeschlossen, und der Verlust des eingeschlossenen Lichts ist extrem niedrig, wodurch eine invertierte Verteilung von ND³&spplus; mit einem niedrigen Schwellenwert erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine optisch aktive Vorrichtung bereitgestellt, in welcher ND³&spplus; beispielsweise durch das durch eine optische Einrichtung in die optische Faser eingeleitete Anregungslicht bei dem 0,8 um Wellenlängenband angeregt wird. Ein großer Teil der angeregten ND³&spplus;-Ionen wird durch Licht bei etwa 1,3 um Wellenlänge stimuliert, das zusammen mit dem Anregungslicht in die optische Faser einfällt, und dadurch eine induzierte Emission bei etwa dem 1,3 um Wellenlängenband bewirkt. Optische Funktionen, wie z.B. optische Verstärkung, optisches Schalten und Laseroszillation werden somit bei etwa 1,3 um Wellenlänge realisiert.
Noch eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt einen Faserverstärker bereit, welcher die optisch aktive Vorrichtung umfaßt. Bei diesem Faserverstärker wird ein großer Teil der angeregten ND³&spplus;-Ionen von dem Signallicht bei etwa 1,3 um Wellenlänge stimuliert, das zusammen mit dem Anregungslicht in die optische Faser eingeleitet wird, und erzeugt dadurch Strahlungslicht. Daher kann eine optische Verstärkung bei etwa 1,3 um Wellenlänge ausgeführt werden.
Zusätzlich stellt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Faserlaser bereit, der die vorgenannte optisch aktive Vorrichtung und Resonatoreinrichtung umfaßt.
Bei diesem Faserlaser wird ein Teil der angeregten ND³&spplus;- Ionen von dem Licht bei etwa 1,3 um Wellenlänge stimuliert, das von der optischen Faser emittiert wird, und wird von dem Licht bei etwa 1,3 um Wellenlänge stimuliert, das in die optische Faser zurückgeführt wird, wodurch eine Emission bei etwa 1,3 um Wellenlänge erzeugt wird. Durch die Wiederholung dieser Emission kann eine Laseroszillation bei dem 1,3 um Wellenlängenband ausgeführt werden.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung kann die optische Faser durch ein optisches Wellenleiterteil ersetzt werden.
Optische Funktionen, wie z.B. optisches Verstärken, optisches Schalten und Laserorzillation bei dem 1,3 um Wellenlängenband und einem anderen Wellenlängenband können durch die optisch aktive Vorrichtung unter Verwendung dieses optischen Wellenleiterteils realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, welche nur der Darstellung dienen, und somit nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu betrachten sind, vollständiger verständlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die Energiepegel von Nd;
Fig. 2A einen Fall, in welchem kein Arbsorptionsion in einem optischen Funktionsglas mitdotiert ist;
Fig. 2B einen Fall, in welchem ein Arbsorptionsion in einem optischen Funktionsglas mitdotiert ist;
Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Absorption von Uran darstellt;
Fig. 4 eine Vorrichtung zum Herstellen einer Faser unter Verwendung des mit dem Absorptionsion von Fig. 2B dotierten Funktionsglases;
Fig. 5 eine von der Vorrichtung von Fig. 4 hergestellte Faserprobe;
Fig. 6 eine Anordnung eines Faserverstärkers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine Anordnung eines Faserverstärkers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Anordnung eines Wellenleiterverstärkers gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche eine Beziehung zwischen einer Verstärkung des Faserverstärkers von Fig. 6 bei der 1,330 um Wellenlänge und einer Konzentration von U&sup4;&spplus; darstellt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung und das Verfahren, in welchem die vorliegende Erfindung dargelegt wird, wird nachstehend beschrieben. Der vorstehende Erfinder schlägt die folgende Annahme vor, um das vorstehend beschriebene Phänomen zu erläutern und führte diesbezüglich ausgedehnte Untersuchungen durch.
Das heißt, das Anregungslicht bei dem 0,8 um Wellenlängenband, welches auf das ND³&spplus;-dotierte optische Funktionsglas auftrifft, regt ND³&spplus; als das aktive Ion an. Demzufolge werden Strahlung bei dem 1,3 um Wellenlängenband, welche einem Energieübergang von einem Energiepegel &sup4;F3/2 auf einen Energiepegel &sup4;F13/2 entspricht, und andere Strahlungen, z.B. Strahlung bei dem 1,06 um Wellenlängenband, welche einem Energieübergang von einem Energiepegel &sup4;F3/2 auf einen Energiepegel &sup4;F11/2 entspricht, freigesetzt.
Dieses den Nd-Ionen zugeordnete Phänomen ist als statistisch zu betrachten. Die meisten ND³&spplus;-Ionen in dem Wirtsglas werden angeregt, um Übergänge ausführen zu können, welche einer Emission bei den Wellenlängenbändern, wie z.B. bei dem 1,06 um und dem 1,3 um Wellenlängenband, entsprechen. Einige der angeregten ND³&spplus;-Ionen emittieren Licht des 1,3 um Wellenlängenbandes mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit durch spontane oder induzierte Emission. Einige der angeregten ND³&spplus;-Ionen emittieren Licht des 1,06 um Wellenlängenbandes und nicht des 1,3 um Wellenlängenbandes mit einer vorgegebenen Wahrscheinlichkeit durch spontane oder induzierte Emission. Wenn in diesem Falle ein bestimmte Absorbermenge zum Absorbieren von Licht nur des 1,06 um Wellenlängenbandes in dem Wirtsglas vorhanden ist, absorbiert der Absorber ausgestrahltes Licht des 1,06 um Wellenlängenbandes und kann eine induzierte Emission unterdrücken, die von dem Licht des 1,06 um Wellenlängenbandes bewirkt wird. Demzufolge kann die Emission von Licht bei dem 1,06 um Wellenlängenband unterdrückt werden und eine Verkleinerung des Wirkungsgrades der induzierten Emission in dem 1,3 um Wellenlängenband verhindert werden.
Die vorstehende Annahme wird detaillierter unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Energiepegel von ND³&spplus; das als aktives Ion in eine auf Phosphat basierende Glasprobe dotiert ist. Die Wellenlängen der in Fig. 1 dargestellten Licht-Absorption/Emission werden berechnet, indem eine aus diesem Glas hergestellte Faser unter Verwendung eines schreibenden Spektrometers und Spektrumanalysators gemessen wird. Größere Übergänge werden beschrieben. Ein in einem Basispegel &sup4;I9/2 befindliches Elektron wird kurzzeitig auf einen Pegel &sup4;F5/2 durch ein Anregungslicht von etwa 0,8 um angeregt und emittiert dann ein Phonon, um zu einem &sup4;F3/2-Pegel zu kommen. Durch dieses Pumpen und den nicht-strahlenden Übergang können, wenn eine invertierte Verteilung zwischen jedem Pegel &sup4;I9/2, &sup4;I11/2, &sup4;I13/2 und &sup4;I15/2, und dem Pegel &sup4;F&sub3;&sub1;&sub2; erzeugt wird, Emissionen mit Peaks bei der 0,88 um, 1,06 um, 1,33 um und 1,80 um Wellenlänge erzeugt werden. Von diesen Wellen längen entspricht die Intensität der Lichtemission jeder 0,88 um, 1,06 um und 1,33 um Wellenlänge einem Höhenverhältnis des Fluoreszenzpeaks, der erhalten wird, wenn nur das Anregungslicht in dieselbe Faser einfällt, und das Verhältnis der gemessenen Werte der jeweiligen Höhen betrug etwa 5 : 9 : 1. Man beachte, daß die Intensität der Lichtemission des 1,80 um Wellenlängenbandes niedriger als diese Intensitäten ist.
Die Fig. 2A und 2B zeigen Verfahren zum Verringern der durch die Lichtemission bei dem 1,06 um Wellenlängenband bewirkten induzierten Emission, um mit dem Umstand fertig zu werden, daß die Lichtemissionswahrscheinlichkeit bei diesem Band sehr hoch ist.
Gemäß Fig. 2A emittieren erste angeregte Nd-Ionen 11 Licht beispielsweise des 1,3 um oder 1,06 um Wellenlängenbandes durch spontane Emission. In diesem Falle emittieren, da die Lichtemissionswahrscheinlichkeit bei dem 1,06 um Wellenlängenband sehr hoch ist, die meisten zweiter Nd-Ionen 12 Licht des 1,06 um Wellenlängenbandes. Gemäß Fig. 2B emittieren erste angeregte Nd-Ionen 11 Licht beispielsweise des 1,3 um- oder 1,06 um Wellenlängenbandes wie in Fig. 2A. Wenn ein geeigneter Absorber (oder ein Absorptionselement) 13, der Licht nur der Wellenlänge von 1,06 um absorbieren kann, vorhanden ist, wird das Emissionslicht bei dem 1,06 um Wellenlängenband von dem Absorber 13 absorbiert und beeinflußt nicht die zweiten Nd-Ionen 12. Demzufolge kann eine vom Licht des 1,06 um Wellenlängenbandes induzierte Emission unterdrückt und die Wahrscheinlichkeit einer induzierten Emission bei dem 1,3 um Wellenlängenband erhöht werden.
Die Bedingungen für den Absorber sind, daß er spontanes oder induziertes Emissionslicht von etwa 1,06 um Wellenlänge unmittelbar absorbieren kann, so daß er kein Emissionslicht bei etwa 1,3 um Wellenlänge und in der Nähe absorbiert. Wenn ein aktives Ion als solcher Absorber verwendet und in das Wirtsglas zusammen mit ND³&spplus; dotiert wird, ist die Verwendung eines Übergangsmetalls und dergleichen mit einem breiten Absorptionsband nicht angebracht und die Verwendung eines Seltene-Erden-Elements mit einem engem Absorptionsband vorzuziehen. Ferner müssen mehrere Elektronen auf einem Energiepegel als ein Anregungsziel vorhanden sein, und die Zustandsdichte des Energiepegels nach dem Übergang muß hoch sein. Ein Uran-Ion kann als mitdotiertes aktives Ion gewählt werden, welches diese Bedingungen erfüllt.
Gemäß Darstellung in Fig. 3 weisen U³&spplus; und U&sup4;&spplus; in dem Glas jeweils Absorptionspeaks zwischen Wellenlängen von 1,1 um und 1,2 um auf (siehe "J. Phys. Condens. Matter I (1989) 8753-8758""). Zusätzlich ist aus der Fig. 3 zu ersehen, daß die Absorption durch U³&spplus; und U&sup4;&spplus; nahe der 1,3 um Wellenlänge relativ schwach und somit vernachlässigbar ist. Daher erwartet man, daß U³&spplus; und U&sup4;&spplus; die Bedingungen des Absorbers für spontanes Emissionslicht bei etwa 1,06 um Wellenlänge ausreichend erfüllen kann. Bei Berücksichtigung des Umstandes, daß der Absorptionspeak von U&sup4;&spplus; näher an der 1,06 um Wellenlänge liegt als der von U³&spplus;, ist die Verwendung von U&sup4;&spplus; als Absorber vorzuziehen. Es wird angenommen, daß keine Inversionspopulation in dem U&sup4;&spplus; selbst durch eine Absorption von spontanem Emissionslicht erzeugt werden kann.
Es ist immer noch unklar, ob die Annahme zutreffend ist. In jedem Fall können gemäß den Experimenten und Überprüfungen des vorstehenden Erfinders, wenn ein Uran-Ion wie z.B. U&sup4;&spplus; in das Glas, in welches ND³&spplus; dotiert wurde, mitdotiert wird, Lichtemissionen von ND³&spplus; in dem 1,06 um Wellenlängenband durch das Uran-Ion absorbiert werden, und es kann ein vielversprechendes optisches Funktionsglas erzielt werden, welches eine optische Verstärkung von ND³&spplus; bei dem 1,3 um Wellenlängenband erlaubt oder dessen Wirkungsgrad der optischen Verstärkung verbessert.
Dieses optische Funktionsglas wird als Material fur eine optische Übertragungsleitung verwendet. Beispielsweise wird dieses Glasmaterial verwendet, um einen planaren Wellenleiter oder dergleichen herzustellen. Bevorzugt fertigt man eine optische Faser mit einem Kern des vorgenannten optischen Funktionsglases und einem den Kern umgebenden und einem niedrigeren Brechungsindex als der Kern aufweisenden Mantel, um so eine langgestreckte optische Übertragungsleitung zu erzielen.
Die vorgenannte optische Faser wird in der Praxis wie folgt hergestellt. Ein mit ND³&spplus; dotiertes und zusätzlich mit dem Uran-Ion dotiertes optisches Funktionsglas wird hergestellt und eine Vorform mit einem Kern dieses optischen Funktionsglases nach einem Stab-im-Rohr-Verfahren hergestellt. Die hergestellte Vorform wird in eine Ziehvorrichtung, wie in Fig. 4 dargestellt, eingesetzt und in eine optische Faser gezogen. Gemäß Darstellung in Fig. 4 wird eine Vorform 21 von einer Zuführungseinheit 22 gehaltert und allmählich abgesenkt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Vorform 21 von einer Heizeinrichtung 23 zum Aufweichen aufgeheizt und das Ziehen begonnen. Eine durch Ziehen erhaltene optische Faser 20 wird von einer Aufnahmetrommel 25 über einen Kapstanantrieb 24 aufgenommen. Fig. 5 ist eine vergrößerte Ansicht der auf diese Weise erhaltenen optischen Faser. Die optische Faser 20 weist einen mit ND³&spplus; dotierten und mit dem Uran-Ion mitdotierten Kern 20a und eine Mantelschicht 20b auf, die einen relativ niedrigeren Brechungsindex als der Kern 20a aufweist und nicht mit ND³&spplus; oder dem Uran-Ion dotiert ist.
Die optische Faser mit dem aus dem vorstehend beschriebenen optischen Funktionsglas bestehenden Kern kann bei einer optisch aktiven Vorrichtung, wie z.B. bei einem Faserlaser, einem Faserverstärker und einem Faserdetektor angewendet werden. Da das Uran-Ion zusammen mit ND³&spplus; in das Kernglas dotiert ist, ist insbesondere die Wahrscheinlichkeit einer induzierten Emission erhöht, um einen ausreichend hohen optischen Verstärkungsgrad bei dem 1,31 um Wellenlängenband zu erzielen. Ferner wird der durch Emission von Licht bei dem 1,06 um Wellenlängenband bedingte Verlust verringert. Da Licht durch den Faseraufbau effektiv in dem Kern eingeschlossen wird und dessen optischer Verlust extrem niedrig ist, kann zusätzlich eine Inversionspopulation mit einem kleinem Schwellenwert erzeugt werden. Daher können Anwendungen bei einer optischen Verstärkungsvorrichtung mit hohem Verstärkungsfaktor, einem optischen Schalter und einem optischen Laser möglich gemacht werden.
Zusätzlich kann gemäß einer weiteren Anwendung die vorgenannte optische Faser 20 in einem Faserverstärker zum Verstärken von Licht des 1,3 um Wellenlängenbandes verwendet werden. Beispielsweise weist der Faserverstärker gemäß Darstellung in Fig. 6 eine optische Faser 30, eine Laserquelle 32 und ein Kopplerteil 33, 38a, 38b, 39a, 39b auf. Die optische Faser 30 dient als optische Übertragungsleitung für Laserlicht des 1,3 um Wellenlängenbandes. Die Laserquelle erzeugt Anregungslicht im 0,8 um Wellenlängenband. Die Kopplereinrichtung 33, 38a, 38b, 39a, 39b leitet das Anregungslicht aus der Laserquelle 32 in die optische Faser 30. Insbesondere tritt das Anregungslicht aus der Laserquelle 32 in einen Richtungskoppler 33 über die optische Faser 39 a ein und wird über die optische Faser 38b und einen (nicht dargestellten Isolator) zu der optischen Faser 30 geleitet. Ein Signallicht aus der Signallichtquelle 31 wird über die optische Faser 38a ebenfalls zu dem Richtkoppler 33 geführt. Das Signallicht wird mit dem Anregungslicht kombiniert und in die optische Faser 30 gekoppelt.
Der Richtungskoppler 33 ist z.B. ein verschmolzener doppelkonischer Kegelkoppler welcher durch Verschmelzen und auseinanderziehen zweier optischer Fasern 38 und 39 hergestellt wird. In diesem Falle wird das Terminalende der sich vom Richtungskoppler 33 weg erstreckenden optischen Faser 39b in ein Anpassungsöl eingetaucht, um ein Rücklauflicht aus der optischen Faser 39b in den Richtungskoppler 33 zu verhindern. Ein Spektrumanalysator 35 ist an dem Ausgang der Faser 30 angeordnet. Ein Filter 36 ist zwischen der optischen Faser 30 und dem Spektrumanalysator 35 eingefügt. Das Filter 36 blendet den Anregungslichtanteil des Ausgangslichts aus der optischen Faser 30 aus. Demzufolge kann der Spektrumanalysator 35 nur das Signalausgangslicht aus der optischen Faser 30 messen, und es kann somit der Verstärkungsfaktor bestimmt werden.
Bei dem Faserverstärker des 1,3 um Wellenlängenbandes, welcher die ND³&spplus; enthaltende optische Faser, die Laserquelle und den Koppler enthält, wird ND³&spplus; von dem durch die optische Einrichtung in die Faser geleitetem Laserlicht des 0,8 um Wellenlängenbandes angeregt. Ein großer Teil der ND³&spplus;-Ionen wird von dem Signallicht des 1,3 um Wellenlängenbandes stimuliert, welches zusammen mit dem Laserlicht in die optische Faser geleitet wird, und erzeugt hauptsächlich Strahlungslicht, das einem Übergang von dem Pegel &sup4;F3/2 auf den Pegel &sup4;I13/2 entspricht, und somit eine Verstärkung von Licht des 1,3 um Wellenlängenbandes ermöglicht. Da in diesem Falle die Erzeugung von Licht des 1,06 um Wellenlängenbandes, das dem Übergang von dem Pegel &sup4;F3/2 auf den Pegel &sup4;I11/2 entspricht, durch die Anwesenheit von U&sup4;&spplus; unterdrückt wird, kann eine Verringerung des Wirkungsgrades der optischen Verstärkung bei dem 1,3 um Wellenlängenband verhindert werden.
Gemäß einer weiteren Anwendung kann die optische Faser 20, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, als ein Faserlaser des 1,3 um Wellenlängenbandes verwendet werden. Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform eines Lasers für das 1,3 um Wellenlängenband. Eine Laserquelle 32 ist identisch mit der, die in dem Fig. 6 dargestellten Faserverstärker eingesetzt wird. Das heißt, die Laserquelle 32 ist ein Ti-Saphirlaser der ein Startlicht bei dem 0,8 um Wellenlängenband abgibt. Eine mit ND³&spplus; dotierte optische Faser 30 und mit U&sup4;&spplus; zusätzliche dotierte Faser ist ebenfalls identisch mit der, die in dem vorgenannten Faserverstärker verwendet wird.
Das Anregungslicht mit einer Wellenlänge von 0,80 um aus der Laserquelle 32 tritt in ein Ende der mit dem aktiven Ion ND³&spplus; dotierten optischen Faser über eine geeignete Einrichtung 43, wie z.B. eine Linse oder einen optischen Verbinder, ein. Das in der optischen Faser enthaltene ND³&spplus; wird durch dieses Anregungslicht in einen vorgegebenen Zustand angeregt, und es kann Licht bei dem 1,3 um Wellenlängenband emittiert werden. Da die Eintritts- und Austrittsenden der optischen Faser polierte Spiegelflächen sind, bilden diese Endflächen der Eintritts- und Austrittsenden einen Resonator. Demzufolge tritt, wenn das ausgegebene Anregungslicht einen vorgegebenen Pegel überschreitet, eine Laseroszillation bei jeder Wellenlänge innerhalb des 1,3 mm Wellenlängenbandes auf. In diesem Fall kann der Wirkungsgrad der induzierten Emission, das heißt, der Laseroszillationwirkungsgrad von ND³&spplus; wegen der Anwesenheit des zusammen mit ND³&spplus; mitdotierten U&sup4;&spplus; erhöht werden. Wenn ein Halbleiterlaser als Laserquelle 32 verwendet wird, kann der optische Resonator durch ein Austrittsende der optischen Faser und eine Endfläche des Halbleiterlasers gebildet. Der optische Resonator kann auch durch Verwendung eines dielektrischen Spiegels gebildet werden.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform eines Wellenleiterverstärkers des 1,3 um Wellenlängenbandes. Planare Wellenleiter 130a, 130b, und 130c sind so auf einem Substrat 120 ausgebildet, so daß ein Wellenleiter in zwei Wellenleiter aufgespalten wird. Der planare Wellenleiter 130a ist mit ND³&spplus; als einem aktiven Ion dotiert und zusätzlich mit U&sup4;&spplus; als einem Absorption dotiert. Ein aus einem Gitter hergestelltes Filter 136 ist an dem anderen Ende des planaren Wellenleiters 130a ausgebildet. Ein Signallicht mit dem 1,31 um Wellenlängenband tritt in den planaren Wellenleiter 130b ein. Ein Anregungslicht mit dem 0,8 um Wellenlängenband tritt in den planaren Wellenleiter 130c ein. Eine das Anregungslicht startende Laserquelle ist identisch mit der Fig. 6 dargestellten.
Eine Betriebsweise des in Fig. 8 dargestellten Wellenleiterverstärker wird nun kurz beschrieben. Das Signallicht bei dem 1,31 mm Wellenlängenband tritt in den planaren Wellenleiter 130a über den planaren Wellenleiter 130b ein. Das Anregungslicht bei dem 0,8 um Wellenlängenband aus der Anregungslichtquelle, wie z.B. einem Halbleiterlaser, tritt über den planaren Wellenleiter 130c ebenfalls in den planaren Wellenleiter 130a ein. Das Anregungslicht regt das als aktives Ion für die optische Verstärkung dienende ND³&spplus; an. Das angeregte ND³&spplus; wird von dem Signallicht stimuliert, und es wird effektiv Strahlungslicht bei dem 1,31 um Wellenlängenband erzeugt. Wenn das Anregungslicht einen vorgegebenen Pegel überschreitet, wird das Signallicht verstärkt.
Die vorstehende Beschreibung stellt Beispiele der optischen Faser gemäß Darstellung in Fig. 5 dar, welche einen mit ND³&spplus; dotierten und zusätzlich mit U&sup4;&spplus; dotierten Kern aufweist. Bei Betrachtung der Funktion des zusätzlich dotierten U&sup4;&spplus; ist offensichtlich, daß ein derartiges U&sup4;&spplus; nicht nur in den Kern sondern auch in die den Kern umgebende Mantelschicht dotiert werden kann. In diesem Falle wird der zusätzlich mit U&sup4;&spplus; dotierte Bereich in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit verschiedenen Auslegungsparametern bestimmt, wie z.B. einer Differenz des relativen Brechungsindexes zwischen dem Kern und der Mantelschicht, des Kerndurchmessers und so weiter.
Eine von dem vorstehenden Erfinder ausgeführte praktische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben.
ZrF&sub4;, BaF&sub2;, LaF&sub3;, AlF&sub3; und NaF wurden als wirtsglasmaterialien hergestellt und vermischt, um ein Glas mit einer Zusammensetzung 53ZrF&sub4;-20BaF&sub2;-3,5LaF&sub3;-20NaF (Mol%) herzustellen. Fluroridmaterialien von Neodym und Uran, NDF&sub3; und UF&sub4; wurden dem Wirtsglas in vorbestimmten Mengen zugesetzt, und das sich ergebende Gemisch wurde in einem Platintiegel in einer Reduktionsatmosphäre geschmolzen. Die Menge des NdF&sub3;- Zusatzes wurde so eingestellt, daß die Gewichtskonzentration von ND³&spplus; zu 500 ppm bezogen auf das Wirtsglas wurde. Die Menge des UF&sub4;-Zusatzes wurde so eingestellt, daß die Gewichtskonzentrationen von U&sup4;&spplus; zu 500 ppm bezogen auf das Wirtsglas zu 0, 200, 500, 700 und 1000 ppm wurden. Das heißt, die U&sup4;&spplus; Konzentrationen sind bezogen auf ND³&spplus; 0, 40, 100, 140 und 200%. Das geschmolzene Material wurde ausreichend gerührt und dann schnell abgekühlt, um es zu verglasen.
Eine Faser wurde in der nachstehenden Art hergestellt, um die optischen Verstärkungseigenschaften dieses Glases zu ermitteln. Ein Glas mit der vorstehenden Zusammensetzung wurde in eine stabähnliche Form gebracht und somit ein Kemstab erzeugt. Anschließend wurde ein Glas mit im wesentlichen derselben Zusammensetzung wie die des Kernstabs und mit einem etwas niedrigerem Brechungsindex als der des Kemstab geschmolzen und in ein Mantelrohr ausgeformt, Das Mantelrohr wurde nicht mit ND³&spplus; und U&sup4;&spplus; dotiert. Dieser Kernstab und das Mantelrohr wurden in einen Vorform gebracht und mittels der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung gezogen. Demzufolge wurde eine SM-Faser (single modus - Einmoden- Faser) mit einem Kerndurchmesser von 8 um und einem Außendurchmesser von 125 um erhalten. Die SM-Faser wurde auf ein Faserprobestück mit einer Länge von 10 m zur Messung zugeschnitten.
Die Ermittlung der Charakteristiken einer derartigen Faserprobe wurde mittels des in Fig. 6 dargestellten Faserverstärkers und dergleichen durchgeführt. Fig. 9 ist eine graphische Darstellung, welche das Ergebnis zeigt.
Die in Fig. 9 dargestellte Verstärkung gilt für eine Wellenlänge von 1,330 um. Ein Ti-Saphir-Laser wurde als Laserquelle 32 verwendet. Die Anregungswellenlänge war auf 0,78 um und die Intensität des Anregungslichtes auf 10 mW eingestellt. Die Intensität des Eingangssignals war auf -30 dBm und die Peak-Wellenlänge auf 1,330 um eingestellt.
Gemäß Darstellung in Fig. 9 ist ersichtlich, daß wenn die Konzentration des in dem Kernglas mitdotierten U&sup4;&spplus; in einen Bereich von 50 bis 150% bezogen auf ND³&spplus; fällt, eine einen vorgegebenen Wert überschreitende Verstärkung erzielt werden kann. Wenn die U&sup4;&spplus;-Konzentration kleiner als 50% ist, wird die erhaltene Verstärkung niedrig. Das kann seinen Grund darin haben, daß die Konzentration des als Abs orptionsion dienenden U&sup4;&spplus; niedrig ist und die Wahrscheinlichkeit eines in der Nähe von ND³&spplus; vorhandenen U&sup4;&spplus; niedrig ist. Das kann seinen Grund aber auch darin haben, daß U&sup4;&spplus;, welches von dem ND³&spplus; ausgestrahltes Licht bei dem 1,06 um Wellenlängenband absorbieren kann, nicht ausreichend vorhanden ist. Die erzielte Verstärkung niedrig, wenn die U&sup4;&spplus;-Konzentration höher als 150% ist. Das kann seinen Grund darin haben, daß die Konzentration U&sup4;&spplus;, welches als Absorptionsion dient, übermäßig hoch wird, das Anregungslicht somit von einer Absorptionskante des U&sup4;&spplus; mit dem Absorptionszentrum bei 0,86 um Wellenlänge absorbiert wird, und Signallicht der 1,33 um Wellenlänge von einer Absorptionskante des U&sup4;&spplus; mit dem Zentrum bei 1,2 um Wellenlänge absorbiert wird.
Aus der somit beschriebenen Erfindung ist offensichtlich, daß die Erfindung in vielfältiger Art verändert werden kann. Solche Veränderungen werden nicht als Abweichung von der Idee und dem Umfang der Erfindung betrachtet, und alle derartigen Modifikationen, wie sie dem Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sind, sollen innerhalb des Umfangs der nachstehenden Ansprüche mit enthalten sein.

Claims

1. Optisches Funktionsglas, welches ein mit ND³&spplus; als ein aktives Ion dotiertes und mit U&sup4;&spplus; dotiertes Wirtsglas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Uran-Ion eine Konzentration von 50 bis 150% bezogen auf die von ND³&spplus; aufweist, um so eine Emission etwa bei dem 1,06 um Wellenlängenband zu absorbieren, um eine induzierte Emission von ND³&spplus; etwa bei dem 1,06 um Wellenlängenband zu unterdrücken und um die Wahrscheinlichkeit der induzierten Emission von ND³&spplus; etwa bei dem 1,3 um Wellenlängenband zu erhöhen.

2. Glas nach Anspruch 1, wobei das Wirtsglas ein Glas auf Fluoridbasis ist.

3. Optische Faser mit: einem Kern und einer den Kern umgebenden Ummantelung, wobei der aus einem optischen Funktionsglas nach Anspruch 1 oder 2 besteht.

4. Optisch aktive Vorrichtung mit: einer optischen Faser nach Anspruch 3, einer Lichtquelle zum Erzeugen von Anregungslicht zum Anregen von ND³&spplus;; und einer optischen Einrichtung zum Einleiten des Anregungslichts aus der Lichtquelle in die optische Faser.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die optische Faser Licht bei dem 1,3 um Wellenlängenband oder nahe bei dem 1,3 um Wellenlängenband überträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Lichtquelle Anregungslicht bei dem 0,8 um Wellenlängenband oder nahe bei dem 0,8 um Wellenlängenband erzeugt.

7. Faserverstärker mit: einer optisch aktiven Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 und einer Kopplungseinrichtung zum Einkoppeln von Signallicht bei dem 1,3 um Wellenlängenband oder nahe bei dem 1,3 um Wellenlängenband in die Faser.

8. Faserlaser mit: einer optisch aktiven Einrichtung mit: einer optischen Faser nach Anspruch 3; und einer Resonatoreinrichtung zum Einspeisen von Licht bei dem 1,3 um Wellenlängenband oder nahe bei dem 1,3 um Wellenlängenband aus der optischen Faser zurück in die optische Faser.

9. Optisches Wellenleiterteil mit einem Kernanteil und einem den Kernanteil teilweise umgebenden Ummantelungsanteil, wobei der Kernanteil aus einem optischen Funktionsglas nach Anspruch 1 besteht,

10. Optisch aktive Vorrichtung mit: einem optischen Wellenleiterteil mit einem Kernanteil und einem den Kernanteil teilweise umgebenden Ummantelungsanteil, wobei der Kernanteil aus einem optischen Funktionsglas nach Anspruch 1 besteht, und die Vorrichtung ferner aufweist: eine Lichtquelle zum Erzeugen von Anregungslicht, um ND³&spplus; anzuregen; und eine optische Einrichtung zum Einleiten des Anregungslichtes aus der Lichtquelle in das optische Wellenleiterteil.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das optische Wellenleiterteil Licht bei dem 1,3 um Wellenlängenband oder nahe bei dem 1,3 um Wellenlängenband überträgt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Lichtquelle Anregungslicht bei dem 0,8 um Wellenlängenband oder nahe bei dem 0,8 um Wellenlängenband erzeugt.

13. Wellenleiterverstärker mit: einer optisch aktiven Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12.

14. Wellenleiterlaser mit: einer optisch aktiven Vorrichtung nach Anspruch 10, und einer Resonatoreinrichtung zum Einspeisen von Licht bei dem 1,3 um Wellenlängenband oder nahe bei dem 1,3 um Wellenlängenband aus dem optischen Wellenleiterteil zurück in das optische Wellenleiterteil.