JP2020500819A - 能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスに関する。【解決手段】Ａｌ（ＰＯ３）３を含むメタリン酸塩（ｍｅｔａｐｈｏｓｐｈａｔｅ）組成物と、ＢａＦ２及びＳｒＦ２を含むフッ素（ｆｌｕｏｒｉｄｅ）組成物と、ＥｒＦ３及びＹｂＦ３で設けられるドーパント（ｄｏｐａｎｔ）とを含んで組成され、能動素子（例：光ファイバレーザー）用ガラス母材として採用可能な熱的及び機械的特性を有しつつも高い蛍光断面積特性を有し、強化された下向き及び上向き転移放出特性及び極低温環境で高い敏感度（Ｓ）を有する。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス（Ｆｌｕｏｒｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ Ｇｌａｓｓｅｓ）に関し、特に、光ファイバレーザー用ガラス母材として採用可能な、熱的及び機械的特性を有すると共に、高い蛍光断面積特性を有し、強化された下向き及び上向き転換放出特性並びに極低温環境で高い感度（Ｓ）を有する能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスの組成に関する。

ここでは、本発明に関する背景技術を提供するが、これは必ずしも公知技術を意味するものではない。

一般的にエルビウム（Ｅｒ）ドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）された光ファイバ増幅器（ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ、ＥＤＦＡ）は、ガラス材質の光ファイバにエルビウムをドーピングして１５３０〜１６１０ｎｍ間の波長を持つ光を増幅させる光増幅器装置であって、波長分割（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、ＷＤＭ）方式の通信システムは勿論、ほぼすべての光ネットワークで主要な装置として使用されている光増幅器装置である。

フッ化物ガラス（ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｇｌａｓｓ）にリン酸塩（ｐｈｏｓｐｈａｔｅ）が混合されたフッ素リン酸塩系ガラス（ｆｌｕｏｒｏｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｇｌａｓｓ、ＦＰ）は、フッ化物ガラス（ｆｌｕｏｒｉｄｅ ｇｌａｓｓ）に比べて、熱的安定性と化学的耐久性とに優れ、フォノンエネルギー（ｐｈｏｎｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）が低く、紫外線から近赤外線までの広いスペクトル（ｓｐｅｃｔｒｕｍ）領域における光透過特性及び屈折率の線型性に優れ、更に希土類（ＲＥ、ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ）元素をドーパントとして使用する場合には、多重エネルギー準位を提供することで高いドーパント（ｄｏｐａｎｔ）濃度を実現することができるため、短い長さのキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）を利用しながらも高い効率が得られるガラス母材である。

なお、イッテルビウム（Ｙｂ）は、９８０ｎｍ領域で非常に高い吸収断面積（ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）を提供し、ドナー（^２Ｆ_５／２、Ｙｂ^３＋）のエネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）とアクセプター（^４Ｉ_１１／２、Ｅｒ^３＋）のエネルギー準位との重なり（ｏｖｅｒｌａｐ）に優れるため、エルビウム（Ｅｒ）と共にドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されることで、レーザー励起（ｌａｓｅｒ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）の増減剤（ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｒ）として利用される。

このような優れた特性を持つＥｒ／Ｙｂ ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇされたフッ素リン酸塩系ガラスは、上述した優れた性能を活用するために、可視光または赤外線レーザー、光ファイバ増幅器、光貯蔵装置、及び海底光通信網のような従来の応用分野だけでなく、最近では、ライダー（ＬｉＤＡＲ、Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）のような高出力システムから、ｅｙｅ−ｓａｆｅ光源（１５５０ｎｍ）及び軽量化が要求される３次元空間観測システムまで、その応用範囲が拡大している。

また、バイオ技術及びデータ格納のような分野では、５００ｎｍ領域の緑色と６００ｎｍ領域の赤色領域波長を利用する。

このような広範囲の応用分野で活用されるためには、装置の大きさを縮小しても高いパルス出力が実現可能なフッ素リン酸塩系ガラス母材の開発が要求される。また、９８０ｎｍのレーザー励起システムを利用して５００〜６００ｎｍ領域の波長を放出するためには、上向き転移（ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）現象を利用しなければならない。

本発明は、能動素子（例：光ファイバレーザー）用ガラス母材として採用可能な熱的及び機械的特性を維持しつつも高い蛍光断面積特性を有し、強化された下向き及び上向き転移放出特性並びに極低温環境で高い感度（Ｓ）を持つ能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスの提供を目的とする。

以下に、本発明の全体的な要約（Ｓｕｍｍａｒｙ）を提供するが、これが本発明の外縁を制限すると理解されてはならない。

上記課題を解決するために、本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、Ａｌ（ＰＯ_３）_３を含むメタリン酸塩（ｍｅｔａｐｈｏｓｐｈａｔｅ）組成物と、ＢａＦ_２及びＳｒＦ_２を含むフッ素（ｆｌｕｏｒｉｄｅ）組成物と、ＥｒＦ_３及びＹｂＦ_３で設けられるドーパント（ｄｏｐａｎｔ）と、を含んで組成される。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記ＹｂＦ_３が３ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記ＥｒＦ_３が３ｍｏｌ％であり、前記ＹｂＦ_３が３ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３が２０ｍｏｌ％〜３０ｍｏｌ％であり、前記ＢａＦ_２が１０ｍｏｌ％〜６０ｍｏｌ％であり、前記ＳｒＦ_２が１０ｍｏｌ％〜７０ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３が２０ｍｏｌ％であり、前記ＢａＦ_２が４０ｍｏｌ％〜６０ｍｏｌ％であり、前記ＳｒＦ_２が２０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記ＥｒＦ_３が３ｍｏｌ％であり、前記ＹｂＦ_３が３ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３が２０ｍｏｌ％であり、前記ＢａＦ_２はが６０ｍｏｌ％であり、前記ＳｒＦ_２が２０ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記ＥｒＦ_３が３ｍｏｌ％であり、前記ＹｂＦ_３が３ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３が２０ｍｏｌ％であり、前記ＢａＦ_２が５０ｍｏｌ％であり、前記ＳｒＦ_２が３０ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記ＥｒＦ_３が３ｍｏｌ％であり、前記ＹｂＦ_３が３ｍｏｌ％〜５ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明の一態様（ａｓｐｅｃｔ）による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３が２０ｍｏｌ％であり、前記ＢａＦ_２が４０ｍｏｌ％であり、前記ＳｒＦ_２が４０ｍｏｌ％であることを特徴とすることができる。

本発明によると、ガラス転移温度（ｔｇ）及びピーク温度（ｔｐ）を含む熱的特性、熱膨脹係数（ＣＴＥ）を含む熱機械的特性、並びにガラス硬度（Ｋｎｏｐ Ｈａｒｄｎｅｓｓ）を含む機械的特性が改善された長所を有する光ファイバレーザーを含む能動素子の製造工程を提供する。

本発明によると、高い蛍光断面積（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ）特性を実現し、装置の大きさが縮小されても、高いパルス出力を実現することができるという効果を有する。

本発明によると、ドーピング物質（例：Ｅｒ、Ｙｂ）の組成の最適化によって、有効なエネルギー伝達（ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）現象により誘導放出（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）される準安定状態（ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ ｓｔａｔｅ）エネルギー準位におけるキャリア寿命が延長されるという効果を有する。

本発明によると、ドーピング物質（例：Ｅｒ、Ｙｂ）の組成最適化によって下向き転換（ｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）及び上向き転換（ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）放出（ｅｍｉｓｓｉｏｎ）特性が強化される効果を有する。

本発明によると、極低温でも感度に優れる能動素子用ガラス母材を得ることができる。従って、極低温環境でも使用可能な能動素子の提供が可能になる。

Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計図である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計図である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計図である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系の熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系の熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系の熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系の熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系の熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系の熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 ＥｒＦ_３ ｄｏｐｅｄ Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系の組成変化による熱機械的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計による機械的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計による機械的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計による機械的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計による機械的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計による機械的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計による機械的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０３：ＡＳＢ３Ｅ３Ｙ、０．０４：ＡＳＢ３Ｅ_４Ｙ、０．０５：ＡＳＢ３Ｅ５Ｙ）系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度による吸収スペクトラムを示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度にジャッドーオーフェルトパラメータの変化を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度による上向き転移スペクトラムを示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度による近赤外線放出スペクトラムを示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０４）系ガラスの波長による^４Ｉ_１３／２→^４Ｉ_１５／２転移の吸収（ＡＣＳ）及び放出（ＥＣＳ）断面積変化に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０４）系ガラスの波長と反転分布割合による利得定数変化に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度による^４Ｉ_１３／２エネルギー準位におけるキャリア減殺曲線を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ８番でイッテルビウム（Ｙｂ）濃度によるキャリア蛍光断面積変化に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ９番でイッテルビウム（Ｙｂ）濃度によるキャリア蛍光断面積変化に対する実験結果を示す図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ１０番でイッテルビウム（Ｙｂ）濃度によるキャリア蛍光断面積変化に対する実験結果を示す図面である。 Ｅｒ／Ｙｂシステムにおいて、光子の吸収及び下向き転移による光子放出現象を説明するエネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）図面である。 Ｅｒ／Ｙｂシステムにおいて、光子の吸収及び上向き転移による光子放出現象を説明するエネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０５）系ガラスの低温上向き転移放出スペクトラムを説明する図面である。 Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０５）系ガラスの緑色放出（ｇｒｅｅｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）のフッ素化強度割合（ＦＩＲ）の温度による変化を示す図面である。 図１７ａのガラス系の感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ、Ｓ）の温度による変化を説明する図面である。

以下、本発明による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスを実現した実施形態を図面を参照して詳しく説明する。

但し、本発明の思想は、以下で説明する実施形態によってその実施可能な形態が制限されるとはいえず、本発明の思想を理解する通常の技術者は、本発明と同一の技術的思想の範囲内に含まれる多様な実施形態を置換または変更の方法で容易に提案することができるが、これも本発明の技術的思想に含まれることを明らかにする。

また、以下で使用する用語は、説明の便宜のために選択したものであるので、本発明の技術的内容を把握するにあたって、辞書的意味に制限されず、本発明の技術的思想に符合する意味で適切に解釈されなければならない。

本実施形態による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２を基材（ｂａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）として構成される。具体的には、本発明者らは、ＥｒＦ_３−ＹｂＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２で構成されるか、これらの組成を基材として構成されるフッ素リン酸塩系ガラスの組成を本発明の特徴とする。

これによると、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２系ガラスの場合は、能動素子用（例えば光ファイバレーザー用）ガラスに適用可能な熱的及び機械的特性条件を満しながらもＥｒ^３＋及びＹｂ^３＋で構成されるドーピング物質の組成割合（ｍｏｌ％）を最適化することで、高い蛍光断面積（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎ）を有する特性を実現し、装置の大きさが縮小されても、高いパルス出力が実現可能な効果を導出することができる。

図１ａ、１ｂ、１ｃは、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計図である。

図１ａ、１ｂ、１ｃに示すように、Ａｌ（ＰＯ_３）_３をリン酸塩として使用し、ストロンチウム（Ｓｒ）とカルシウム（Ｃａ）及びマグネシウム（Ｍｇ）それぞれをフッ素化合物として使用するフッ素リン酸塩系ガラスの物質組み合わせによって、ガラス形成領域を基準として定めたサンプル組成（ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を確認することができる。

図１ａ、１ｂ、１ｃにおいて、黒色枠（閉曲線）の内部に位置するサンプル組成がガラス形成領域であり、サンプル組成において、各組成物の組成割合（ｍｏｌ％）変化による熱的、及び機械的特性変化を分析して能動素子用ガラス母材としての適合性を確認した。

図２ａ、２ｂ、２ｃは、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系の熱的特性評価に対する実験結果を示す図面であり、図３ａ、３ｂ、３ｃは、ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ２系の熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。

インゴット（ｉｎｇｏｔ）形態で製造されたガラス母材を一定温度に再加熱しながら一定速度で引っ張ることで光ファイバを製造する。

従って、光ファイバ生産用ガラス母材は、ガラス転移温度（Ｔｇ）とピーク温度（Ｔｐ）が工程の難易度及び収率を決める主な要素となる。

図２ａ、２ｂ、２ｃに示すように、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＭｇＦ_２系ガラスでＢａＦ_２の代わりにＭｇＦ_２含量が増加することにより、Ｔｇ（ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）の変化が大きくないことが分かり、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系ガラスでもｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（６）から（７）に、ＢａＦ_２の代わりにＣａＦ_２含量が増加することにより、Ｔｇ（ｇｌａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）の変化はわずかなことが確認できる。

また、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２系ガラス組成候補において、ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（８）から（１４）に、ＢａＦ_２の代わりにＳｒＦ_２含量が０．２ｍｏｌ％から０．７ｍｏｌ％に増加することにより、熱特性変位挙動傾向性は表れず、相対的にわずかなものと判断される。

従って、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系ガラスの場合、その組成変化が光ファイバの製造時に引っ張り工程における難易度及び収率に及ぼす影響が低いため、それ以外の他の特性調節のための組成最適化が可能であるという利点を有する。

なお、網状組織形成成分（Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒｍｅｒ）であるＡｌ（ＰＯ_３）_３含量を０．２ｍｏｌ％から０．３ｍｏｌ％に増加することにより、相対的に剛性構造（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｒｉｇｉｄｉｔｙ）が増加してガラス転移温度は増加することが確認でき、Ａｌ（ＰＯ_３）_３ 含量の組成変化範囲は制限が必要となる。

図３ａ、３ｂ、３ｃに示すように、（０．０１、０．０２）ｍｏｌ％ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＭｇＦ_２系ガラスにおいて、ＥｒＦ_３が増加することにより、相対的にガラス転移温度が線形的に減少することが確認されるが、（０．０１、０．０２）ｍｏｌ％ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系と（０．０１、０．０２）ｍｏｌ％ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２系ガラスでも同一の傾向性を確認することができる。

一般的に、希土類物質イオン（ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｉｏｎ）が添加される場合、相対的にガラス転移温度は増加させる現象と反対の現象を表す。

また、（０．０１、０．０２）ｍｏｌ％ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＭｇＦ_２系ガラスにおいて、ＥｒＦ_３が増加することにより、相対的にガラス転移温度が線形的に減少することを示し、（０．０１、０．０２）ｍｏｌ％ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系と（０．０１、０．０２）ｍｏｌ％ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２系ガラスでも同一の傾向性を確認することができる。

図４は、ＥｒＦ_３ ｄｏｐｅｄ Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系の組成変化による熱的及び機械的特性に対する実験結果を示す図面である。

光ファイバが外部温度によって膨脹または収縮すると、通信システムで伝送特性が悪くなることは勿論、光ファイバレーザーまたは光ファイバ増幅器では、利得特性の変化を引き起こすため、熱膨脹係数は小さいことが好ましい。

図４に示すように、Ｅｒ^３＋ドーピングによる熱膨脹係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ、ＣＴＥ）の変化は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＭｇＦ_２系ガラス、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系ガラスでＥｒ^３＋ドーピング量の変化による熱膨脹係数の変化傾向性がＡｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２系ガラスでも同様に表れることが確認できる。これからＡｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２系ガラスを光ファイバレーザーまたは光ファイバ増幅器に適用する場合、コアとクラッディングの界面接合に有利な特性を有することが確認できる。

図５ａ、５ｂ、５ｃは、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計による機械的特性に対する実験結果を示す図面であるであり、図６ａ、６ｂ、６ｃは、ＥｒＦ_３−Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計による機械的特性に対する実験結果を示す図面である。

図５ａ、５ｂ、５ｃに示すように、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＭｇＦ_２系ガラスの硬度変化は、０．２Ａｌ（Ｐ０_３）_３でＢａＦ_２ｍｏｌ％が０．７から０．３に減少、即ち、ＭｇＦ_２ｍｏｌ％は０．２から０．５に増加することにより、硬度は線形的に増加することが分かる。

一方、ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ４番組成の場合、相対的に硬度が低いが、Ａｌ（Ｐ０_３）_３の組成比が０．１に低くなったことが原因であると判断される。

従って、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＭｇＦ_２系ガラスにおいて、Ａｌ（Ｐ０_３）_３の組成比が増加することにより、硬度は線形的に増加することが確認できる。

次に、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系ガラスの硬度変化は、０．２Ａｌ（Ｐ０_３）_３でＢａＦ_２ｍｏｌ％は０．７から０．４に減少、即ち、ＣａＦ_２ｍｏｌ％は０．１から０．４に増加することにより、硬度は線形的に増加し、０．３Ａｌ（Ｐ０_３）_３でも同一の硬度増加の傾向を表すことが確認できる。

また、Ａｌ（Ｐ０_３）_３が増加する場合、相対的に硬度が増加して、本実験では、６番、１４番に組成が変わる場合、硬度は線形的に増加することが確認できる。

次に、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２系ガラスの硬度変化では、最初に８番と１４番の組成試片の場合のように、ＢａＦ_２組成モル比が０．６ｍｏｌ％と相対的に多く占める場合、硬度が非常に弱いことを表した。

特異点は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２系ガラスでは、Ａｌ（Ｐ０_３）_３のｍｏｌ％が増加しても大きく影響を受けないことが確認できる。

一方、０．２Ａｌ（Ｐ０_３）_３に固定され、９番から１３番組成に、即ちＳｒＦ_２ｍｏｌ％が０．４から０．７に増加することにより、硬度は線形的に増加するが、これは、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｃａ、Ｍｇ、Ｓｒ）Ｆ_２フッ素リン酸塩系のガラス硬度変化動向を整理すると、ＢａＦ_２の組成比が多い領域では硬度が弱く、ＢａＦ_２対比ＣａＦ_２、ＭｇＦ_２またはＳｒＦ_２の組成比が増加することにより、硬度は一般的に増加することを意味し、また溶融温度が高いリン酸塩の増加は、硬度の向上をもたらすと考えられる。

なお、図６ａ、６ｂ、６ｃに示すように、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ）Ｆ_２系ガラスにそれぞれ（０．０１、０．０２）ｍｏｌ％ＥｒＦ_３を添加することにより、Ｋｎｏｏｐ硬度が線形的に増加することが確認できる。

実質的に０．０１ｍｏｌ％ＥｒＦ_３濃度で添加される場合、揮発現象によるＥｒ^３＋イオンがガラス結晶内部に均質に分布されない点を勘案しても、相対的に希土類元素イオン（ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｉｏｎ）が添加される場合、Ｅｒイオン周辺のリガンド（Ｌｉｇａｎｄ）と共有結合性が増加して、相対的にガラス転移温度の増加と共に硬度向上も予想される。

図７は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０３：ＡＳＢ３Ｅ３Ｙ、０．０４：ＡＳＢ３Ｅ４Ｙ、０．０５：ＡＳＢ３Ｅ５Ｙ）系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度による吸収スペクトラムを示す図面である。

図７に示すように、ＹｂＦ_３が３ｍｏｌ％から５ｍｏｌ％に増加することにより、^２Ｆ_７／２→^２Ｆ_５／２転移強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は増加し続ける。^４Ｉ_１５／２→^４Ｉ_１３／２の転移強度は、ＹｂＦ_３が増加することにより、増加後に飽和される。また、^４Ｉ_１３／２の減少された強度及びそれから励起されたエネルギー準位は、上向き転換現象が表れていることを示す。

一方、振動強度（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ）と強度パラメータ（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒ）、自然放出確率（ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｉｅｓ）、分岐確率（ｂｒａｎｃｈｉｎｇ ｒａｔｉｏ）及び発光性寿命（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｌｉｆｅｔｉｍｅ）を算出するために、ジャッドーオーフェルト理論（Ｊｕｄｄ−Ｏｆｅｌｔ Ｔｈｅｏｒｙ）に図７の吸収スペクトラムを適用した。

図８は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０３：ＡＳＢ３Ｅ３Ｙ、０．０４：ＡＳＢ３Ｅ４Ｙ、０．０５：ＡＳＢ３Ｅ５Ｙ）系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度にジャッドーオーフェルトパラメータの変化を示す図面である。

図８に示すように、ジャッドーオーフェルト分析は、ＹｂＦ_３が増加することにより、ＪＯパラメータΩ_λが連続的に増加していることが確認できる。これは、ＹｂＦ_３の増加により、Ｅｒ^３＋イオンの平均対称は減少し、Ｅｒ−Ｏ結合間の共有原子価（ｃｏｖａｌｅｎｃｙ）は増加することを意味する。従ってＸ＝０．０５の時、従来の技術に比べておおよそ２．０４倍高い性能因子を有し、従ってＸ＝０．０５の時、レーザー利得媒体として使用される可能性が高い。

図９は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度による上向き転移スペクトラムを示す図面である。

図９に示すように、二つの強力な緑色放出ピーク（ｐｅａｋ）が５２５ｎｍ（^２Ｈ_１１／２→^４Ｉ_１５／２）と５４５ｎｍ（^４Ｓ_３／２→^４Ｉ_１５／２）で表れ、弱い一つの赤色放出ピークが６５１ｎｍ（^４Ｆ_９／２→^４Ｉ_１５／２）で表れる。即ち、ＹｂＦ_３の濃度が増加することにより、緑色放出と赤色放出強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が単調増加していることが分かる。

図１０は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度による近赤外線放出スペクトラムを示す図面である。

図１０に示すように、１５４０ｎｍ波長の放出現象は、広い帯域を有する励起されたＥｒ^３＋イオンに対して、^４Ｉ_１５／２及び^４Ｉ_１３／２マニホールド間にある内部−４ｆ転換の特性領域であることが確認できる。即ち、ＹｂＦ_３が１．０ｍｏｌ％から３．０ｍｏｌ％に増加することにより、１５４０ｎｍ波長の放出強度が増加し、ＹｂＦ_３濃度が３．０ｍｏｌ％以上に増加すれば１５４０ｎｍ波長の放出強度は減少する。

また、半値幅（ＦＷＨＭ、ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ）は、ＹｂＦ_３が１．０ｍｏｌ％から４．０ｍｏｌ％に増加することにより、６７ｎｍから７８ｎｍに増加し、ＹｂＦ_３濃度が５．０ｍｏｌ％の場合に減少する。このようなＹｂＦ_３濃度が５．０ｍｏｌ％である時、放出強度と半値幅は、クラスターフォーメーション（ｃｌｕｓｔｅｒ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）に起因する非発光性プロセス（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）によって減少する。

図１１は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０４）系ガラスの波長による^４Ｉ_１３／２→^４Ｉ_{１５ ／２}転移の吸収（ＡＣＳ）及び放出（ＥＣＳ）断面積変化に対する実験結果を示す図面である。

図１１に示すように、ＹｂＦ_３濃度の増加により、吸収断面積と放出断面積は減少する。しかし、ＹｂＦ_３が４．０ｍｏｌ％の場合は、Ｙｂ^３＋からＥｒ^３＋への効果的な共振エネルギー転換（ｒｅｓｏｎａｎｔ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）を誘導することができる、適切なＥｒ／Ｙｂ濃度の割合のため、吸収断面積及び放出断面積が増加する。

図１２は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０４）系ガラスの波長と反転分布割合による利得定数変化に対する実験結果を示す図面である。

図１２に示すように、反転分布割合（γ）が０．４以上の時、１５４０ｎｍにおける利得定数が正の値を有することができることが分かる。このような現象は、^４Ｉ_１３／２→^４Ｉ_１５／２転移のレーザー作動のために低いポンプ閾値が要求されることが確認できる。

反転分布割合（γ）が０．４以上の時、レーザー放出波長は短波長に移動する。さらに、反転分布割合（γ）が０．４の時、帯域幅（ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）は７４ｎｎｍであり、これは一般的なシリケート（ｓｉｌｉｃａｔｅｄ）エルビウムドーピングファイバ増幅器（ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）の帯域幅に比べて非常に広い。

反転分布割合（γ）が０．４以上の時、光通信ウィンドウのＣ（１５３０−１５６５ｎｍ）とＬ（１５６５−１６２５ｎｍ）バンドを含む１４９０ｎｍ〜１６２０ｎｍ範囲で平坦利得特性を表す。従って、波長分割多重通信網（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ｎｅｔｗｏｒｋｓ）において、さらに多いチャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）を収容することができる。

図１３は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのイッテルビウム（Ｙｂ）濃度による^４Ｉ_１３／２エネルギー準位におけるキャリア減殺曲線を示す図面である。

図１３に示すように、ＹｂＦ_３の濃度が１．０ｍｏｌ％から５．０ｍｏｌ％に増加する時、^４Ｉ_１３／２エネルギー準位におけるキャリア寿命τ_ｅｘｐは、それぞれ８．７３、１１．８５、１１．５５、１２．３７、そして１０．４７ｍｓで決められる。ＹｂＦ_３濃度が１．０ｍｏｌ％から４．０ｍｏｌ％に増加することにより、τ_ｅｘｐは８．７３ｍｓから１２．３７ｍｓに増加し、ＹｂＦ_３濃度が５．０ｍｏｌ％に増加すると、τ_ｅｘｐは１０．４７ｍｓに減少する。

ＹｂＦ_３濃度が１．０ｍｏｌ％から４．０ｍｏｌ％に増加することにより、τ_ｅｘｐが増加することは、ＹｂＦ_３の濃度増加によるエネルギー転換を通じた励起（ｅｘｉｔａｔｉｏｎ）と、ＥｒＦ_３による分散（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）が増加するからである。また、ＹｂＦ_３濃度が５．０ｍｏｌ％に増加することによりτ_ｅｘｐが減少することは、クラスタフォーメーションに起因する非発光性損失が増加するからである。従って、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（４０−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３系において、ｘ＝０．０２〜０．０５の時のτ_ｅｘｐは、従来のフッ素リン酸塩系ガラス及びＡｌ（ＰＯ_３）_３を基盤とするフッ素リン酸塩系ガラスに比べてさらに長い。

次に、本実施形態による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスの蛍光断面積特性について説明する。

図１４ａ〜図１４ｃは、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスのｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ８番、９番、１０番において、イッテルビウム（Ｙｂ）濃度による蛍光断面積変化に対する実験結果を示す図面である。

図１４ａに示すように、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスの三成分系組成８（「ＡＢＳ−８」という）の場合、（０．０３）ＥｒＦ_３／（０．０５）ＹｂＦ_３で蛍光断面積が４．８４１×１０^−２１ｃｍ^２と最も高い値を示すことが確認できる。

図１４ｂに示すように、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスの三成分系組成９（「ＡＢＳ−９」という）の場合、（０．０３）ＥｒＦ_３／（０．０４）ＹｂＦ_３で蛍光断面積が４．２４１２×１０^−２１ｃｍ^２と最も高い値を表すことが確認できる。

図１４ｃに示すように、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０１、０．０２、０．０３、０．０４、０．０５）系ガラスの三成分系組成１０（「ＡＢＳ−１０」という）の場合、（０．０３）ＥｒＦ_３／（０．０３）ＹｂＦ_３で蛍光断面積が４．１４５×１０^−２１ｃｍ^２と最も高い値を表すことが確認できる。

これらの結果をまとめると、これは希土類元素がエネルギー転移及びｍｕｌｔｉｐｈｏｎｏｎ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎなどのようなｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔが相対的に少ない割合に起因したものと考えられる。

また、母材組成変化によって、ＢａＦ_２の代わりにＳｒＦ_２の含量が増加する場合、即ちｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ がＡＢＳ−８からＡＢＳ−１０に増加する場合は、相対的に最も高い蛍光断面積がＥｒＦ_３：ＹｂＦ_３＝０．０３：０．０３〜０．０３：０．０５の割合で表れ、これは今まで研究された割合である１：３より相対的に非常に低いＹｂＦ_３の含量によっても高い蛍光断面積を実現することができるようになる。

図１５ａは、Ｅｒ／Ｙｂシステムで光子の吸収及び下向き転移による光子放出現象を説明するエネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）図面であり、図１５ｂは、Ｅｒ／Ｙｂシステムで光子の吸収及び上向き転移による光子放出現象を説明するエネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）図面である。

先ず、図１５ａに示すような下向き転移（ｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）を説明すると、Ｅｒ／Ｙｂが共にドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されれば、３個のエネルギー準位を通じて動作（ｔｈｒｅｅ ｌｅｖｅｌ ｌａｓｅｒ）することが確認できる。

この時、イッテルビウム（Ｙｂ）の^２Ｆ_７／２→^２Ｆ_５／２転移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）とエルビウム（Ｅｒ）の^４Ｉ_１５／２→^４Ｉ_１１／２転移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）相互間にエネルギー転移現象が発生し、エルビウム（Ｅｒ）の^４Ｉ_１１／２→^４Ｉ_１３／２への非発光性転移現象が複合的に表れることで、^４Ｉ_１３／２におけるキャリア寿命に影響を及ぼしていることが分かる。

イッテルビウム（Ｙｂ）の濃度が増加する状況では、イッテルビウム（Ｙｂ）の^２Ｆ_７／２→^２Ｆ_５／２転移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）とエルビウム（Ｅｒ）の^４Ｉ_１５／２→^４Ｉ_１１／２転移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）が重なり（ｏｖｅｒｌａｐ）イッテルビウム（Ｙｂ）からエルビウム（Ｅｒ）へのエネルギー伝達（ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）現象が増加し、上述したように、イッテルビウム（Ｙｂ）イオンがエルビウム（Ｅｒ）イオンの非発光性プロセスを減少させる効果が大きくなるため、^４Ｉ_１３／２エネルギー準位におけるキャリア寿命が増えるようになる。

次に、上向き転移（ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）を説明する。

上向き転移（ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）は、非常に制限された状況で発生し、自然界ではほとんど観察されない。

上向き転移現象は、単一光子によるものではなく、２個以上の光子によって、光子一つのエネルギーよりさらに高いエネルギー準位に励起される現象である。これをアンチ−ストークス放出（ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ）ともいう。

上向き転移現象は、１次で光子を電子が吸収して高いエネルギー準位に励起した後、基底状態に落ちる前に再び他の光子を吸収しなければならない。従って、一次的な光子吸収によって励起された電子は、二次的に光子を吸収する前まで、１次で励起されたエネルギー準位で存在しなければならない。

図１５ｂに示すように、上述したように、^４Ｉ_１５／２→^４Ｉ_１１／２エネルギー転移（ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）されて^４Ｉ_１１／２に励起されたキャリアの一部は、非発光性再結合で^４Ｉ_１３／２に移動した後、発光性再結合で^４Ｉ_１５／２に移動するようになる。

この時、^４Ｉ_１１／２に残留しているまた他のキャリアは、また他の^４Ｉ_１５／２→^４Ｉ_１１／２エネルギー転移（ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）によって、^４Ｆ_７／２または^４Ｆ_９／２に励起される励起状態吸収（ｅｘｉｔｅｄ−ｓｔａｔｅ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）現象が表れることで上向き転移される。

^４Ｆ_７／２または^４Ｆ_９／２に上向き転移されたキャリアは、非発光性再結合して^２Ｈ_１１／２、^４Ｓ_３／２、及び^４Ｆ_９／２に落ちるようになる。^２Ｈ_１１／２、^４Ｓ_３／２、及び^４Ｆ_９／２に落ちたキャリアは、さらに^４Ｉ_１５／２に落ちながら発光性再結合して、５２３ｎｍと５４５ｎｍの光子（ｐｈｏｔｏｎ）と６５１ｎｍの光子を放出する。

図１６は、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０５）系ガラスの低温上向き転移放出スペクトラムを説明する図面である。

図１６に示すように、温度が増加することにより、非発光性減殺割合が増加するため、測定された全体波長領域で発光強度（ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は低くなる。しかし、５２１ｎｍ（^２Ｈ_１１／２→^４Ｉ_１５／２）領域の強度は増加する。このような現象は、^４Ｓ_３／２準位から^２Ｈ_１１／２準位にキャリアが熱的励起されることでＹｂＦ_３割合と濃度が増加するからである。

従って、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ３系ガラスの熱的結合準位（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｌｅｖｅｌｓ）に対する温度の影響を、フッ素化温度感知方法で分析可能なことを表す。

図１７ａは、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０５）系ガラスの緑色放出（ｇｒｅｅｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ）のフッ素化強度割合（ＦＩＲ）の温度による変化を示す図面であり、図１７ｂは、感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ、Ｓ）の温度による変化を説明する図面である。

ここで、感度（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ、Ｓ）は、フッ素化強度割合（Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｒａｔｉｏ、ＦＩＲ、以下Ｒ）の時間による変化率である。

図１７ａに示すように、本実施形態による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、極低温（例：１００Ｋ以下）でも、温度によってフッ素化強度割合（ＦＩＲ）の変化程度が分解可能に表れていることが確認できる。

これにより、図１７ｂから確認できるように、極低温で敏感度（Ｓ）が高く表れる。

表１において、図１７ａ〜図１７ｂを基盤として算出されたＳ及び最大感知感度（Ｍａｘｉｍｕｍ ｓｅｎｓｏｒ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ、Ｔｍａｘ）を表した。

表１に示すように、本実施形態によるフッ素リン酸塩系ガラス（特に、Ａｌ（ＰＯ_３）_３−（１−ｘ）ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２−（０．０３）ＥｒＦ_３／（ｘ）ＹｂＦ_３（ｘ＝０．０５）ガラス）は、Ｓが２２．４×１０^−４であり、Ｔ_ｍａｘは１２３Ｋである。

従って、本実施形態によるフッ素リン酸塩系ガラスは、他の如何なるガラス母材にも確認できない極低温（１２３Ｋ）で高い敏感度（Ｓ）を示すことが確認できる。

Claims (11)

1. Ａｌ（ＰＯ_３）_３を含むメタリン酸塩（ｍｅｔａｐｈｏｓｐｈａｔｅ）組成物と、
   ＢａＦ_２及びＳｒＦ_２を含むフッ素（ｆｌｕｏｒｉｄｅ）組成物と、
   ＥｒＦ_３及びＹｂＦ_３で設けられるドーパント（ｄｏｐａｎｔ）と、
   を含んで組成されることを特徴とする能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
2. 前記ＹｂＦ_３は、３ｍｏｌ％乃至５ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
3. 前記ＥｒＦ_３は、３ｍｏｌ％であり、前記ＹｂＦ_３は、３ｍｏｌ％乃至５ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項２に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
4. 前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３は、２０ｍｏｌ％乃至３０ｍｏｌ％であり、
   前記ＢａＦ_２は、１０ｍｏｌ％乃至６０ｍｏｌ％であり、
   前記ＳｒＦ_２は、１０ｍｏｌ％乃至７０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項１に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
5. 前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３は、２０ｍｏｌ％であり、
   前記ＢａＦ_２は、４０ｍｏｌ％乃至６０ｍｏｌ％であり、
   前記ＳｒＦ_２は、２０ｍｏｌ％乃至４０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項４に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
6. 前記ＥｒＦ_３は、３ｍｏｌ％であり、
   前記ＹｂＦ_３は、３ｍｏｌ％乃至５ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項５に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
7. 前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３は、２０ｍｏｌ％であり、
   前記ＢａＦ_２は、６０ｍｏｌ％であり、
   前記ＳｒＦ_２は、２０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項４に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
8. 前記ＥｒＦ_３は、３ｍｏｌ％であり、前記ＹｂＦ_３は、３ｍｏｌ％乃至５ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項７に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
9. 前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３は、２０ｍｏｌ％であり、
   前記ＢａＦ_２は、５０ｍｏｌ％であり、
   前記ＳｒＦ_２は、３０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項４に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
10. 前記ＥｒＦ_３は、３ｍｏｌ％であり、前記ＹｂＦ_３は、３ｍｏｌ％乃至５ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項９に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
11. 前記Ａｌ（ＰＯ_３）_３は、２０ｍｏｌ％であり、
    前記ＢａＦ_２は、４０ｍｏｌ％であり、
    前記ＳｒＦ_２は、４０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項４に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。

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