JP2005322696A - 希土類元素添加光導波路、光源および光増幅器 - Google Patents

希土類元素添加光導波路、光源および光増幅器 Download PDF

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Abstract

【課題】 広帯域のＡＳＥ光を発生することができる希土類元素添加光導波路などを提供する。
【解決手段】 光ファイバ１は、ガラスまたはガラスセラミックスを主成分とする材料からなり、高屈折率のコア領域２と、このコア領域２を取り囲む低屈折率のクラッド領域３とを有する。光ファイバ１は、希土類元素（例えば、Ｅｒ元素、Ｔｍ元素、Ｙｂ元素、など）を少なくともコア領域２に含有している。光ファイバ１は、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルにおいて、１５ｄＢ波長域または１０ｄＢ帯域が１.４５μｍ〜１.６５μｍまたは１.５μｍ〜１.７μｍを含む。或いは、光ファイバ１は、３ｄＢ帯域がＳ，ＣおよびＬの各バンドを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、希土類元素が添加された光導波路、ならびに、このような光導波路を含む光源および光増幅器に関するものである。
希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなる光導波路は、その希土類元素を励起し得る波長の励起光が供給されることで希土類元素が励起状態とされ、そして、その希土類元素が励起状態から基底状態に戻る際に自然放出光を発生し、さらに、この自然放出光を光増幅してＡＳＥ光（Amplified Spontaneous Emission）を発生し、或いは、誘導放出現象により信号光を光増幅することができる。したがって、このような光導波路を用いることで、光源や光増幅器が実現され得る。
特許文献１に開示された光源は、Ｅｒ元素を少なくとも一部に含有する石英ガラスからなる光ファイバを備えるものである。この文献の記載によれば、一例として、Ｅｒ元素濃度が１２００ｐｐｍとされ、光ファイバの長さが１５ｍとされ、励起光の波長が１.４８μｍとされ、また、励起光のパワーが１３０ｍＷとされていて、このときの波長域１.５３μｍ〜１.６０μｍにおけるＡＳＥ光スペクトルの平坦性（ピーク出力強度と最小出力強度との差）が１５ｄＢであるとされている。
ところで、希土類元素を含有する材料からなる光導波路を備える光源は、種々の用途に用いられ、例えば、光ファイバ等の受動光部品の挿入損失を測定する際にも用いられる。このような測定用途の場合、光源から出力されるＡＳＥ光の波長間のレベル偏差は大きな問題ではなく、たとえ或る波長の出力強度が弱くでも、出力光が得られればよい。したがって、特許文献１に記載されているように、出力光スペクトルにおいてピーク出力強度との差が１５ｄＢ以下である出力強度を有する波長域を該光源の出力帯域と呼んで支障は無い。
特開２００２−３２９９０７号公報
しかし、上記特許文献１に記載された光源の出力帯域は必ずしも充分には広くなく、更に広い波長域でピーク出力強度と最小出力強度との差が更に小さい光を出力することができる光源が望まれる。例えば、光通信に用いられる光ファイバの伝送損失を測定する場合や、空気中の障害物などを計測する所謂ライダー等の用途や、光増幅器の利得スペクトルを測定する場合などでは、上記特許文献１に記載された光源の出力帯域は不充分である。
また、光通信システム等において信号光を光増幅する場合、少ない台数の光増幅器を用いて広帯域の多波長信号光を光増幅することができることが望ましいことから、光増幅器の利得帯域は広いことが望まれる。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、広帯域のＡＳＥ光を発生することができる希土類元素添加光導波路および光源、ならびに、広い利得帯域を有することができる光増幅器を提供することを目的とする。
本発明に係る希土類元素添加光導波路は、希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなり、所定のパワーの単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルにおいて、そのＡＳＥ光のピーク強度との差が１５ｄＢ以下である強度を有する波長域（以下「１５ｄＢ帯域」という。）が１.４５μｍ〜１.６５μｍを含むことを特徴とする。或いは、上記ＡＳＥ光のスペクトルにおいて、ＡＳＥ光のピーク強度との差が１０ｄＢ以下である強度を有する波長域（以下「１０ｄＢ帯域」という。）が１.４５μｍ〜１.６５μｍを含むのが好適である。また、本発明に係る希土類元素添加光導波路は、希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなり、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルにおいて、１５ｄＢ帯域が１.５μｍ〜１.７μｍを含むことを特徴とする。或いは、上記ＡＳＥ光のスペクトルにおいて、１０ｄＢ帯域が１.５μｍ〜１.７μｍを含むのが好適である。
これら本発明に係る希土類元素添加光導波路は、１５ｄＢ帯域または１０ｄＢ帯域が広帯域であることから、種々の用途に用いることができ、例えば、光通信に用いられる光ファイバ等の光学部品の伝送損失を測定する場合に用いられ、また、空気中の障害物などを計測する所謂ライダー等の用途にも用いられ得る。すなわち、光通信に用いられる光ファイバの伝送損失を測定する場合には、光ファイバの材料である石英ガラスの低損失波長域が１.４５μｍ〜１.６５μｍであるから、１５ｄＢ帯域または１０ｄＢ帯域が１.４５μｍ〜１.６５μｍを含む本発明に係る希土類元素添加光導波路が好適に用いられ得る。また、空気中の障害物などを計測する所謂ライダー等の用途では、空気の低損失波長域が１.５μｍ〜１.７μｍであるから、１５ｄＢ帯域または１０ｄＢ帯域が１.５μｍ〜１.７μｍを含む本発明に係る希土類元素添加光導波路が好適に用いられ得る。
本発明に係る希土類元素添加光導波路は、希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなり、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルの半値全幅に相当する波長域がＳバンド（１４６０ｎｍ〜１５３０ｎｍ），Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）およびＬバンド（１５６５ｎｍ〜１６２５ｎｍ）を含むことを特徴とする。
この本発明に係る希土類元素添加光導波路は、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルにおいて、そのＡＳＥ光のピーク強度との差が３ｄＢ以下である強度を有する波長域（以下「３ｄＢ帯域」という。）がＳ，ＣおよびＬの各バンドを含むことから、光通信において用いられる様々な光増幅器の利得特性を測定する際にスペクトルホールバーニングの影響を回避できるので好適に用いられ得る。ここで、光通信において用いられる光増幅器として、Ｃバンド用ＥＤＦＡ（Erbium-Doped Fiber Amplifier）およびＬバンド用ＥＤＦＡが挙げられる他、波長域１.４６μｍ〜１.４８μｍで利得を有するＴＤＦＡ（Thulium-Doped Fiber Amplifier）や、波長域１.４８μｍ〜１.５１μｍで利得を有するＧＳ-ＴＤＦＡ（Gain-Shift ＴＤＦＡ）も挙げられる。
本発明に係る希土類元素添加光導波路は、希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなり、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルの半値全幅が周波数換算で２０ＴＨｚ以上であることを特徴とする。
この発明に係る希土類元素添加光導波路は光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）用の光源として利用するのに好適である。特に、Ｓ／Ｃ／Ｌバンド帯の光は、生体の透過率の観点から、従来の波長域０.８μｍ〜１.３μｍと比較して有利である。なお、通常は、ＯＣＴの空間分解能は１０〜１５μｍ以下であることが望まれるが、深度方向の空間分解能は光源のコヒーレンス長Ｌｃで与えられる。コヒーレンス長Ｌｃは、光周波数に換算した光源スペクトルの半値全幅Δνを用いて、「Ｌｃ＝ｃ／Δν」なる式で与えられる。ここで、ｃは真空中の光速である。すなわち、空間分解能１５μｍ以下を実現するには、光のスペクトルの半値全幅が周波数換算で２０ＴＨｚ以上であることが望ましい。例えば、図７のサンプルＥ３を用いると、半値全幅が１４６０ｎｍ〜１６５０ｎｍであるので、Δνは２３.６５ＴＨｚであり、Ｌｃは１２.７μｍまで絞ることができる。
本発明に係る希土類元素添加光導波路は、一端から他端に光が通過したときの偏波依存性が１ｄＢより小さいのが好適であり、また、出力されるＡＳＥ光の偏光度が１ｄＢ以下であるのが好適である。この場合には、半導体光増幅器より偏波依存性が小さい。
本発明に係る希土類元素添加光導波路は、希土類元素としてＥｒ元素およびＴｍ元素を含有するのが好適であり、この場合には、両原子間のエネルギ移送現象によりＡＳＥ光スペクトルが広帯域となる。また、希土類元素として更にＹｂ元素を含有するのが好適であり、この場合には、エネルギ移送現象が助長される。Ｅｒ元素濃度よりＴｍ元素濃度が高いのが好適であり、この場合には、ＡＳＥ光スペクトルのレベル偏差が低減される。また、Ｅｒ元素濃度とＴｍ元素濃度との比が１:６〜１:３であるのが好適であり、この場合には、ＡＳＥ光スペクトルのレベル偏差が広い波長域で低減される。
本発明に係る希土類元素添加光導波路は、フォノンエネルギが９００ｃｍ−１以下（より好適には６００ｃｍ−１以下）であるガラスまたはガラスセラミックスを主成分とする材料からなるのが好適であり、この場合には、希土類元素の発光が容易となり、広帯域化に寄与し得る。
本発明に係る光源は、(1) 上記の本発明に係る希土類元素添加光導波路と、(2) 希土類元素添加光導波路に励起光を供給する第１励起光供給手段と、を備えることを特徴とする。この光源では、第１励起光供給手段により励起光が希土類元素添加光導波路に供給されて、この希土類元素添加光導波路においてＡＳＥ光が発生する。この光源で用いられる希土類元素添加光導波路は上記の本発明に係るものであるから、この光源から出力される光の波長域は広い。
また、本発明に係る光源は、(3) 遷移金属元素を少なくとも一部に含有する材料からなる遷移金属元素添加光導波路と、(4) 遷移金属元素添加光導波路に励起光を供給する第２励起光供給手段と、(5) 希土類元素添加光導波路および遷移金属元素添加光導波路それぞれで発生したＡＳＥ光を入力し、これらを合波して出力する光合波器と、を更に備えるのが好適である。この場合には、第２励起光供給手段により励起光が遷移金属元素添加光導波路に供給されて、この遷移金属元素添加光導波路においてＡＳＥ光が発生する。希土類元素添加光導波路および遷移金属元素添加光導波路それぞれで発生したＡＳＥ光は、光合波器により合波されて、光源からの出力光とされる。この光源から出力される光の波長域は、希土類元素添加光導波路および遷移金属元素添加光導波路それぞれで発生するＡＳＥ光の波長域の双方を含む広帯域のものとなる。
また、本発明に係る光源は、第１励起光供給手段から希土類元素添加光導波路に供給される励起光の波長が１.４μｍ帯であるのが好適である。この場合には、励起波長が０.９８μｍ帯である場合と比較して、出力レベル偏差が小さく、出力帯域が広くなる。また、ホスト材料が低フォノンエネルギガラスである場合に、熱損傷の危険が低減される。
本発明に係る光増幅器は、(1) 入力端に入力した信号光を光増幅して出力端から出力させる上記の本発明に係る希土類元素添加光導波路と、(2) 希土類元素添加光導波路に励起光を供給する第１励起光供給手段と、を備えることを特徴とする。この光増幅器では、第１励起光供給手段により励起光が希土類元素添加光導波路に供給される。入力端に入力した信号光は、希土類元素添加光導波路において光増幅されて、この光増幅器で用いられる希土類元素添加光導波路は上記の本発明に係るものであるから、この光増幅器の利得帯域は広い。
また、本発明に係る光増幅器は、(3) 遷移金属元素を少なくとも一部に含有する材料からなる遷移金属元素添加光導波路と、(4) 遷移金属元素添加光導波路に励起光を供給する第２励起光供給手段と、(5) 入力端に入力した信号光を分波して希土類元素添加光導波路または遷移金属元素添加光導波路に出力する光分波器と、(6) 希土類元素添加光導波路および遷移金属元素添加光導波路それぞれで光増幅された信号光を入力し、これらを合波して出力端から出力させる光合波器と、を更に備えるのが好適である。この場合には、第２励起光供給手段により励起光が遷移金属元素添加光導波路に供給される。入力端に入力した信号光は、光分波器により分波されて、希土類元素添加光導波路または遷移金属元素添加光導波路に入力する。希土類元素添加光導波路に入力した信号光は、この希土類元素添加光導波路において光増幅される。遷移金属元素添加光導波路に入力した信号光は、この遷移金属元素添加光導波路において光増幅される。そして、希土類元素添加光導波路および遷移金属元素添加光導波路それぞれで光増幅された信号光は、光合波器により合波されて、出力端から出力される。この光増幅器の利得帯域は、希土類元素添加光導波路および遷移金属元素添加光導波路それぞれの利得帯域の双方を含む広帯域のものとなる。
また、本発明に係る光増幅器は、第１励起光供給手段から希土類元素添加光導波路に供給される励起光の波長が１.４μｍ帯であるのが好適である。この場合には、励起波長が０.９８μｍ帯である場合と比較して、利得レベル偏差が小さく、利得帯域が広くなる。また、ホスト材料が低フォノンエネルギガラスである場合に、熱損傷の危険が低減される。
本発明によれば、広帯域のＡＳＥ光を発生することができ、或いは、広い利得帯域を有することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本実施形態に係る光ファイバ１の構成を示す斜視図である。この図に示される光ファイバ１は、ガラスまたはガラスセラミックスを主成分とする材料からなり、高屈折率のコア領域２と、このコア領域２を取り囲む低屈折率のクラッド領域３とを有する。そして、この光ファイバ１は、希土類元素（例えば、Ｅｒ元素、Ｔｍ元素、Ｙｂ元素、など）を少なくともコア領域２に含有している希土類元素添加光導波路である。なお、本ファイバのカットオフ波長は０.９μｍ程度であり、波長１.５５μｍでのモードフィールド径は６.０μｍ程度である。
この光ファイバ１は、含有する希土類元素を励起し得る波長の励起光が供給されることで希土類元素が励起状態とされ、そして、その希土類元素が励起状態から基底状態に戻る際に自然放出光を発生し、さらに、この自然放出光を光増幅してＡＳＥ光を発生し、或いは、誘導放出現象により信号光を光増幅することができる。したがって、このような光ファイバ１を用いることで、光源や光増幅器が実現され得る。
光ファイバ１は、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルにおいて、１５ｄＢ波長域または１０ｄＢ帯域が１.４５μｍ〜１.６５μｍまたは１.５μｍ〜１.７μｍを含む。或いは、光ファイバ１は、３ｄＢ帯域がＳ，ＣおよびＬの各バンドを含む。
光ファイバ１は、一端から他端に光が通過したときの偏波依存性が１ｄＢより小さいのが好適であり、また、出力されるＡＳＥ光の偏光度が１ｄＢ以下であるのが好適である。この場合には、半導体光増幅器より偏波依存性が小さい。
光ファイバ１は、希土類元素としてＥｒ元素およびＴｍ元素を含有するのが好適であり、この場合には、両原子間のエネルギ移送現象によりＡＳＥ光スペクトルが広帯域となる。また、希土類元素として更にＹｂ元素を含有するのが好適であり、この場合には、エネルギ移送現象が助長される。Ｅｒ元素濃度よりＴｍ元素濃度が高いのが好適であり、この場合には、ＡＳＥ光スペクトルのレベル偏差が低減される。また、Ｅｒ元素濃度とＴｍ元素濃度との比が１:６〜１:３であるのが好適であり、この場合には、Ｅｒ元素による蛍光とＴｍ元素による蛍光が略等しくなり、ＡＳＥ光スペクトルのレベル偏差が広い波長域で低減される。
また、光ファイバ１は、フォノンエネルギが９００ｃｍ−１以下（より好適には６００ｃｍ−１以下）であるガラスまたはガラスセラミックスを主成分とする材料からなるのが好適であり、この場合には、希土類元素の発光が容易となり、広帯域化に寄与し得る。
図２は、希土類元素としてＥｒ元素およびＴｍ元素をコア領域に含有する石英ガラスからなる光ファイバのＡＳＥ光出力スペクトルを示す図である。同図（ａ）は、Ｅｒ元素濃度およびＴｍ元素濃度それぞれが５００ｗｔ.ｐｐｍである光ファイバのＡＳＥ光出力スペクトルを示し、同図（ｂ）は、Ｅｒ元素濃度が２５ｗｔ.ｐｐｍであってＴｍ元素濃度が５００ｗｔ.ｐｐｍである光ファイバのＡＳＥ光出力スペクトルを示す。同図（ａ），（ｂ）それぞれで、この光ファイバの長さは３０ｍｍであり、励起光は順方向に供給され、励起波長は０.９８μｍ帯であり、励起光パワーは１００ｍＷである。また、同図（ａ），（ｂ）それぞれで波長の分解能は１ｎｍである。
図２（ａ）に示されるように、Ｅｒ元素濃度とＴｍ元素濃度とが互いに等しい場合には、１５ｄＢ帯域が１５２３ｎｍ〜１５４０ｎｍであって、その幅が僅か１７ｎｍである。これは、ホスト材料である石英ガラスのフォノンエネルギが大きく、このような石英ガラス中ではＴｍ元素の蛍光が困難であることに因る。一方、図２（ｂ）に示されるように、Ｅｒ元素濃度がＴｍ元素濃度の２０分の１である場合には、１５ｄＢ帯域が１４４０ｎｍ〜１５９０ｎｍであって、その幅が広い。このことから判るように、広帯域化の為には、Ｅｒ元素濃度よりＴｍ元素濃度が高いのが好ましい。
ただし、Ｅｒ元素濃度とＴｍ元素濃度とが互いに同程度であっても、図３〜図５に示されるように、ホスト材料のフォノンエネルギが小さい場合には、広い波長域で蛍光が得られる。
図３は、サンプルＡ〜Ｄそれぞれの組成を纏めた図表である。図４は、サンプルＡ〜Ｄそれぞれの蛍光スペクトルを示す図である。また、図５は、サンプルＡ〜Ｄそれぞれの蛍光スペクトルにおける１５ｄＢ帯域および１０ｄＢ帯域を纏めた図表である。
図３に示されるように、サンプルＡのホスト材料は、５７ｍｏｌ％のＺｎＯおよび４３ｍｏｌ％のＢ２Ｏ３を含み、フォノンエネルギが１３００ｃｍ−１である。サンプルＢのホスト材料は、２０ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３，３２ｍｏｌ％のＡｌ２Ｏ３および４８ｍｏｌ％のＳｉＯ２を含み、フォノンエネルギが９００ｃｍ−１である。サンプルＣのホスト材料は、４０ｍｏｌ％のＫ２Ｏ，３０ｍｏｌ％のＧａ２Ｏ３および３０ｍｏｌ％のＴａ２Ｏ５を含み、フォノンエネルギが６９０ｃｍ−１である。また、サンプルＤのホスト材料は、２０ｍｏｌ％のＢａＯおよび８０ｍｏｌ％のＴｅＯ２を含み、フォノンエネルギが６００ｃｍ−１である。なお、上記のホスト材料の組成は、希土類元素を含有する前の状態における組成を表している。また、サンプルＡ〜Ｄそれぞれは、０.３ｍｏｌ％のＥｒ２Ｏ３，０.３ｍｏｌ％のＴｍ２Ｏ３および３ｍｏｌ％のＹｂ２Ｏ３を含有しており、Ｅｒ元素濃度およびＴｍ元素濃度が互いに等しい。
図４は、各サンプルのホスト材料に波長０.９８μｍ帯の励起光を照射したときに該ホスト材料で発生する蛍光のスペクトルを示す。図４および図５に示されるように、サンプルＡでは、１５ｄＢ帯域は１４５０ｎｍ〜１６３０ｎｍであり、１０ｄＢ帯域は１４６５ｎｍ〜１６１０ｎｍである。サンプルＢでは、１５ｄＢ帯域は１４００ｎｍ〜１７００ｎｍであり、１０ｄＢ帯域は１４６０ｎｍ〜１６４０ｎｍである。サンプルＣでは、１５ｄＢ帯域は１３８０ｎｍ〜１７５０ｎｍであり、１０ｄＢ帯域は１４４０ｎｍ〜１６５０ｎｍである。また、サンプルＤでは、１５ｄＢ帯域は１３５０ｎｍ〜１７５０ｎｍであり、１０ｄＢ帯域は１３９５ｎｍ〜１６７５ｎｍである。
図５から判るように、フォノンエネルギが９００ｃｍ−１以下であるサンプルＢ，ＣおよびＤそれぞれは、１５ｄＢ帯域が１.４５μｍ〜１.７０μｍを含むので、光通信に用いられる光ファイバ等の光学部品の伝送損失を測定する場合に好適に用いられるだけでなく、空気中の障害物などを計測する所謂ライダー等の用途にも好適に用いられ得る。また、サンプルＣおよびＤそれぞれは、１０ｄＢ帯域が１.４５μｍ〜１.６５μｍを含む。このように、ホスト材料のフォノンエネルギが十分に小さければ、互いに等しい濃度のＥｒ元素およびＴｍ元素が添加されていても、広帯域の蛍光が得られる。
ホスト材料中においてＥｒ元素からＴｍ元素へのエネルギ移送によりＴｍ元素が蛍光を発する。すなわち、Ｅｒ元素はＴｍ元素の励起の際にSensitizerとして作用する。同様に、Ｙｂ元素はＥｒ元素の励起の際にSensitizerとして作用する。したがって、上記サンプルＡ〜Ｄの如く、Ｅｒ元素およびＴｍ元素に加えてＹｂ元素も添加されているのが好ましく、Ｙｂ元素も添加されていることに因りＥｒ元素およびＴｍ元素それぞれの蛍光が助長される。
なお、フォノンエネルギが比較的高いホスト材料の場合には、Ｅｒ元素濃度よりＴｍ元素濃度が高いのが好ましい。また、Ｅｒ元素濃度よりＹｂ元素濃度が１桁程度高いのが好ましく、Ｔｍ元素濃度よりＹｂ元素濃度が高いのが好ましい。
図６は、サンプルＥ１〜Ｅ６それぞれの組成を纏めた図表である。また、図７は、サンプルＥ１〜Ｅ６それぞれの蛍光スペクトルを示す図である。
図６に示されるように、サンプルＥ１〜Ｅ６それぞれのホスト材料は、１９ｍｏｌ％のＢａＦ２，３３.２５ｍｏｌ％のＣａＦ２，４２.７５ｍｏｌ％のＡｌＦ３および５ｍｏｌ％のＹＦ３を含み、フォノンエネルギが６００ｃｍ−１である。なお、上記のホスト材料の組成は、希土類元素を含有する前の状態における組成を表している。サンプルＥ１〜Ｅ６それぞれは、０.６ｍｏｌ％のＴｍＦ３および６ｍｏｌ％のＹｂＦ３を含有している。サンプルＥ１〜Ｅ６それぞれのＥｒＦ３含有量は互いに異なる。サンプルＥ１はＥｒＦ３を含有しておらず、サンプルＥ２のＥｒＦ３含有量は０.１ｍｏｌ％であり、サンプルＥ３のＥｒＦ３含有量は０.２ｍｏｌ％であり、サンプルＥ４のＥｒＦ３含有量は０.６ｍｏｌ％であり、サンプルＥ５のＥｒＦ３含有量は１ｍｏｌ％であり、サンプルＥ６のＥｒＦ３含有量は２ｍｏｌ％である。
図７に示されるように、Ｅｒ元素濃度がＴｍ元素濃度より高いサンプルＥ５およびＥ６の場合、Ｅｒ元素により発生する蛍光に対してＴｍ元素が吸収体として作用すると推測され、波長１.５３μｍ帯にピークを有する蛍光スペクトル形状が得られる。これに対して、Ｅｒ元素濃度がＴｍ元素濃度より低いサンプルＥ１〜Ｅ３の場合、Ｃバンド以外の波長域で蛍光が盛り上がる。
特に、Ｅｒ元素濃度とＴｍ元素濃度との比が１:６〜１:３であるサンプルＥ３およびＥ４の場合、３ｄＢ帯域は１４６０ｎｍ〜１６２５ｎｍ（すなわち、ＩＴＵの規格に拠るＳ，ＣおよびＬの各バンド）を含む。したがって、このサンプルＥ３またはＥ４を用いた光源は、光通信において用いられるＴＤＦＡ，ＧＳ-ＴＤＦＡ，Ｃバンド用ＥＤＦＡおよびＬバンド用ＥＤＦＡそれぞれの利得特性を測定する際に好適に用いられ得る。
ここで、ＴＤＦＡ，ＧＳ-ＴＤＦＡ，Ｃバンド用ＥＤＦＡおよびＬバンド用ＥＤＦＡ等の希土類元素添加光ファイバ増幅器は、均一広がりモデルが成り立つと近似されるので、広帯域白色光源を用いて利得スペクトルが精密に測定され得る。その為には、スペクトルホールバーニングの影響を極力低減することが必要である。したがって、白色光源の出力パワースペクトルは、なるべく平坦であることが好ましく、希土類元素添加光ファイバ増幅器の利得帯域において偏差が３ｄＢｐ−ｐ以下であることが好ましい。上記のサンプルＥ３およびＥ４のＡＳＥ光スペクトルは、このような条件を満たしている。また、サンプルＥ１は、Ｅｒ元素を含有していなくても、Ｔｍ元素単独で１０ｄＢ帯域として１３８０ｎｍ〜１７００ｎｍが得られている。
なお、サンプルＥ以外のホストガラスでＥｒとＴｍの濃度比率を変えた場合の蛍光スペクトルを図１２，図１３に示す。ただし、ホストガラスマトリックスは、各々、サンプルＢ，Ｃと同様であり、便宜的に、これらのサンプルをＢ２，Ｃ２と名付ける。図１１は、サンプルＢ２，Ｃ２それぞれの組成を纏めた図表である。図１２は、サンプルＢ，Ｂ２それぞれの蛍光スペクトルを示す図である。図１３は、サンプルＣ，Ｃ２それぞれの蛍光スペクトルを示す図である。サンプルＢ２およびサンプルＣ２それぞれは、０.０３ｍｏｌ％のＥｒ２Ｏ３，０.３ｍｏｌ％のＴｍ２Ｏ３および３ｍｏｌ％のＹｂ２Ｏ３を含有している。
図７に示された蛍光スペクトルがＳバンド，ＣバンドおよびＬバンドに亘って平坦なＡＳＥを実現し、図８に示された蛍光スペクトルがＳバンドにおいて平坦なＡＳＥを実現しているのに対して、図１２，図１３に示された蛍光スペクトルがＣバンドおよびＬバンドに亘って平坦なＡＳＥを実現している。特に、サンプルＢ２のフォノンエネルギが石英系ガラスのフォノンエネルギに近いにも拘らず、図８と比較して、このような違いが生じる原因は、Ｙｂ添加濃度に因るところが大きい。
すなわち、サンプルＢ２では、Ｔｍ添加濃度よりＹｂ添加濃度が１０倍程度高いので、Ｔｍイオンの ３Ｈ４-３Ｆ４ 間の遷移ではなく、Ｙｂイオンの ２Ｆ５／２-２Ｆ７／２ 間の遷移（すなわち、波長１.０６μｍ帯の蛍光）が支配的となり、Ｓバンドの蛍光が抑圧される。
ただし、Ｙｂイオンの存在は、Ｅｒイオンの ４Ｉ１３／２準位からＴｍイオンの ３Ｈ４準位または ３Ｆ４準位へのエネルギ移送に影響を及ぼさないので、Ｌ〜Ｕバンドに亘るＴｍイオンの蛍光を支障なく得ることができる。
なお、Ｙｂイオンの濃度を最適化すれば、サンプルＢ２，Ｃ２のホストガラスでも、図７に見られるようなＳ〜Ｌバンドを網羅する３ｄＢ帯域が得られる。ただし、Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂの最適濃度比はホストガラスのフォノンエネルギに依存し、図７の実施例とは異なってくる。
例えば、サンプルＣ２では、ＴｍによるＳバンド蛍光は、Ｌ〜Ｕバンド蛍光と比較すると低い値となっている。これは、Ｔｍイオンの ３Ｈ４-３Ｈ５ 間のエネルギ差が小さく、この準位間の遷移が強まり、３Ｈ４-３Ｆ４ 間の遷移が損なわれた為と考えられる。図７に示したサンプルＥ１〜Ｅ６と、サンプルＣ，Ｃ２とでは、フォノンエネルギについては大差ないが、マルチフォノン緩和レートがフォノンエネルギに対して指数関数的に変化するので、フォノンエネルギの僅かの差が大きく影響を及ぼすと考えられる。
一般的に言えば、Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂの濃度比率の調整は、以下のような効果を有することが期待される。すなわち、ＥｒとＴｍとの濃度比率の調整は、Ｃバンド蛍光とＳ，ＬおよびＵバンドの蛍光とのパワー比率の最適化に寄与し得る。また、ＹｂとＴｍとの濃度比率の調整は、Ｓバンド蛍光とＬおよびＵバンドの蛍光とのパワー比率の最適化に寄与し得る。
なお、ＡＳＥパワーが弱ければ、ＴＤＦＡ，ＧＳ-ＴＤＦＡ，Ｃバンド用ＥＤＦＡおよびＬバンド用ＥＤＦＡそれぞれの利得スペクトルを測定するにあたり、測定対象の光増幅器自らが発するＡＳＥ光が支配的となり、正確な測定ができなくなる恐れもある。しかし、この場合は、光増幅器に入力するＡＳＥ光を、測定対象の光増幅器で増幅に関わる活性イオンの励起寿命より充分に高速にＯｎ-Ｏｆｆして、ＡＳＥ光入力が無いときの出力スペクトルを、ＡＳＥ光入力が有るときの出力スペクトルから差し引いて、実効的なＡＳＥ光増幅後出力を得るという時分割法を活用すればよい。
図８は、希土類元素としてＥｒ元素およびＴｍ元素をコア領域に含有する石英ガラスからなる光ファイバのＡＳＥ光出力スペクトルを示す図である。この図には、励起波長が０.９８μｍ帯および１.４μｍ帯それぞれの場合について示されている。図９は、０.９８μｍ帯励起および１.４μｍ帯励起それぞれの場合の３ｄＢ帯域および１０ｄＢ帯域を纏めた図表である。これらの図から判るように、０.９８μｍ帯励起の場合には、３ｄＢ帯域は１４８０ｎｍ〜１５４７ｎｍであり、１０ｄＢ帯域は１４４７ｎｍ〜１５７０ｎｍである。１.４μｍ帯励起の場合には、３ｄＢ帯域は１４３０ｎｍ〜１５４０ｎｍであり、１０ｄＢ帯域は１４２０ｎｍ〜１５７０ｎｍである。このように、０.９８μｍ帯励起の場合より１.４μｍ帯励起の場合の方が広帯域である。
１.４μｍ帯励起の場合には、Ｔｍ元素を ３Ｆ４準位から ３Ｈ４準位に効率よく励起することができるので、これらの準位の間の反転分布が高まり、Ｓバンドの蛍光がより短波長側まで広がる。一方、１.４μｍ帯励起の場合には、Ｅｒ元素の励起光吸収効率は低いので、Ｅｒ元素による波長１.５３μｍ帯付近の蛍光ピークがなだらかとなる。このことから、１.４μｍ帯励起の場合の方が広帯域となる。なお、ホスト材料が石英ガラスである場合だけでなく、図３や図６に示した低フォノンエネルギのホスト材料の場合にも、１.４μｍ帯励起の場合の方が広帯域となる。
図１０は、本実施形態に係る光増幅器１０の構成図である。なお、この図に示される光増幅器１０は、光源としても用いられ得るものである。光増幅器１０は、入力端１１に入力した信号光を光増幅して出力端１２から出力するものであり、入力端１１側にＷＤＭ光フィルタ１３を備えるとともに、出力端１２側にＷＤＭ光フィルタ１４を備えていて、ＷＤＭ光フィルタ１３とＷＤＭ光フィルタ１４との間に２つの信号光経路を有する。
光増幅器１０は、一方の信号光経路上に、光カプラ２１、光アイソレータ２２、光カプラ２３、光ファイバ２４、光アイソレータ２５および光カプラ２６を順に備え、また、他方の信号光経路上に、光カプラ３１、光アイソレータ３２、光カプラ３３、光ファイバ３４、光アイソレータ３５および光カプラ３６を順に備える。更に、光増幅器１０は、光カプラ２１に接続された入力モニタ部２７、光カプラ２３に接続された励起光源２８、光カプラ２６に接続された出力モニタ部２９、光カプラ３１に接続された入力モニタ部３７、光カプラ３３に接続された励起光源３８、および、光カプラ３６に接続された出力モニタ部３９、を備える。
ＷＤＭ光フィルタ１３は、入力端に入力した多波長の信号光を分波して、その分波した一方の信号光を光カプラ２１へ出力し、他方の信号光を光カプラ３１へ出力する。
光カプラ２１は、ＷＤＭ光フィルタ１３から出力されて到達した信号光を入力して、その信号光の一部パワーを分岐して入力モニタ部２７へ出力し、残部を光アイソレータ２２へ出力する。光アイソレータ２２は、光カプラ２１から光カプラ２３へ向かう順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。光カプラ２３は、光アイソレータ２２から到達して入力した信号光を光ファイバ２４へ出力するとともに、励起光源２８から到達して入力した励起光をも光ファイバ２４へ出力する。
光ファイバ２４のコアの少なくとも一部は、希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなり、上述した本実施形態に係る光ファイバである。この光ファイバ２４は、励起光源２８から出力された励起光が供給され、光カプラ２３から出力された信号光を光増幅して、この光増幅した信号光を光アイソレータ２５へ出力する。光アイソレータ２５は、光ファイバ２４から光カプラ２６へ向かう順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。光カプラ２６は、光アイソレータ２５から到達した信号光を入力して、その信号光の一部パワーを分岐して出力モニタ部２９へ出力し、残部をＷＤＭ光フィルタ１４へ出力する。
光カプラ３１は、ＷＤＭ光フィルタ１３から出力されて到達した信号光を入力して、その信号光の一部パワーを分岐して入力モニタ部３７へ出力し、残部を光アイソレータ３２へ出力する。光アイソレータ３２は、光カプラ３１から光カプラ３３へ向かう順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。光カプラ３３は、光アイソレータ３２から到達して入力した信号光を光ファイバ３４へ出力するとともに、励起光源３８から到達して入力した励起光をも光ファイバ３４へ出力する。
光ファイバ３４は、遷移金属元素（例えばＢｉ元素）を少なくとも一部に含有する材料からなる光ファイバである。この光ファイバ３４は、励起光源３８から出力された励起光が供給され、光カプラ３３から出力された信号光を光増幅して、この光増幅した信号光を光アイソレータ３５へ出力する。なお、光ファイバ３４が遷移金属元素としてＢｉ元素を含有する場合には、励起波長は０.８μｍ帯が用いられる。光アイソレータ３５は、光ファイバ３４から光カプラ３６へ向かう順方向には光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。光カプラ３６は、光アイソレータ３５から到達した信号光を入力して、その信号光の一部パワーを分岐して出力モニタ部３９へ出力し、残部をＷＤＭ光フィルタ１４へ出力する。
ＷＤＭ光フィルタ１４は、光カプラ２６および光カプラ３６それぞれから到達した信号光を合波して、その合波した信号光を出力端１２から外部へ出力させる。
この光増幅器１０は以下のように動作する。励起光源２８から出力された励起光は、光カプラ２３を経て、光ファイバ２４へ供給される。また、励起光源３８から出力された励起光は、光カプラ３３を経て、光ファイバ３４へ供給される。入力端１１に入力した多波長の信号光は、ＷＤＭ光フィルタ１３により分波されて、光カプラ２１または光カプラ３１へ出力される。
ＷＤＭ光フィルタ１３から光カプラ２１へ出力された信号光は、光カプラ２１、光アイソレータ２２および光カプラ２３を順に経て光ファイバ２４に入力し、この光ファイバ２４を導波する間に光増幅される。光ファイバ２４で光増幅された信号光は、光アイソレータ２５および光カプラ２６を順に経てＷＤＭ光フィルタ１４に入力する。
ＷＤＭ光フィルタ１３から光カプラ３１へ出力された信号光は、光カプラ３１、光アイソレータ３２および光カプラ３３を順に経て光ファイバ３４に入力し、この光ファイバ３４を導波する間に光増幅される。光ファイバ３４で光増幅された信号光は、光アイソレータ３５および光カプラ３６を順に経てＷＤＭ光フィルタ１４に入力する。
光カプラ２６および光カプラ３６それぞれから出力された信号光はＷＤＭ光フィルタ１４により合波され、その合波された信号光は出力端１２から外部へ出力される。
この光増幅器１０の利得帯域は、希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなる光ファイバ２４の利得帯域と、遷移金属元素（例えばＢｉ元素）を少なくとも一部に含有する材料からなる光ファイバ３４の利得帯域と、を含む。一方の光ファイバ２４の利得帯域は、１０ｄＢ帯域として１.４５μｍ〜１.６５μｍもしくは１.５μｍ〜１.７μｍを含み、または、３ｄＢ帯域として１４６０ｎｍ〜１６２５ｎｍを含み、これのみでも広帯域である。また、他方の光ファイバ３２が遷移金属元素としてＢｉ元素を含有するものであれば、この光ファイバ３２の利得帯域はＯバンド（１２６０ｎｍ〜１３６０ｎｍ）を含む。したがって、この光増幅器１０は、ＯバンドからＬバンドにまたがる広帯域で利得を有することができる。
また、この光増幅器１０は、広帯域の光源としても用いられ、この場合には、ＷＤＭ光フィルタ１３、光カプラ２１，３１、光アイソレータ２２，３２、および、入力用モニタ部２７，３７は不要である。
なお、Ｏバンドは、ＣＡＴＶ等の光放送システムにおいて用いられる。したがって、この光増幅器１０または光源は、光通信および光放送の双方の用途に使用される光部品を評価する際に用いられる。また、この光増幅器１０または光源は、近赤外分光測定などへの応用も可能である。
なお、図１０に示された光増幅器１０では、希土類元素を含有する光ファイバ２４と、遷移金属元素を含有する光ファイバ３４とを、並列的に備えるものであった。これに対して、希土類元素に加えて遷移金属元素をも含有する光ファイバを用いてもよく、この場合にも広帯域の光増幅器や光源を実現することができる。例えば、Ｅｒ元素，Ｔｍ元素およびＢｉ元素を含有する光ファイバを用いて、この光ファイバに０.８μｍ帯の励起光を供給すると、Ｂｉ元素およびＥｒ元素の双方が励起され、Ｂｉ元素からの１.２６μｍ帯の蛍光がＴｍ元素を ３Ｈ６準位から ３Ｈ５準位に励起し、Ｅｒ元素からの１.５３μｍ帯の蛍光がＴｍ元素を ３Ｈ６準位から ３Ｆ４準位に励起するので、３種類の元素それぞれから蛍光が発生する。Ｔｍ元素に反転分布を生じさせる為には、Ｂｉ元素濃度はＥｒ元素濃度より高いことが望ましい。
なお、ここに更にＹｂを共添加して、各元素の濃度を最適化すれば、上述の如く、広帯域での出力スペクトル平坦化には一層有用である。
本実施形態に係る光ファイバ１の構成を示す斜視図である。 希土類元素としてＥｒ元素およびＴｍ元素をコア領域に含有する石英ガラスからなる光ファイバのＡＳＥ光出力スペクトルを示す図である。 サンプルＡ〜Ｄそれぞれの組成を纏めた図表である。 サンプルＡ〜Ｄそれぞれの蛍光スペクトルを示す図である。 サンプルＡ〜Ｄそれぞれの蛍光スペクトルにおける１５ｄＢ帯域および１０ｄＢ帯域を纏めた図表である。 サンプルＥ１〜Ｅ６それぞれの組成を纏めた図表である。 サンプルＥ１〜Ｅ６それぞれの蛍光スペクトルを示す図である。 希土類元素としてＥｒ元素およびＴｍ元素をコア領域に含有する石英ガラスからなる光ファイバのＡＳＥ光出力スペクトルを示す図である。 ０.９８μｍ帯励起および１.４μｍ帯励起それぞれの場合の３ｄＢ帯域および１０ｄＢ帯域を纏めた図表である。 本実施形態に係る光増幅器１０の構成図である。 サンプルＢ２，Ｃ２それぞれの組成を纏めた図表である。 サンプルＢ，Ｂ２それぞれの蛍光スペクトルを示す図である。 サンプルＣ，Ｃ２それぞれの蛍光スペクトルを示す図である。
符号の説明
１…光ファイバ（希土類元素添加光導波路）、２…コア領域、３…クラッド領域、１０…光増幅器、１１…入力端、１２…出力端、１３，１４…ＷＤＭ光フィルタ、２１…光カプラ、２２…光アイソレータ、２３…光カプラ、２４…光ファイバ（希土類元素添加光導波路）、２５…光アイソレータ、２６…光カプラ、２７…入力モニタ部、２８…励起光源、２９…出力モニタ部、３１…光カプラ、３２…光アイソレータ、３３…光カプラ、３４…光ファイバ（遷移金属元素添加光導波路）、３５…光アイソレータ、３６…光カプラ、３７…入力モニタ部、３８…励起光源、３９…出力モニタ部。

Claims (20)

  1. 希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなり、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルにおいて、そのＡＳＥ光のピーク強度との差が１５ｄＢ以下である強度を有する波長域が１.４５μｍ〜１.６５μｍを含むことを特徴とする希土類元素添加光導波路。
  2. 前記ＡＳＥ光のスペクトルにおいて、そのＡＳＥ光のピーク強度との差が１０ｄＢ以下である強度を有する波長域が１.４５μｍ〜１.６５μｍを含むことを特徴とする請求項１記載の希土類元素添加光導波路。
  3. 希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなり、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルにおいて、そのＡＳＥ光のピーク強度との差が１５ｄＢ以下である強度を有する波長域が１.５μｍ〜１.７μｍを含むことを特徴とする希土類元素添加光導波路。
  4. 前記ＡＳＥ光のスペクトルにおいて、そのＡＳＥ光のピーク強度との差が１０ｄＢ以下である強度を有する波長域が１.５μｍ〜１.７μｍを含むことを特徴とする請求項３記載の希土類元素添加光導波路。
  5. 希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなり、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルの半値全幅に相当する波長域がＳバンド，ＣバンドおよびＬバンドを含むことを特徴とする希土類元素添加光導波路。
  6. 希土類元素を少なくとも一部に含有する材料からなり、単一波長の励起光が供給されたときに発生するＡＳＥ光のスペクトルの半値全幅が周波数換算で２０ＴＨｚ以上であることを特徴とする希土類元素添加光導波路。
  7. 一端から他端に光が通過したときの偏波依存性が１ｄＢより小さいことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の希土類元素添加光導波路。
  8. 出力されるＡＳＥ光の偏光度が１ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の希土類元素添加光導波路。
  9. 前記希土類元素としてＥｒ元素およびＴｍ元素を含有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の希土類元素添加光導波路。
  10. 前記希土類元素として更にＹｂ元素を含有することを特徴とする請求項９記載の希土類元素添加光導波路。
  11. Ｅｒ元素濃度よりＴｍ元素濃度が高いことを特徴とする請求項９記載の希土類元素添加光導波路。
  12. Ｅｒ元素濃度とＴｍ元素濃度との比が１:６〜１:３であることを特徴とする請求項９記載の希土類元素添加光導波路。
  13. フォノンエネルギが９００ｃｍ−１以下であるガラスまたはガラスセラミックスを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の希土類元素添加光導波路。
  14. フォノンエネルギが６００ｃｍ−１以下であるガラスまたはガラスセラミックスを主成分とする材料からなることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の希土類元素添加光導波路。
  15. 請求項１〜１４の何れか１項に記載の希土類元素添加光導波路と、
    前記希土類元素添加光導波路に励起光を供給する第１励起光供給手段と
    を備えることを特徴とする光源。
  16. 遷移金属元素を少なくとも一部に含有する材料からなる遷移金属元素添加光導波路と、
    前記遷移金属元素添加光導波路に励起光を供給する第２励起光供給手段と、
    前記希土類元素添加光導波路および前記遷移金属元素添加光導波路それぞれで発生したＡＳＥ光を入力し、これらを合波して出力する光合波器と
    を更に備えることを特徴とする請求項１５記載の光源。
  17. 前記第１励起光供給手段から前記希土類元素添加光導波路に供給される励起光の波長が１.４μｍ帯であることを特徴とする請求項１５記載の光源。
  18. 入力端に入力した信号光を光増幅して出力端から出力させる請求項１〜１４の何れか１項に記載の希土類元素添加光導波路と、
    前記希土類元素添加光導波路に励起光を供給する第１励起光供給手段と
    を備えることを特徴とする光増幅器。
  19. 遷移金属元素を少なくとも一部に含有する材料からなる遷移金属元素添加光導波路と、
    前記遷移金属元素添加光導波路に励起光を供給する第２励起光供給手段と、
    前記入力端に入力した信号光を分波して前記希土類元素添加光導波路または前記遷移金属元素添加光導波路に出力する光分波器と、
    前記希土類元素添加光導波路および前記遷移金属元素添加光導波路それぞれで光増幅された信号光を入力し、これらを合波して前記出力端から出力させる光合波器と
    を備えることを特徴とする請求項１８記載の光増幅器。
  20. 前記第１励起光供給手段から前記希土類元素添加光導波路に供給される励起光の波長が１.４μｍ帯であることを特徴とする請求項１８記載の光増幅器。
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