JP3424698B2 - Garnet crystal waveguide with amplifying action - Google Patents

Garnet crystal waveguide with amplifying action

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JP3424698B2
JP3424698B2 JP9309294A JP9309294A JP3424698B2 JP 3424698 B2 JP3424698 B2 JP 3424698B2 JP 9309294 A JP9309294 A JP 9309294A JP 9309294 A JP9309294 A JP 9309294A JP 3424698 B2 JP3424698 B2 JP 3424698B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はガーネット結晶導波路、
1.6μm近辺の波長の光を効率よく増幅するガーネッ
ト結晶導波路の構成に関する。
The present invention relates to a garnet crystal waveguide,
The present invention relates to a structure of a garnet crystal waveguide that efficiently amplifies light having a wavelength of around 1.6 μm.

【0002】[0002]

【従来技術の特徴】1.6μm波長領域の光増幅器とし
て、小型・安価でかつ容易に他の導波路型部品への接続
が可能であるような、実用に耐える素子への期待が高ま
りつつある。1.6μm波長域の光は、伝搬損失が1.
5μmの光に比較して、やや大きいことから、通信その
ものに利用するよりもむしろ光通信線路の保守に用いら
れる可能性が強い。1.6μm波長域の光は、通信波長
域の光と競合することなく、光通信線路を伝達すること
が可能であり、この種の光信号を利用して線路が正常に
機能しているか否か、すなわち保守を目的とした作業を
行なう。
2. Description of the Prior Art As an optical amplifier in the wavelength range of 1.6 μm, expectations are high for a practical, durable device that is compact, inexpensive, and easily connectable to other waveguide components. . Light in the 1.6 μm wavelength range has a propagation loss of 1.
Since it is slightly larger than 5 μm light, it is more likely to be used for maintenance of the optical communication line rather than being used for communication itself. Light in the wavelength range of 1.6 μm can be transmitted through the optical communication line without competing with light in the communication wavelength range, and whether or not the line is functioning normally by using this kind of optical signal. That is, work for maintenance is performed.

【0003】光通信には、伝搬損失の低い1.5μm波
長域の光が主として用いられる。高速・大容量の通信に
おいては、一定の距離を伝搬した強度の小さくなった信
号光を直接増幅して、時間遅延をなくすことが重要であ
る。1.5μmの波長領域においては、希土類元素であ
るエルビウムを微量添加した石英硝子ファイバを用いた
光増幅器(Erbium Doped Fiber A
mplifier:EDFA)を用いて信号光の直接増
幅を行なっている。
Light in the wavelength range of 1.5 μm, which has a low propagation loss, is mainly used for optical communication. In high-speed, large-capacity communication, it is important to directly amplify the signal light whose intensity has decreased and propagated over a certain distance to eliminate time delay. In the wavelength region of 1.5 μm, an optical amplifier (Erbium Doped Fiber A) using a silica glass fiber to which a small amount of erbium, which is a rare earth element, is added.
mplifier (EDFA) is used to directly amplify the signal light.

【0004】[0004]

【本発明が解決しようとする課題】主として線路保守に
用いられる可能性の高い1.6μm波長域の光ではある
が、正確な保守のためには、一定以上の信号光の強度が
要求され、そのためこの波長域の光を直接増幅する必要
性が高いことは、通信波長域の光と同様である。しかし
ながら、今のところ1.6μm波長域の光を直接増幅す
ることのできる光増幅は開発されていない。それは、以
下の理由による。
Although the light in the wavelength range of 1.6 μm, which has a high possibility of being mainly used for line maintenance, a certain level of signal light intensity is required for accurate maintenance. Therefore, it is similar to the light in the communication wavelength range that there is a high need to directly amplify the light in this wavelength range. However, so far, no optical amplification capable of directly amplifying light in the wavelength range of 1.6 μm has been developed. The reason is as follows.

【0005】まず、増幅媒体のホスト材料に石英硝子フ
ァイバを用いようとしても、石英の中において1.6μ
m波長域で発光する活性イオンは報告されていない。こ
のため、ホスト材料には光学結晶を用いることが考えら
れる。これまで、結晶の端面をミラーにして共振器を構
成することにより、増幅と同様に蛍光を利用して、1.
6μm波長域の固体レーザとして動作あるいはその可能
性を示したものに、活性イオンとしてホルミウム、エル
ビウム、ニッケルおよびクロムの4価のイオンを添加し
たイットリウムアルミガーネット(YAG)、ガドリニ
ウムガリウムガーネット(GGG)、リチウムナイオベ
ート、イットリウムアルミネート等がある。これらは、
結晶中に配列した活性イオンの電子が結晶場の作用によ
り高効率で発光することで、ファイバ型増幅器に比較し
て、十分短い長さで光の増幅が生ずる。しかし、ホルミ
ウムやエルビウムを活性イオンに選択した場合、YAG
結晶やイットリウムアルミネートをホストとすると蛍光
の中心波長は、1.6μm波長域に存在するが、非常に
狭い波長域にしか作用しない。ニッケルイオンの場合に
は、室温での発光が実現できない。クロム4価イオンを
選択しても、伝搬損失が大きくかつクロムイオンの価数
を4価にできるのは極く一部で、大多数のクロムイオン
は3価のままである。他の光学結晶材料をホスト材料を
選択して、中心波長を1.6μm波長域にすることは、
不可能ではないが、屈折率の制御が容易でなく単一モー
ド動作を可能とする導波構造を実現することが困難とな
る。また、YAG以外のガーネット結晶をホストに選ん
で、エルビウムの413/2415/2遷移により発光させ
ようとしても、アルミニウムガーネット以外では実現で
きず、かつ中心波長は1.645μmであるが、増幅で
きる帯域幅が狭いことは同様である。
First, even if a silica glass fiber is used as the host material of the amplification medium, 1.6 μ in quartz is used.
No active ion emitting in the m wavelength region has been reported. Therefore, it is possible to use an optical crystal as the host material. Up to now, by using the fluorescence as in the case of amplification by constructing a resonator by using the end face of the crystal as a mirror, 1.
Yttrium aluminum garnet (YAG), gadolinium gallium garnet (GGG), in which tetravalent ions of holmium, erbium, nickel and chromium are added as active ions to those that have been or have the potential to operate as solid-state lasers in the 6 μm wavelength range, Examples include lithium niobate and yttrium aluminate. They are,
The electrons of the active ions arranged in the crystal emit light with high efficiency due to the action of the crystal field, so that light is amplified with a sufficiently short length as compared with the fiber type amplifier. However, when holmium or erbium is selected as the active ion, YAG
When crystals or yttrium aluminate are used as the host, the central wavelength of fluorescence exists in the wavelength range of 1.6 μm, but it acts only in a very narrow wavelength range. In the case of nickel ions, light emission at room temperature cannot be realized. Even if a quaternary chromium ion is selected, only a small part has a large propagation loss and the valence of the chrome ion can be made tetravalent, and most of the chromium ions remain trivalent. Selecting the other optical crystal material as the host material and setting the central wavelength to the 1.6 μm wavelength range,
Although not impossible, it is difficult to control the refractive index and it is difficult to realize a waveguide structure that enables single mode operation. In addition, even if a garnet crystal other than YAG is selected as a host and an attempt is made to emit light by the 4 I 13/24 I 15/2 transition of erbium, it can not be realized by using other than aluminum garnet, and the center wavelength is 1.645 μm. However, it is the same that the bandwidth that can be amplified is narrow.

【0006】このように、従来の技術では、1.6μm
波長領域の増幅幅として、小型・安価でかつ容易に他の
導波路型部品への接続が可能であるような、単一モード
で動作する実用に耐える導波路素子の実現は困難であっ
た。
As described above, in the conventional technique, 1.6 μm
It has been difficult to realize a waveguide element that operates in a single mode and that can be easily connected to another waveguide type component as the amplification width in the wavelength region and that is small and inexpensive.

【0007】本発明の目的は、上記問題点を解決すべ
く、基板材料、クラッド材料およびコア材料を適宜選択
することにより、安価な0.81μmの半導体レーザで
の励起が可能な、1.6μm波長領域の増幅器として、
小型・安価でかつ容易に他の導波路型部品への接続が可
能であるような、実用に耐える導波路素子として機能す
る増幅作用を有するガーネット結晶導波路を提供するこ
とにある。
An object of the present invention is to solve the above problems by appropriately selecting a substrate material, a clad material and a core material, which makes it possible to pump with an inexpensive 0.81 μm semiconductor laser. As an amplifier in the wavelength range,
It is an object of the present invention to provide a garnet crystal waveguide having an amplifying function, which is small-sized, inexpensive, and easily connectable to other waveguide-type components, and which functions as a waveguide element that can be practically used.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明によるガーネット結晶導波路は、基板上
に形成され、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上
に形成され前記下部クラッド層より屈折率が大きくリッ
ジ状に加工されたコア層と、前記コア層と前記クラッド
層上に形成され前記コア層より屈折率の小さい上部クラ
ッド層からなるガーネット結晶導波路であって、 前記基
板はGd Ga 12 (GGG)単結晶基板であり、
前記下部クラッド層および前記上部クラッド層は、Eu
2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575
12 の組成を有し前記単結晶基板とほぼ同一の格子定数
を有するガーネット結晶であり、 前記コア層はY、L
a、Nd、Yb、Lu、Ho、Er、Tm、Mgを含有
する置換型GGG結晶膜であり、 前記コア層は、0.8
1μmの励起光を吸収して 5/2 準位へ励起され、
非発光で 3/2 準位へ遷移するNd 3+ イオンと、
前記Nd 3+ が吸収したエネルギーの伝達を受けて
5/2 準位へ励起され、発光に直接関与する活性イオン
にエネルギーを伝達するYb 3+ イオンおよびLu 4+
イオンと、前記活性イオンであって、エネルギー伝達を
受けて 準位に励起されたのち、非発光で
位に遷移し、1.6μm波長域の信号光によって光を誘
導放出するHo 3+ イオンおよびEr 4+ イオン、エネ
ルギー伝達を受けて 準位に励起されたのち、非発
光で 準位に遷移し、1.64μm波長域の信号光
によって光を誘導放出するTm 3+ イオンおよびYb
4+ イオン、そしてエネルギー伝達を受けて
11/2 準位に励起されたのち、非発光で 13/2
準位に遷移し、1.6μm波長域の信号光によって光を
誘導放出するEr 3+ イオンおよびTm 4+ イオンとを
備えることを特徴とする。また、本発明による他のガー
ネット結晶導波路は、基板上に形成され、下部クラッド
層と、前記下部クラッド層上に形成され前記下部クラッ
ド層より屈折率が大きくリッジ状に加工されたコア層
と、前記コア層と前記クラッド層上に形成され前記コア
層より屈折率の小さい上部クラッド層からなるガーネッ
ト結晶導波路 であって、 前記基板はGd Ga 12
(GGG)単結晶基板であり、 前記下部クラッド層およ
び前記上部クラッド層は、Eu 2.84 La 0.16
0.6 Ga 4.4 12 の組成を有し前記単結晶基板
とほぼ同一の格子定数を有するガーネット結晶であり、
前記コア層はY、La、Nd、Yb、Dy、Ho、E
r、Tm、Tiを含有する置換型GGG結晶膜であり、
前記コア層は、0.81μmの励起光を吸収して
5/2 準位へ励起され、非発光で 3/2 準位へ遷移
するNd 3+ イオンと、前記Nd 3+ が吸収したエネル
ギーの伝達を受けて 5/2 準位へ励起され、発光に
直接関与する活性イオンにエネルギーを伝達するYb
3+ イオンおよびLu 4+ イオンと、前記活性イオンで
あって、エネルギー伝達を受けて 準位に励起され
たのち、非発光で 準位に遷移し、1.6μm波長
域の信号光によって光を誘導放出するDy 2+ イオンお
よびHo 3+ イオン、エネルギー伝達を受けて
位に励起されたのち、非発光で 準位に遷移し、
1.64μm波長域の信号光によって光を誘導放出する
Tm 3+ イオンおよびEr 2+ イオン、そしてエネルギ
ー伝達を受けて 11/2 準位に励起されたのち、非
発光で 13/2 準位に遷移し、1.6μm波長域の
信号光によって光を誘導放出するEr 3+ イオンおよび
Ho 2+ イオンとを備えることを特徴とする。 さらに、
本発明によるガーネット結晶導波路は、基板上に形成さ
れ、下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成さ
れ前記下部クラッド層より屈折率が大きくリッジ状に加
工されたコア層と、前記コア層と前記クラッド層上に形
成され前記コア層より屈折率の小さい上部クラッド層か
らなるガーネット結晶導波路であって、 前記基板はGd
Ga 12 (GGG)単結晶基板であり、 前記下部
クラッド層および前記上部クラッド層は、Eu 2.94
La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 12 の組
成を有し前記単結晶基板とほぼ同一の格子定数を有する
ガーネット結晶であり、 前記コア層はY、La、Nd、
Yb、Lu、Ho、Er、Tm、Ca、Srを 含有する
置換型GGG結晶膜であり、 前記コア層は、0.81μ
mの励起光を吸収して 5/2 準位へ励起され、非発
光で 3/2 準位へ遷移するNd 3+ イオンと、前記
Nd 3+ が吸収したエネルギーの伝達を受けて
5/2 準位へ励起され、発光に直接関与する活性イオン
にエネルギーを伝達するYb 3+ イオンおよびLu 4+
イオンと、前記活性イオンであって、エネルギー伝達を
受けて 準位に励起されたのち、非発光で
位に遷移し、1.6μm波長域の信号光によって光を誘
導放出するHo 3+ イオンおよびEr 4+ イオン、エネ
ルギー伝達を受けて 準位に励起されたのち、非発
光で 準位に遷移し、1.64μm波長域の信号光
によって光を誘導放出するTm 3+ イオンおよびYb
4+ イオン、そしてエネルギー伝達を受けて
11/2 準位に励起されたのち、非発光で 13/2
準位に遷移し、1.6μm波長域の信号光によって光を
誘導放出するEr 3+ イオンおよびTm 4+ イオンとを
備えることを特徴とする。 また、本発明による第4のガ
ーネット結晶導波路は、基板上に形成され、下部クラッ
ド層と、前記下部クラッド層上に形成され前記下部クラ
ッド層より屈折率が大きくリッジ状に加工されたコア層
と、前記コア層と前記クラッド層上に形成され前記コア
層より屈折率の小さい上部クラッド層からなるガーネッ
ト結晶導波路であって、 前記基板はGd Ga 12
(GGG)単結晶基板であり、 前記下部クラッド層およ
び前記上部クラッド層は、Eu 2.84 La 0.16
0.6 Ga 4.4 12 の組成を有し前記単結晶基板
とほぼ同一の格子定数を有するガーネット結晶であり、
前記コア層はY、La、Nd、Yb、Ho、Er、T
m、Zr、Hf、Geを含有する置換型GGG結晶膜で
あり、前記コア層は、0.81μmの励起光を吸収して
5/2 準位へ励起され、非発光で 3/2 準位へ
遷移するNd 3+ イオンと、前記Nd 3+ が吸収したエ
ネルギーの伝達を受けて 5/2 準位へ励起され、発
光に直接関与する活性イオンにエネルギーを伝達するY
3+ イオンおよびLu 4+ イオンと、前記活性イオン
であって、エネルギー伝達を受けて 準位に励起さ
れたのち、非発 光で 準位に遷移し、1.6μm波
長域の信号光によって光を誘導放出するHo 3+ イオ
ン、エネルギー伝達を受けて 準位に励起されたの
ち、非発光で 準位に遷移し、1.64μm波長域
の信号光によって光を誘導放出するTm 3+ イオンおよ
びEr 2+ イオン、そしてエネルギー伝達を受けて
11/2 準位に励起されたのち、非発光で 13/2
準位に遷移し、1.6μm波長域の信号光によって光を
誘導放出するEr 3+ イオンおよびHo 2+ イオンとを
備えることを特徴とする。 さらに、本発明による第5の
ガーネット結晶導波路は、基板上に形成され、下部クラ
ッド層と、前記下部クラッド層上に形成され前記下部ク
ラッド層より屈折率が大きくリッジ状に加工されたコア
層と、前記コア層と前記クラッド層上に形成され前記コ
ア層より屈折率の小さい上部クラッド層からなるガーネ
ット結晶導波路であって、 前記基板はGd Ga
12 (GGG)単結晶基板であり、 前記下部クラッド層
および前記上部クラッド層は、Eu 2.94 La
0.06 Al 0.425 Ga 4.575 12 の組成を
有し前記単結晶基板とほぼ同一の格子定数を有するガー
ネット結晶であり、 前記コア層はY、La、Nd、Y
b、Lu、Ho、Er、Tm、Mg、Ca、Zrを含有
する置換型GGG結晶膜であり、 前記コア層は、0.8
1μmの励起光を吸収して 5/2 準位へ励起され、
非発光で 3/2 準位へ遷移するNd 3+ イオンと、
前記Nd 3+ が吸収したエネルギーの伝達を受けて
5/2 準位へ励起され、発光に直接関与する活性イオン
にエネルギーを伝達するYb 3+ イオンおよびLu 4+
イオンと、前記活性イオンであって、エネルギー伝達を
受けて 準位に励起されたのち、非発光で
位に遷移し、1.6μm波長域の信号光によって光を誘
導放出するHo 3+ イオンおよびEr 4+ イオン、エネ
ルギー伝達を受けて 準位に励起されたのち、非発
光で 準位に遷移し、1.64μm波長域の信号光
によって光を誘導放出するEr 2+ イオン、Tm 3+
オンおよびYb 4+ イオン、そしてエネルギー伝達を受
けて 11/2 準位に励起されたのち、非発光で
13/2 準位に遷移し、1.6μm波長域の信号光によ
って光を誘導放出する Ho 2+ イオン、Er 3+ イオン
およびTm 4+ イオンとを備えることを特徴とする。
In order to achieve such an object, the garnet crystal waveguide according to the present invention is provided on a substrate.
Formed on the lower clad layer and on the lower clad layer
Has a larger refractive index than the lower cladding layer
Core layer processed into a dice, the core layer and the clad
An upper layer having a smaller refractive index than the core layer formed on the layer.
A garnet crystal waveguide comprising a dead layer, comprising:
The plate is a Gd 3 Ga 5 O 12 (GGG) single crystal substrate,
The lower clad layer and the upper clad layer are made of Eu.
2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O
And has a composition of 12 and a lattice constant almost the same as that of the single crystal substrate.
A garnet crystal having Y, L
Contains a, Nd, Yb, Lu, Ho, Er, Tm, Mg
The substitution type GGG crystal film, wherein the core layer is 0.8
It absorbs the excitation light of 1 μm and is excited to the 4 F 5/2 level,
Nd 3+ ions that transition to the 4 F 3/2 level without light emission ,
The energy absorbed by the Nd 3+ is transferred to 2 F
Active ions that are excited to the 5/2 level and are directly involved in light emission
3+ ions and Lu 4+ that transfer energy to
Ions and the above-mentioned active ions for energy transfer
After receiving and being excited to the 5 I 6 level, it is non-emissive and is excited to the 5 I 7 level.
Position, and induces light with signal light in the 1.6 μm wavelength range.
Ho 3+ ions and Er 4+ ions that emit and emit energy
After being excited to the 3 H 5 level by receiving the Lugie transfer,
Transitions to 3 H 4 level in a light, the signal light of 1.64μm wavelength band
3+ ions and stimulated emission of light by Yb
4+ ions, and 4 I after receiving energy transfer
After being excited to the 11/2 level, it emits 4 I 13/2 without emitting light.
Transitions to the level and emits light by the signal light in the wavelength range of 1.6 μm.
Er 3+ ions and Tm 4+ ions that are stimulated to be emitted
It is characterized by being provided . Also, another gar according to the present invention
The net crystal waveguide is formed on the substrate and the lower cladding
Layer and the lower cladding formed on the lower cladding layer.
Core layer with a higher refractive index than the core layer and processed into a ridge shape
And the core formed on the core layer and the clad layer
Layer consisting of an upper clad layer with a smaller refractive index than the layer
A preparative crystal waveguide, the substrate is Gd 3 Ga 5 O 12
(GGG) single-crystal substrate, the lower clad layer and the
And the upper clad layer are made of Eu 2.84 La 0.16 A.
The single crystal substrate having a composition of 0.6 Ga 4.4 O 12.
Is a garnet crystal having substantially the same lattice constant as
The core layer is made of Y, La, Nd, Yb, Dy, Ho, E.
A substitution type GGG crystal film containing r, Tm and Ti,
The core layer absorbs 0.81 μm of excitation light and absorbs 4 F.
Excited to the 5/2 level, non-luminous transition to the 4 F 3/2 level
Nd 3+ ions and the energy absorbed by the Nd 3+
It is excited to the 2 F 5/2 level by the transmission of energy and emits light.
Yb that transfers energy to active ions that are directly involved
3+ ion and Lu 4+ ion and the active ion
Yes, it is excited by energy transfer to the 5 I 6 level.
After that, it transits to the 5 I 7 level without emitting light, and has a wavelength of 1.6 μm.
Dy 2+ ions and stimulated emission of light by signal light in the region
And Ho 3+ ions, undergoing energy transfer 3 H 5 level
After being excited to the 3 position, it transitions to the 3 H 4 level without light emission ,
Light is stimulated and emitted by signal light in the wavelength range of 1.64 μm
Tm 3+ and Er 2+ ions, and energy
-After being transmitted and excited to the 4 I 11/2 level,
The light transitions to the 4 I 13/2 level and emits light in the 1.6 μm wavelength range.
Er 3+ ions that stimulate and emit light by signal light, and
Ho 2+ ions are provided. further,
The garnet crystal waveguide according to the present invention is formed on a substrate.
Formed on the lower clad layer and the lower clad layer.
The refractive index is larger than that of the lower clad layer and is applied like a ridge.
A core layer that has been machined and that is formed on the core layer and the clad layer.
An upper clad layer made of a material having a smaller refractive index than the core layer
A garnet crystal waveguide comprising:
3 Ga 5 O 12 (GGG) is a single crystal substrate, the lower
The cladding layer and the upper cladding layer are made of Eu 2.94.
Set of La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O 12
And has substantially the same lattice constant as the single crystal substrate
Garnet crystal, wherein the core layer is Y, La, Nd,
Containing Yb, Lu, Ho, Er, Tm, Ca, Sr,
It is a substitution type GGG crystal film, and the core layer is 0.81 μm.
It absorbs the excitation light of m and is excited to the 4 F 5/2 level,
The Nd 3+ ion that transits to the 4 F 3/2 level by light,
2 F due to the transfer of energy absorbed by Nd 3+
Active ions that are excited to the 5/2 level and are directly involved in light emission
3+ ions and Lu 4+ that transfer energy to
Ions and the above-mentioned active ions for energy transfer
After receiving and being excited to the 5 I 6 level, it is non-emissive and is excited to the 5 I 7 level.
Position, and induces light with signal light in the 1.6 μm wavelength range.
Ho 3+ ions and Er 4+ ions that emit and emit energy
After being excited to the 3 H 5 level by receiving the Lugie transfer,
Transitions to 3 H 4 level in a light, the signal light of 1.64μm wavelength band
3+ ions and stimulated emission of light by Yb
4+ ions, and 4 I after receiving energy transfer
After being excited to the 11/2 level, it emits 4 I 13/2 without emitting light.
Transitions to the level and emits light by the signal light in the wavelength range of 1.6 μm.
Er 3+ ions and Tm 4+ ions that are stimulated to be emitted
It is characterized by being provided. In addition, the fourth gas according to the present invention
The net crystal waveguide is formed on the substrate and
And a lower layer formed on the lower cladding layer.
Core layer processed into a ridge shape with a higher refractive index than the head layer
And the core formed on the core layer and the clad layer
Layer consisting of an upper clad layer with a smaller refractive index than the layer
A preparative crystal waveguide, the substrate is Gd 3 Ga 5 O 12
(GGG) single-crystal substrate, the lower clad layer and the
And the upper clad layer are made of Eu 2.84 La 0.16 A.
The single crystal substrate having a composition of 0.6 Ga 4.4 O 12.
Is a garnet crystal having substantially the same lattice constant as
The core layer is made of Y, La, Nd, Yb, Ho, Er, T
A substitutional GGG crystal film containing m, Zr, Hf and Ge.
Yes, the core layer absorbs 0.81 μm excitation light
Excited to the 4 F 5/2 level and non-luminous to the 4 F 3/2 level
The transitioning Nd 3+ ion and the energy absorbed by the Nd 3+ are
Excited to the 2 F 5/2 level by receiving energy transfer, and emitted
Y that transfers energy to active ions that are directly involved in light
b 3+ ion and Lu 4+ ion, and the active ion
Is excited by the energy transfer to the 5 I 6 level.
After that, transition to 5 I 7 level in a non-light emission, 1.6 [mu] m wave
Ho 3+ Io that stimulates and emits light by signal light in the long range
Was excited to the 3 H 5 level by energy transfer .
Then, it transitions to the 3 H 4 level without light emission, and the wavelength range of 1.64 μm
Of Tm 3+ ions that stimulate and emit light by the signal light of
And Er 2+ ions, and 4 I after energy transfer
After being excited to the 11/2 level, it emits 4 I 13/2 without emitting light.
Transitions to the level and emits light by the signal light in the wavelength range of 1.6 μm.
Er 3+ ions and Ho 2+ ions that are stimulated to be emitted
It is characterized by being provided. Furthermore, the fifth aspect of the present invention
The garnet crystal waveguide is formed on the substrate and is
And a lower layer formed on the lower cladding layer.
A core that has a higher refractive index than the rud layer and is processed into a ridge shape
A layer, and the core layer and the clad layer formed on the core layer.
Gane consisting of an upper clad layer with a smaller refractive index than the
And a substrate of Gd 3 Ga 5 O.
12 (GGG) single crystal substrate, and the lower clad layer
And the upper clad layer is Eu 2.94 La
The composition of 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O 12
A gar having substantially the same lattice constant as the single crystal substrate
The core layer is Y, La, Nd, Y
Contains b, Lu, Ho, Er, Tm, Mg, Ca, Zr
The substitution type GGG crystal film, wherein the core layer is 0.8
It absorbs the excitation light of 1 μm and is excited to the 4 F 5/2 level,
Nd 3+ ions that transition to the 4 F 3/2 level without light emission ,
The energy absorbed by the Nd 3+ is transferred to 2 F
Active ions that are excited to the 5/2 level and are directly involved in light emission
3+ ions and Lu 4+ that transfer energy to
Ions and the above-mentioned active ions for energy transfer
After receiving and being excited to the 5 I 6 level, it is non-emissive and is excited to the 5 I 7 level.
Position, and induces light with signal light in the 1.6 μm wavelength range.
Ho 3+ ions and Er 4+ ions that emit and emit energy
After being excited to the 3 H 5 level by receiving the Lugie transfer,
Transitions to 3 H 4 level in a light, the signal light of 1.64μm wavelength band
To stimulated emission light by Er 2+ ions, Tm 3+ Lee
On and Yb 4+ ions, and receive energy transfer
Only in 4 I 11/2 after being excited level, 4 in the non-emission I
Transition to the 13/2 level and the signal light in the 1.6 μm wavelength range
Ho 2+ ion, Er 3+ ion that stimulates and emits light
And Tm 4+ ions.

【0009】本発明のガーネット結晶導波路は、図1に
その構成の概念図を示す構造を有している。
The garnet crystal waveguide of the present invention has a structure whose conceptual diagram is shown in FIG.

【0010】1は、光導波路を形成するためのガーネッ
ト単結晶基板であり、ガドリニウムガリウムガーネット
(GGG)単結晶基板を用いる。2は下部クラッド、3
は上部クラッドであり、基板材料とほぼ同一の格子定数
を有し、ガドリニウムの少なくとも一部を置換可能な他
の希土類元素あるいはイットリウムに置換し、ガリウム
の少なくとも一部をアルミニウムに置換したガーネット
結晶膜を用いる。4は、光を閉じ込めるためのコアであ
り、希土類元素にNd、Dy、Ho、Er、Tm、Y
b、Luの中から組み合わせた数種の元素を含み、ま
た、Mg、CaあるいはSrの中から選ばれた少なくと
も一種以上の元素を添加し、さらにTi、Zr、Hfあ
るいはGeの中から選ばれた一種以上の元素を添加した
ガーネット結晶を用いる。クラッドとコアにおけるアル
ミニウムとガリウムの構成比により、導波構造を実現
し、活性イオンとしては、Dy2+、Ho2+、Ho
3+、Er2+、Er3+、Er4+、Tm3+、Tm
4+およびYb4+イオンの中から適宜選択した数種類
を用いる。
Reference numeral 1 denotes a garnet single crystal substrate for forming an optical waveguide, which uses a gadolinium gallium garnet (GGG) single crystal substrate. 2 is the lower cladding, 3
Is an upper clad, has a lattice constant almost the same as that of the substrate material, and replaces at least a part of gadolinium with another rare earth element or yttrium, and replaces at least a part of gallium with aluminum. To use. Reference numeral 4 is a core for confining light and contains Nd, Dy, Ho, Er, Tm, and Y as rare earth elements.
b, containing several kinds of elements combined from Lu, adding at least one kind of element selected from Mg, Ca or Sr, and further selecting from Ti, Zr, Hf or Ge Garnet crystals to which one or more elements are added are used. A waveguide structure is realized by the composition ratio of aluminum and gallium in the clad and the core, and the active ions are Dy 2+ , Ho 2+ , Ho.
3+ , Er 2+ , Er 3+ , Er 4+ , Tm 3+ , Tm
Several kinds of appropriately selected from 4+ and Yb 4+ ions are used.

【0011】[0011]

【作用】本発明の増幅作用を有する光導波路の動作を説
明すると以下のようになる。AlGaAsで構成される
極く一般的な0.81μmの半導体レーザからの光をコ
ア層4に結合させる。コア層4には、ネオジム(N
3+)イオンが存在し、この光を吸収し、基底準位から
45/2へと遷移し、非発光遷移により43/2準位へと移
る。また、コア層4には、2価のツリウムイオン(Tm
2+)、3価のイッテルビウムイオン(Yb3+)および4
価のルテチウムイオン(Lu4+)が存在し、電気双極子
間の相互作用等の効果によりネオジムが吸収したエネル
ギーの伝達に預かり25/2へと遷移し、0.95μm前
後の波長の光で励起されたのと同様の励起状態になる。
エネルギーの伝達を受けたTm2+、Yb3+およびLu4+
は、同様に電気双極子間相互作用の効果により上記活性
イオンにエネルギーを伝達する。最終的にエネルギーの
伝達を受けた上記の活性イオンは、非発光遷移により
1.6μm波長域に中心波長を持つ発光遷移の各準位ま
で遷移した後蛍光を生ずる。この蛍光については、アル
ミニウムガーネット中の3価のホルミウム、エルビウム
およびツリウムのそれぞれの発光と他の活性イオンによ
るその間を補間する発光とが重ね合わされることにより
1.6μm波長域の信号光に対して帯域幅の広い増幅作
用が生ずる。Nd3+、Tm2+、Yb3+およびLu4+イオ
ンは活性イオンを発光させるための言わば活性剤として
機能する。
The operation of the optical waveguide having the amplifying function of the present invention will be described as follows. Light from a very general 0.81 μm semiconductor laser made of AlGaAs is coupled to the core layer 4. Neodymium (N
d 3+ ) ions are present and absorb this light,
The transition to 4 F 5/2 occurs , and the transition to the 4 F 3/2 level occurs due to non-radiative transition. Further, the core layer 4 has a divalent thulium ion (Tm
2+ ), trivalent ytterbium ion (Yb 3+ ) and 4
There is a valent lutetium ion (Lu 4+ ), and due to the effect of interaction between electric dipoles, the energy absorbed by neodymium is entrusted to transfer to 2 F 5/2 and transition to 2 F 5/2 . The excited state is the same as that excited by light.
Energy-transferred Tm 2+ , Yb 3+ and Lu 4+
Similarly transfers energy to the active ions by the effect of the interaction between the electric dipoles. Finally, the above-mentioned active ions, which have received energy transfer, generate fluorescence after transitioning to each level of emission transition having a central wavelength in the 1.6 μm wavelength region by non-emission transition. Regarding this fluorescence, the emission of trivalent holmium, erbium, and thulium in aluminum garnet and the emission interpolating between them due to other active ions are superposed, so that the signal light in the wavelength range of 1.6 μm is obtained. A wide bandwidth amplification effect occurs. Nd 3+ , Tm 2+ , Yb 3+ and Lu 4+ ions function as activators for causing active ions to emit light.

【0012】2価あるいは4価の価数を有する活性イオ
ンおよびTm2+イオンまたはLu4+イオンを生成するに
は、電価補償のを利用するのが効果的であり、そのた
め、本発明においてはMg、CaあるいはSrの中から
選ばれた少なくとも一種以上の元素を添加することによ
り4価の価数を有するイオンを生成し、さらにTi、Z
r、HfあるいはGeの中から選ばれた一種以上の元素
を添加することにより2価の価数を有するイオンを生成
する。
In order to generate active ions having a valence of 2 or 4 and Tm 2+ ions or Lu 4+ ions, it is effective to use the compensation of the valence, and therefore, in the present invention. Produces an ion having a tetravalent valence by adding at least one element selected from Mg, Ca or Sr, and further Ti, Z
An ion having a divalent valence is generated by adding one or more elements selected from r, Hf, and Ge.

【0013】本発明を概念的に説明するエネルギーダイ
アグラムを図2に示す。もちろん、活性イオンの種類お
よび価数によって同じ軌道であっても若干エネルギーレ
ベルが異なることは言うまでもない。すなわち、若干レ
ベルの位置が異なることにより、増幅する中心波長が変
化し、そのために広い波長領域において増幅作用が生ず
るのである。
An energy diagram conceptually illustrating the present invention is shown in FIG. Needless to say, the energy levels are slightly different depending on the type and valence of the active ions even if they have the same orbit. That is, the central wavelength to be amplified changes due to a slight difference in level position, which causes an amplification effect in a wide wavelength range.

【0014】本発明によるガーネット結晶導波路の持つ
利点には、上述の励起用光源が低価格であること以外に
もあり、これをさらに説明すると以下のようになる。
The advantage of the garnet crystal waveguide according to the present invention is that the above-mentioned light source for excitation is low in price, which will be further described below.

【0015】まず、誘導放出の原理に希土類イオンの蛍
光を利用しているため、波長安定性に優れることが挙げ
られる。材料にガーネット結晶を用いているため、熱的
・化学的に安定であり、長寿命である。非常に小型の素
子であり、励起用光源を別にすると、全長約20mm、
厚さ約0.5mm、幅はハンドリングが容易な範囲内で
1〜5mm程度に選べる。
First, since the fluorescence of rare earth ions is used for the principle of stimulated emission, it can be mentioned that the wavelength stability is excellent. Since garnet crystal is used as the material, it is thermally and chemically stable and has a long life. It is a very small element, and except for the excitation light source, the total length is about 20 mm,
The thickness can be selected to be about 0.5 mm and the width can be selected to be about 1 to 5 mm within a range that is easy to handle.

【0016】導波型部品であるため、当然のことなが
ら、他の導波路型デバイスとの結合は容易である。作製
に用いるGGG結晶基板は、入手が容易で、価格も比較
的やすく、生産・制御技術が進んでいる。液相エピタキ
シャル成長法による結晶成長技術も完成している。ま
た、加工性に優れており、導波加工が容易であるととも
に、大量生産が可能となり一層の低価格化が図れる。
Since it is a waveguide type component, it is naturally easy to couple it with another waveguide type device. The GGG crystal substrate used for fabrication is easily available, relatively inexpensive, and has advanced production / control technology. The crystal growth technology by liquid phase epitaxial growth method has been completed. Further, it is excellent in workability, is easy to perform waveguiding, and can be mass-produced to further reduce the price.

【0017】本発明は、以上のことにより、GGG基板
上に置換型GGGをクラッド材料とし、コア材料を適宜
選択することにより、安価な0.81μmの半導体レー
ザでの励起が可能な1.6μm波長領域の光を増幅する
作用を有する小型・安価でかつ容易に他の導波路型部品
への接続が可能であるような、実用に耐える素子として
機能するガーネット結晶導波路を提供することが可能で
ある。
As described above, according to the present invention, the substitution type GGG is used as the clad material on the GGG substrate, and the core material is appropriately selected so that it can be excited by the inexpensive 0.81 μm semiconductor laser. It is possible to provide a garnet crystal waveguide that functions as an element that can withstand practical use, which has a function of amplifying light in the wavelength region, is small, inexpensive, and can be easily connected to other waveguide components. Is.

【0018】[0018]

【実施例】以下に、本発明を具体的実施例に基づいて説
明するが、本発明は、これらの実施例で説明するここの
ガーネット結晶導波路に限定されることはなく、これら
実施例に説明する各種の置換を行なった具体例を適宜組
み合わせたものも本発明に含まれることはもちろんであ
る。それは、これら実施例を見れば、その組み合わせに
より同様の効果を引き出せることが容易に類推できるか
らであり、さらに、もっと進んで述べるならば、本発明
の主たる部分すなわち屈折率の制御および発光に関与す
るエネルギー伝達にあずかる各種イオンあるいは価数制
御に関わるイオン以外の部分を適宜置換した材料を提案
したとしても、それは本発明から容易に類推できるもの
であり、やはり本発明に含まれることは明らかである。
EXAMPLES The present invention will be described below based on specific examples, but the present invention is not limited to the garnet crystal waveguides described in these examples, and the present invention is not limited to these examples. It is needless to say that the present invention also includes combinations of specific examples in which various substitutions described below are appropriately made. This is because, by looking at these examples, it can be easily inferred that the same effect can be obtained by the combination thereof. Further, if it is described further, it is involved in the main part of the present invention, that is, the control of the refractive index and the light emission. Even if a material in which various ions involved in energy transfer or parts other than ions involved in valence control are appropriately substituted is proposed, it can be easily inferred from the present invention, and it is obviously included in the present invention. is there.

【0019】[0019]

【実施例1】基板結晶にGGGを用いて、下部クラッド
および上部クラッド材料として、屈折率を制御するため
にガリウムの一部をアルミニウムに置換し、格子定数を
基板とほぼ同じ値に制御するために希土類元素を適宜置
換したものの中から選んだEu2.94La0.06Al0.425
Ga4.57512の組成を有する置換型ガーネット結晶を
用い、基板そのものを用い、コア層に希土類元素として
ネオジム、イッテルビウム、ルテチウム、ホルミウム、
エルビウムおよびツリウムを含み、ガリウムの位置にマ
グネシウムを添加し、さらに格子定数を基板とほぼ同程
度となるよう適宜ガドリニウム、ランタンの量を制御し
たガーネット結晶膜を用いたガーネット結晶導波路を作
製し、特性の評価を行なった。
Example 1 To use GGG as a substrate crystal and replace a part of gallium with aluminum to control the refractive index as a lower clad and an upper clad material, and to control the lattice constant to be almost the same value as the substrate. Eu 2.94 La 0.06 Al 0.425 selected from among those appropriately substituted with rare earth elements
A substitutional garnet crystal having a composition of Ga 4.575 O 12 is used, the substrate itself is used, and neodymium, ytterbium, lutetium, holmium, and rare earth elements are used for the core layer.
Erbium and thulium are added, magnesium is added to the position of gallium, and further, the gadolinium and the amount of lanthanum are appropriately controlled so that the lattice constant is almost the same as that of the substrate, and a garnet crystal waveguide using a garnet crystal film is manufactured, The characteristics were evaluated.

【0020】直径が約2インチで厚さ約0.4mmのG
GG単結晶基板{(111)方位}を用意して、その基
板上に酸化鉛と酸化硼素を融材とする液相エピタキシャ
ル成長法により約950℃の温度で下部クラッド層とな
るEu2.94La0.06Al0.42 5Ga4.57512ガーネット
膜を約10μmの厚さに成長させた。この結晶膜の格子
定数は、12.382Åであり、ほぼ基板の12.38
3Åと同程度であった。なお、屈折率を制御すべくガリ
ウムの置換量はアルミニウムのサイトの約15%とし
た。また、1.5μm波長域における屈折率はおよそ
1.92であった。基板材料であるGGGの屈折率1.
93よりも若干小さな値であった。また、組成分析の結
果、意図しなかった元素である鉛、硼素およびプラチナ
が極く微量ではあるが検出された。これは、融剤の主成
分である鉛、硼素さらに坩堝材料であるプラチナが成長
過程で混入したものである。
G having a diameter of about 2 inches and a thickness of about 0.4 mm
A GG single crystal substrate {(111) orientation} is prepared, and Eu 2.94 La 0.06 Al which becomes a lower clad layer at a temperature of about 950 ° C. is formed on the substrate by a liquid phase epitaxial growth method using lead oxide and boron oxide as a melting material. the 0.42 5 Ga 4.575 O 12 garnet film was grown to a thickness of approximately 10 [mu] m. The lattice constant of this crystal film is 12.382 Å, which is approximately 12.38 of that of the substrate.
It was about the same as 3Å. In order to control the refractive index, the amount of gallium substituted was about 15% of the aluminum site. The refractive index in the wavelength range of 1.5 μm was about 1.92. Refractive index of GGG which is a substrate material
The value was slightly smaller than 93. In addition, as a result of compositional analysis, unintended elements such as lead, boron, and platinum were detected although they were in very small amounts. This is a mixture of lead and boron, which are the main components of the flux, and platinum, which is a crucible material, during the growth process.

【0021】次に、コア層となるべきネオジム、イッテ
ルビウム、ルテチウム、ホルミウム、エルビウム、ツリ
ウムおよびマグネシウムを含有する置換型GGG結晶膜
を下部クラッドと同様に酸化鉛と酸化硼素を融剤とする
液相エピタキシャル成長法により約950℃の温度で約
5μmの厚さに成長させた。なお、屈折率は、基板と同
程度となるようにするためガリウムをアルミニウムで置
換することは行なわなかった。また、希土類元素の置換
による屈折率変化は小さいので、コア層の屈折率は、マ
グネシウムの影響を若干受けるがほとんど影響はなく、
クラッドよりもおよそ0.01だけ大きい。添加元素の
うち直接の発光に関与するのは、ホルミウム(H
3+)、エルビウム(Er3+、Er4+)、ツリウム(T
3+、Tm4+)、イッテルビウム(Yb4+)でありその
含有量は、それぞれ等しい程度の含有量であり、合計し
て希土類元素全体のたかだか10%程度とした。活性剤
は、もちろんネオジム(Nd3+)、イッテルビウム(Y
3+)、ルテチウム(Lu4+)の各イオンである。これ
らイオンの価数は、マグネシウムの添加により一部4価
に制御できている。
Then, a substitutional GGG crystal film containing neodymium, ytterbium, lutetium, holmium, erbium, thulium and magnesium, which is to be the core layer, is formed in the liquid phase using lead oxide and boron oxide as the flux as in the lower cladding. It was grown at a temperature of about 950 ° C. to a thickness of about 5 μm by an epitaxial growth method. It should be noted that gallium was not replaced with aluminum so that the refractive index was about the same as that of the substrate. Further, since the change in the refractive index due to the substitution of the rare earth element is small, the refractive index of the core layer is slightly affected by magnesium, but hardly affected,
It is about 0.01 larger than the cladding. Of the additional elements, holmium (H
o 3+ ), erbium (Er 3+ , Er 4+ ), thulium (T
m 3+ , Tm 4+ ), and ytterbium (Yb 4+ ), and their contents are approximately equal to each other, and the total content is about 10% of the total rare earth elements. The activators are, of course, neodymium (Nd 3+ ), ytterbium (Y
b 3+ ) and lutetium (Lu 4+ ) ions. The valence of these ions can be partially controlled to be tetravalent by adding magnesium.

【0022】格子定数の制御は、希土類元素の主たる部
分をガドリニウムに選び、他の希土類元素およびマグネ
シウムにより生ずる格子歪みを補正するのにランタンお
よびイットリウムを利用した。これらの置換により、格
子定数が基板と若干相違することもあるが、結晶成長を
阻害しない範囲であれば、あえて格子整合にこだわる必
要はない。また、結晶成長が困難な程度に格子不整合が
ある場合には、赤外領域で吸収・発光に関与しないラン
タンあるいはスカンジウムの添加量を制御することによ
り格子不整合を緩和してコア層の成長を行なうことは十
分可能である。
To control the lattice constant, gadolinium was selected as the main portion of the rare earth element, and lanthanum and yttrium were used to correct the lattice distortion caused by other rare earth elements and magnesium. Although the substitution may cause the lattice constant to be slightly different from that of the substrate, it is not necessary to intentionally stick to the lattice matching as long as the crystal growth is not hindered. If there is a lattice mismatch to the extent that crystal growth is difficult, the lattice mismatch is relaxed by controlling the amount of lanthanum or scandium that does not contribute to absorption / emission in the infrared region to grow the core layer. It is quite possible to do.

【0023】次に、コア層まで成長した基板に対して、
膜上にコアリッジを加工するためのマスクをフォト工程
により形成し、イオンビームエッチングを行なって幅約
5μm・高さ約5μmの直線状のコアリッジを形成し
た。
Next, for the substrate on which the core layer has been grown,
A mask for processing a core ridge was formed on the film by a photo process, and ion beam etching was performed to form a linear core ridge having a width of about 5 μm and a height of about 5 μm.

【0024】コアリッジの形成まで行なった基板上に、
下部クラッド層と同様にして酸化鉛と酸化硼素を融材と
する液相エピタキシャル成長法により約950℃の温度
で約15μmの厚さに上部クラッド層となるEu2.94
0.06Al0.425Ga4.57512ガーネット膜を成長させ
ることによりコアの断面が5μm×5μmの導波路構造
を形成した。
On the substrate on which the core ridge has been formed,
Eu 2.94 L to be an upper clad layer having a thickness of about 15 μm at a temperature of about 950 ° C. by a liquid phase epitaxial growth method using lead oxide and boron oxide as a melting material similarly to the lower clad layer.
core cross-section to form a waveguide structure 5 [mu] m × 5 [mu] m by growing a 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O 12 garnet film.

【0025】最後に、この導波路を長さ約20mmに切
断して端面を研磨してガーネット結晶導波路の作製を終
わった。この導波路は、図1にその概念図を示す構造を
有している。
Finally, the waveguide was cut into a length of about 20 mm and the end face was polished to complete the production of the garnet crystal waveguide. This waveguide has a structure whose conceptual diagram is shown in FIG.

【0026】この導波路のまとめを表1に示す。なお、
励起には0.81μmの半導体LDを用いた。
Table 1 shows a summary of this waveguide. In addition,
A 0.81 μm semiconductor LD was used for excitation.

【0027】 表1 ガーネット結晶導波路のまとめその1 基板材料:GGG クラッド材料:Eu2.94La0.06Al0.425Ga4.575
12 コア材料:(Y,La,Nd,Yb,Lu,Ho,E
r,Tm,Mg):GGG 励起光光源:AlGaAs半導体レーザ(波長0.80
6μm) 1.6μm波長域での利得:25dB以上 利得係数:1dB/mW以上 利得20dB以上の波長幅:0.7μm
[0027] Table 1 garnet crystal waveguide Summary Part 1 substrate material: GGG cladding material: Eu 2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O
12 core materials: (Y, La, Nd, Yb, Lu, Ho, E
r, Tm, Mg): GGG Excitation light source: AlGaAs semiconductor laser (wavelength 0.80
6 μm) Gain in wavelength range of 1.6 μm: 25 dB or more Gain coefficient: 1 dB / mW or more Wavelength of gain 20 dB or more: 0.7 μm

【0028】利得係数とは、励起光1mW当たりの増幅
率のことである。この表からわかるように、この導波路
は、高性能であった。
The gain coefficient is an amplification factor per 1 mW of pumping light. As can be seen from this table, this waveguide had high performance.

【0029】[0029]

【実施例2】実施例1に対して、クラッド材料として、
若干アルミニウムの含有量を増加した、Eu2.84La
0.16Al0.6Ga4.412の組成のガーネット結晶膜を酸
化鉛と酸化硼素を融剤とする液相エピタキシャル成長法
により約980℃の温度で成長させ、コア材料としてマ
グネシウムの代わりにチタンを含み、希土類元素とし
て、ガドリニウム、ランタン、イットリウム以外にネオ
ジム、イッテルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、
エルビウム、ツリウムを含有するガーネット結晶膜を酸
化鉛と酸化硼素を融剤とする液相エピタキシャル成長法
により約980℃の温度で成長させた導波路を作製して
特性評価を行なった。当然に、それらの導波路の上部ク
ラッドは、下部クラッドと同一の条件で厚さ約15μm
に成長したものである。これらの導波路の特性を表2に
示す。なお、励起には、0.81μmの半導体LDを用
いた。
Example 2 As compared with Example 1, as a clad material,
Eu 2.84 La with slightly increased aluminum content
A garnet crystal film having a composition of 0.16 Al 0.6 Ga 4.4 O 12 was grown at a temperature of about 980 ° C. by a liquid phase epitaxial growth method using lead oxide and boron oxide as a fluxing agent, and titanium was used as a core material instead of magnesium, and a rare earth element was used. As elements, besides gadolinium, lanthanum and yttrium, neodymium, ytterbium, dysprosium, holmium,
A waveguide was prepared by growing a garnet crystal film containing erbium and thulium at a temperature of about 980 ° C. by a liquid phase epitaxial growth method using lead oxide and boron oxide as a flux, and evaluated its characteristics. Naturally, the upper clad of these waveguides has a thickness of about 15 μm under the same conditions as the lower clad.
It has grown to. Table 2 shows the characteristics of these waveguides. A 0.81 μm semiconductor LD was used for excitation.

【0030】 表2 ガーネット結晶導波路のまとめその2 基板材料:GGG クラッド材料:Eu2.84La0.16Al0.6Ga4.412 コア材料:(Y,La,Nd,Yb,Dy,Ho,E
r,Tm,Ti):GGG 励起光光源:AlGaAs半導体レーザ(波長0.80
6μm) 1.6μm波長域での利得:25dB以上 利得係数:1dB/mW以上 利得20dB以上の波長幅:0.7μm
Table 2 Summary of Garnet Crystal Waveguide Part 2 Substrate Material: GGG Cladding Material: Eu 2.84 La 0.16 Al 0.6 Ga 4.4 O 12 Core Material: (Y, La, Nd, Yb, Dy, Ho, E
r, Tm, Ti): GGG Excitation light source: AlGaAs semiconductor laser (wavelength 0.80
6 μm) Gain in wavelength range of 1.6 μm: 25 dB or more Gain coefficient: 1 dB / mW or more Wavelength of gain 20 dB or more: 0.7 μm

【0031】表2からわかるように、これらの導波路の
性能は十分であった。
As can be seen from Table 2, the performance of these waveguides was satisfactory.

【0032】なお、クラッドの屈折率は、1.5μm波
長域において、約1.925であった。これらのクラッ
ドあるいはコアに用いた結晶膜の格子定数は、12.3
84Åであり、ほぼ基板の12.383Åと同程度であ
った。添加元素のうち直接の発光に関与するのは、ジス
プロシウム(Dy2+)、ホルミウム(Ho2+、H
3+)、エルビウム(Er2+、Er3+)、ツリウム(T
3+)でありその含有量は、それぞれ等しい程度の含有
量であり、合計して希土類元素全体のたかだか10%程
度とした。活性剤は、もちろんネオジム(Nd3+)、イ
ッテルビウム(Yb3+)、およびツリウム(Tm2+)の
各イオンである。これらイオンの価数は、チタンイオン
(Ti4+)の添加により一部2価に制御できている。
The refractive index of the clad was about 1.925 in the wavelength range of 1.5 μm. The lattice constant of the crystal film used for these clads or cores is 12.3.
It was 84 Å, which was almost the same as 12.383 Å of the substrate. Among the additional elements, dysprosium (Dy 2+ ), holmium (Ho 2+ , H) are directly involved in light emission.
o 3+ ), erbium (Er 2+ , Er 3+ ), thulium (T
m 3+ ), and their contents are equal to each other, and the total amount is about 10% of the whole rare earth elements. The activators are of course the neodymium (Nd 3+ ), ytterbium (Yb 3+ ) and thulium (Tm 2+ ) ions. The valence of these ions can be partially controlled to be divalent by adding titanium ions (Ti 4+ ).

【0033】[0033]

【実施例3】実施例1に対して、クラッド材料は同一と
して、コア層にネオジム、イッテルビウム、ルテチウ
ム、ホルミウム、エルビウム、ツリウムに加えてカルシ
ウムおよびストロンチウムを添加した結晶膜を用いてガ
ーネット結晶導波路を作製した。コア層の屈折率は基板
と同様クラッドよりも若干大きく、格子定数はガドリニ
ウム、イットリウムおよびランタンの量の制御により基
板と同等にしたことは言うまでもない。カルシウムおよ
びストロンチウムは2価のイオンであり、電価補償を行
なうためにイッテルビウム、ルテチウム、エルビウムお
よびツリウムの4価イオンが増大していることが蛍光寿
命の測定から確認できた。これらの導波路の特性を表3
に示す。なお、カルシウムイオンおよびストロンチウム
はイオン半径が大きく、主に酸素の12面体で囲まれる
希土類元素のサイトを置換する。その置換量としては、
合計して、イッテルビウム、ルテチウム、エルビウムお
よびツリウムの含有量の合計と同程度となるようにし
た。活性剤および活性イオンが実施例1と同様であるこ
とは言うまでもないことであろう。なお、励起には、
0.81μmの半導体LDを用いた。
Example 3 A garnet crystal waveguide is prepared by using a crystal film in which calcium and strontium are added to the core layer in addition to neodymium, ytterbium, lutetium, holmium, erbium and thulium, except that the clad material is the same. Was produced. It is needless to say that the refractive index of the core layer is slightly larger than that of the clad as in the substrate, and the lattice constant is made equal to that of the substrate by controlling the amounts of gadolinium, yttrium and lanthanum. Calcium and strontium are divalent ions, and it was confirmed from the measurement of the fluorescence lifetime that the tetravalent ions of ytterbium, lutetium, erbium and thulium were increased to compensate the electric value. Table 3 shows the characteristics of these waveguides.
Shown in. It should be noted that calcium ions and strontium have large ionic radii and mainly substitute the sites of rare earth elements surrounded by oxygen dodecahedrons. As the replacement amount,
In total, the content of ytterbium, lutetium, erbium, and thulium was set to be approximately the same. It goes without saying that the activator and the active ion are the same as in Example 1. In addition, for excitation,
A semiconductor LD of 0.81 μm was used.

【0034】 表3 ガーネット結晶導波路のまとめその3 基板材料:GGG クラッド材料:Eu2.94La0.06Al0.425Ga4.575
12 コア材料:(Y,La,Nd,Yb,Lu,Ho,E
r,Tm,Ca,Sr):GGG 励起光光源:AlGaAs半導体レーザ(波長0.80
6μm) 1.6μm波長域での利得:25dB以上 利得係数:1dB/mW以上 利得20dB以上の波長幅:0.7μm
[0034] Table 3 garnet crystal waveguide Summary Part 3 substrate material: GGG cladding material: Eu 2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O
12 core materials: (Y, La, Nd, Yb, Lu, Ho, E
r, Tm, Ca, Sr): GGG Excitation light source: AlGaAs semiconductor laser (wavelength 0.80
6 μm) Gain in wavelength range of 1.6 μm: 25 dB or more Gain coefficient: 1 dB / mW or more Wavelength of gain 20 dB or more: 0.7 μm

【0035】表3からわかるように、これらの導波路
は、高性能であった。
As can be seen from Table 3, these waveguides were of high performance.

【0036】また、活性剤であるネオジム、ルテチウム
を含有しないコア層を有する導波路を同様の手法で形成
した。ただし、屈折率および格子定数は基板と同程度に
制御することは忘れてはいない。この導波路を1μm近
辺の波長のレーザで励起すべくチタンサファイアレーザ
を用いて活性イオンを直接励起して特性を評価してみた
が、表3に示す特性とほとんど同程度の高性能を示し
た。チタンサファイアレーザの代わりにInGaAs歪
み超格子半導体レーザを用いても同様の性能であった。
A waveguide having a core layer containing neither neodymium nor lutetium as an activator was formed by the same method. However, we must not forget to control the refractive index and the lattice constant to the same level as the substrate. The characteristics were evaluated by directly exciting the active ions with a titanium sapphire laser in order to excite this waveguide with a laser having a wavelength in the vicinity of 1 μm, and it showed almost the same high performance as the characteristics shown in Table 3. . Similar performance was obtained when an InGaAs strained superlattice semiconductor laser was used instead of the titanium sapphire laser.

【0037】[0037]

【実施例4】実施例2と同様にして、クラッド材料とし
て、若干アルミニウムの含有量を増加した、Eu2.84
0.16Al0.6Ga4.412の組成のガーネット結晶膜を
酸化鉛と酸化硼素を融剤とする液相エピタキシャル成長
法により約980℃の温度で成長させ、コア材料として
チタンの代わりにジルコニウム、ハフニウムおよびゲル
マニウムを含み、希土類元素として、ガドリニウム、イ
ットリウム、ランタン以外にネオジム、イッテルビウ
ム、ホルミウム、エルビウム、ツリウムを含有するガー
ネット結晶膜を酸化鉛と酸化硼素を融剤とする液相エピ
タキシャル成長法により約980℃の温度で成長させた
導波路を作製して特性評価を行なった。当然に、それら
の導波路の上部クラッドは、下部クラッドと同一の条件
で厚さ約15μmに成長したものである。これらの導波
路の特性を表4に示す。なお、励起には、0.81μm
の半導体LDを用いた。
[Embodiment 4] As in Embodiment 2, as a cladding material, Eu 2.84 L with a slightly increased content of aluminum was used.
A garnet crystal film having a composition of a 0.16 Al 0.6 Ga 4.4 O 12 was grown at a temperature of about 980 ° C. by a liquid phase epitaxial growth method using lead oxide and boron oxide as a fluxing agent, and zirconium, hafnium and A garnet crystal film containing germanium, which contains neodymium, ytterbium, holmium, erbium, and thulium as a rare earth element in addition to gadolinium, yttrium, and lanthanum by a liquid phase epitaxial growth method using lead oxide and boron oxide as a flux at about 980 ° C. A waveguide grown at a temperature was prepared and its characteristics were evaluated. Naturally, the upper clad of these waveguides was grown to a thickness of about 15 μm under the same conditions as the lower clad. Table 4 shows the characteristics of these waveguides. For excitation, 0.81 μm
The semiconductor LD of was used.

【0038】 表4 ガーネット結晶導波路のまとめその4 基板材料:GGG クラッド材料:Eu2.84La0.16Al0.6Ga4.412 コア材料:(Y,La,Nd,Yb,Ho,Er,T
m,Zr,Hf,Ge):GGG 励起光光源:AlGaAs半導体レーザ(波長0.80
6μm) 1.6μm波長域での利得:25dB以上 利得係数:1dB/mW以上 利得20dB以上の波長幅:0.7μm
Table 4 Summary of Garnet Crystal Waveguide Part 4 Substrate Material: GGG Cladding Material: Eu 2.84 La 0.16 Al 0.6 Ga 4.4 O 12 Core Material: (Y, La, Nd, Yb, Ho, Er, T
m, Zr, Hf, Ge): GGG Excitation light source: AlGaAs semiconductor laser (wavelength 0.80
6 μm) Gain in wavelength range of 1.6 μm: 25 dB or more Gain coefficient: 1 dB / mW or more Wavelength of gain 20 dB or more: 0.7 μm

【0039】表4からわかるように、これらの導波路の
性能は十分であった。
As can be seen from Table 4, the performance of these waveguides was satisfactory.

【0040】なお、コアに用いた結晶膜の格子定数は、
12.384Åであり、ほぼ基板の12.383Åと同
程度であった。添加元素のうち直接の発光に関与するの
は、ホルミウム(Ho2+、Ho3+)、エルビウム
(Er2+、Er3+)、ツリウム(Tm3+)であり
その含有量は、それぞれ等しい程度の含有量であり、合
計して希土類元素全体のたかだか10%程度とした。活
性剤は、もちろんネオジム(Nd3+)、イッテルビウ
ム(Yb3+)の各イオンである。これらイオンの価数
は、ジルコニウムイオン(Zr4+)、ハフニウムイオ
ン(Hf4+)、ゲルマニウムイオン(Ge4+)の添
加により一部2価に制御できている。
The lattice constant of the crystal film used for the core is
12.384Å, which was almost the same as 12.383Å of the substrate. Of the additional elements that are involved in direct light emission
Is holmium (Ho 2+ , Ho 3+ ), erbium (Er 2+ , Er 3+ ), thulium (Tm 3+ ), and their contents are equal to each other, and the total amount of the rare earth elements is at most 10. %. The activators are, of course, neodymium (Nd 3+ ) and ytterbium (Yb 3+ ) ions. The valence of these ions can be partially controlled to be divalent by adding zirconium ions (Zr 4+ ), hafnium ions (Hf 4+ ), and germanium ions (Ge 4+ ).

【0041】[0041]

【実施例5】実施例1に対して、クラッド材料は同一と
して、コア層にネオジム、イッテルビウム、ルテチウ
ム、ホルミウム、エルビウム、ツリウムに加えてマグネ
シウム、カルシウムおよびジルコニウムを添加した結晶
膜を用いてガーネット結晶導波路を作製した。コア層の
屈折率は基板と同様クラッドよりも若干大きく、格子定
数はガドリニウム、イットリウムおよびランタンの量の
制御により基板と同等にしたことは言うまでもない。マ
グネシウムおよびカルシウムは2価のイオンであり、電
価補償を行なうためにイッテルビウム、ルテチウム、エ
ルビウムおよびツリウムの4価イオンが増大しているこ
とが蛍光寿命の測定から確認できた。また、ジルコニウ
ムは4価のイオンであり、一部の活性イオンが2価にな
っていることも確認できた。これらの導波路の特性を表
5に示す。なお、マグネシウムイオン、カルシウムイオ
ンおよびジルコニウムの置換量としては、合計して、イ
ッテルビウム、ルテチウム、ホルミウム、エルビウムお
よびツリウムの含有量の合計と同程度となるようにし
た。活性剤および活性イオンが実施例1および2で説明
した各イオンと同様であることは言うまでもないことで
あろう。なお、励起には、0.81μmの半導体LDを
用いた。
[Embodiment 5] A garnet crystal is formed by using the same clad material as in Embodiment 1 except that neodymium, ytterbium, lutetium, holmium, erbium, thulium and magnesium, calcium and zirconium are added to the core layer. A waveguide was produced. It is needless to say that the refractive index of the core layer is slightly larger than that of the clad as in the substrate, and the lattice constant is made equal to that of the substrate by controlling the amounts of gadolinium, yttrium and lanthanum. Magnesium and calcium are divalent ions, and it was confirmed from the measurement of fluorescence lifetime that the tetravalent ions of ytterbium, lutetium, erbium and thulium were increased to compensate the electric value. It was also confirmed that zirconium was a tetravalent ion and some active ions were divalent. Table 5 shows the characteristics of these waveguides. The total substitution amount of magnesium ions, calcium ions and zirconium was set to be approximately the same as the total content of ytterbium, lutetium, holmium, erbium and thulium. It goes without saying that the activator and the active ion are the same as the respective ions described in Examples 1 and 2. A 0.81 μm semiconductor LD was used for excitation.

【0042】 表5 ガーネット結晶導波路のまとめその5 基板材料:GGG クラッド材料:Eu2.94La0.06Al0.425Ga4.575
12 コア材料:(Y,La,Nd,Yb,Lu,Ho,E
r,Tm,Mg,Ca,Zr):GGG 励起光光源:AlGaAs半導体レーザ(波長0.80
6μm) 1.6μm波長域での利得:25dB以上 利得係数:1dB/mW以上 利得20dB以上の波長幅:0.7μm
[0042] Table 5 garnet crystal waveguide Summary Part 5 substrate material: GGG cladding material: Eu 2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O
12 core materials: (Y, La, Nd, Yb, Lu, Ho, E
r, Tm, Mg, Ca, Zr): GGG Excitation light source: AlGaAs semiconductor laser (wavelength 0.80
6 μm) Gain in wavelength range of 1.6 μm: 25 dB or more Gain coefficient: 1 dB / mW or more Wavelength of gain 20 dB or more: 0.7 μm

【0043】表5からわかるように、これらの導波路
は、高性能であった。
As can be seen from Table 5, these waveguides had high performance.

【0044】また、活性剤であるネオジム、ルテチウム
を含有しないコア層を有する導波路を同様の手法で形成
した。ただし、屈折率および格子定数は基板と同程度に
制御することは忘れてはいない。この導波路を1μm近
辺の波長のレーザで励起すべくチタンサファイアレーザ
を用いて活性イオンを直接励起して特性を評価してみた
が、表5に示す特性とほとんど同程度の高性能を示し
た。チタンサファイアレーザの代わりにInGaAs歪
み超格子半導体レーザを用いても同様の性能であった。
A waveguide having a core layer containing no activator neodymium or lutetium was formed by the same method. However, we must not forget to control the refractive index and the lattice constant to the same level as the substrate. The characteristics were evaluated by directly exciting the active ions with a titanium sapphire laser in order to excite this waveguide with a laser having a wavelength in the vicinity of 1 μm, and the performance was almost the same as the characteristics shown in Table 5. . Similar performance was obtained when an InGaAs strained superlattice semiconductor laser was used instead of the titanium sapphire laser.

【0045】[0045]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
導波路を形成するための基板にGd3Ga512(GG
G)単結晶基板を用い、下部クラッドおよび上部クラッ
ドに基板材料とほぼ同一の格子定数を有し、ガドリニウ
ムの少なくとも置換可能な他の希土類元素あるいはイッ
トリウムに置換し、ガリウムの少なくとも一部をアルミ
ニウムに置換したガーネット結晶膜を用い、光を閉じ込
めるコア層に、希土類元素にNd、Dy、Ho、Er、
Tm、Yb、Luの中から組み合わせた数種の元素を含
み、またMg、Ca、Sr、Ti、Zr、Hfあるいは
Geの中から選ばれた一種以上の元素を添加したガーネ
ット結晶または置換ガーネット結晶を用いることによ
り、1.6μm波長領域において、励起に0.81μm
の半導体LDの使用が可能な高性能の増幅作用を有する
導波路を構成でき、産業上の利点が大きいものである。
As described above, according to the present invention,
The substrate for forming the waveguide has Gd 3 Ga 5 O 12 (GG
G) Using a single crystal substrate, the lower clad and the upper clad have substantially the same lattice constant as the substrate material, and gadolinium is replaced with at least another substitutable rare earth element or yttrium, and at least a part of gallium is converted into aluminum. Using the substituted garnet crystal film, the core layer for confining light, Nd, Dy, Ho, Er for rare earth elements,
Garnet crystal or substituted garnet crystal containing several kinds of elements combined from Tm, Yb and Lu, and added with one or more elements selected from Mg, Ca, Sr, Ti, Zr, Hf or Ge By using, 0.81 μm for excitation in the 1.6 μm wavelength region
It is possible to construct a waveguide having a high-performance amplifying action, which can use the semiconductor LD, and it is industrially advantageous.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による光導波路の構成の概念図。FIG. 1 is a conceptual diagram of a configuration of an optical waveguide according to the present invention.

【図2】本発明の効果を概念的に示すエネルギーダイア
グラム。
FIG. 2 is an energy diagram conceptually showing the effect of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 導波路を形成するためのガーネット結晶基板 2 下部クラッド 3 コア層 4 上部クラッド 5 3価のネオジムイオンの43/2準位 6 2価のツリウムイオン、3価のイッテルビウム
イオンあるいは4価のルテチウムイオンの25/2準位 7 2価のホルミウムイオン、3価のエルビウムイ
オンあるいは4価のツリウムイオンの411/2準位 8 2価のホルミウムイオン、3価のエルビウムイ
オンあるいは4価のツリウムイオンの413/2準位 9 基底準位 10 2価のジスプロシウムイオン、3価のホルミウ
ムイオンあるいは4価のエルビウムイオンの56準位 11 2価のジスプロシウムイオン、3価のホルミウ
ムイオンあるいは4価のエルビウムイオンの57準位 12 2価のエルビウムイオン、3価のツリウムイオ
ンあるいは4価のイッテルビウムイオンの35準位 13 2価のエルビウムイオン、3価のツリウムイオ
ンあるいは4価のイッテルビウムイオンの34準位
1 Garnet crystal substrate for forming a waveguide 2 Lower clad 3 Core layer 4 Upper clad 5 4 F 3/2 level of trivalent neodymium ion 6 Divalent thulium ion, trivalent ytterbium ion or tetravalent ion Lutetium ion 2 F 5/2 level 7 Divalent holmium ion, trivalent erbium ion or tetravalent thulium ion 4 I 11/2 level 8 Divalent holmium ion, trivalent erbium ion or 4 4 I 13/2 level of valent thulium ion 9 Ground level 10 Divalent dysprosium ion of trivalent holmium ion or 5 I 6 level of tetravalent erbium ion 11 Divalent dysprosium ion of 3 valence 5 I 7 level of holmium ion or tetravalent erbium ion 12 Divalent erbium ion, trivalent thulium ion or tetravalent ytterbium ion 3 H 5 level 13 divalent erbium ions on, trivalent 3 H 4 level of the thulium ions or tetravalent ytterbium ions

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田村 保暁 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−3547(JP,A) 特開 平3−149505(JP,A) 特開 平5−281430(JP,A) 特開 平5−301770(JP,A) 特開 平5−226761(JP,A) 特開 平1−257802(JP,A) 特開 平5−134124(JP,A) 特開 平4−147115(JP,A) 特開 平6−224509(JP,A) 特開 昭64−81379(JP,A) 特表 平6−507986(JP,A) 国際公開92/021996(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 6/12 H01S 3/00 - 3/30 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Hoaki Akira 1-1-6 Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo Nippon Telegraph and Telephone Corporation (56) Reference JP-A-6-3547 (JP, A) JP 3-149505 (JP, A) JP 5-281430 (JP, A) JP 5-301770 (JP, A) JP 5-226761 (JP, A) JP 1-257802 (JP , A) JP 5-134124 (JP, A) JP 4-147115 (JP, A) JP 6-224509 (JP, A) JP 64-81379 (JP, A) 6-507986 (JP, A) International Publication 92/021996 (WO, A1) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G02B 6/12 H01S 3/00-3/30

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】基板上に形成され、下部クラッド層と、前
記下部クラッド層上に形成され前記下部クラッド層より
屈折率が大きくリッジ状に加工されたコア層と、前記コ
ア層と前記クラッド層上に形成され前記コア層より屈折
率の小さい上部クラッド層からなるガーネット結晶導波
路であって、 前記基板はGd Ga 12 (GGG)単結晶基板で
あり、 前記下部クラッド層および前記上部クラッド層は、Eu
2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575
12 の組成を有し前記単結晶基板とほぼ同一の格子定数
を有するガーネット結晶であり、 前記コア層はY、La、Nd、Yb、Lu、Ho、E
r、Tm、Mgを含有する置換型GGG結晶膜であり、 前記コア層は、0.81μmの励起光を吸収して
5/2 準位へ励起され、非発光で 3/2 準位へ遷移
するNd 3+ イオンと、前記Nd 3+ が吸収したエネル
ギーの伝達を受けて 5/2 準位へ励起され、発光に
直接関与する活性イオンにエネルギーを伝達するYb
3+ イオンおよびLu 4+ イオンと、前記活性イオンで
あって、エネルギー伝達を受けて 準位に励起され
たのち、非発光で 準位に遷移し、1.6μm波長
域の信号光によって光を誘導放出するHo 3+ イオンお
よびEr 4+ イオン、エネルギー伝達を受けて
位に励起されたのち、非発光で 準位に遷移し、
1.64μm波長域の信号光によって光を誘導放出する
Tm 3+ イオンおよびYb 4+ イオン、そしてエネルギ
ー伝達を受けて 11/2 準位に励起されたのち、非
発光で 13/2 準位に遷移し、1.6μm波長域の
信号光によって光を誘導放出するEr 3+ イオンおよび
Tm 4+ イオンとを備えることを特徴と するガーネット
結晶導波路。
1. A lower cladding layer formed on a substrate,
The lower clad layer formed on the lower clad layer
The core layer having a large refractive index and processed into a ridge shape, and the core layer
Is formed on the cladding layer and the cladding layer, and refracted from the core layer.
Garnet crystal waveguide consisting of a low-index upper cladding layer
And the substrate is a Gd 3 Ga 5 O 12 (GGG) single crystal substrate.
And the lower clad layer and the upper clad layer are made of Eu.
2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O
And has a composition of 12 and a lattice constant almost the same as that of the single crystal substrate.
A garnet crystal having Y, La, Nd, Yb, Lu, Ho, E
A substitutional GGG crystal film containing r, Tm, and Mg, wherein the core layer absorbs 0.81 μm of excitation light and 4 F
Excited to the 5/2 level, non-luminous transition to the 4 F 3/2 level
Nd 3+ ions and the energy absorbed by the Nd 3+
It is excited to the 2 F 5/2 level by the transmission of energy and emits light.
Yb that transfers energy to active ions that are directly involved
3+ ion and Lu 4+ ion and the active ion
Yes, it is excited by energy transfer to the 5 I 6 level.
After that, it transits to the 5 I 7 level without emitting light, and has a wavelength of 1.6 μm.
Ho 3+ ions and ions that stimulate and emit light by the signal light in the region
And Er 4+ ion, undergoing energy transfer 3 H 5 level
After being excited to the 3 position, it transitions to the 3 H 4 level without light emission ,
1. Light is stimulated and emitted by signal light in the wavelength range of 1.64 μm
Tm 3+ ions and Yb 4+ ions, and energy
-After being transmitted and excited to the 4 I 11/2 level,
The light transitions to the 4 I 13/2 level and emits light in the 1.6 μm wavelength range.
Er 3+ ions that stimulate and emit light by signal light, and
A garnet crystal waveguide comprising Tm 4+ ions .
【請求項2】基板上に形成され、下部クラッド層と、前
記下部クラッド層上に形成され前記下部クラッド層より
屈折率が大きくリッジ状に加工されたコア層と、前記コ
ア層と前記クラッド層上に形成され前記コア層より屈折
率の小さい上部クラッド層からなるガーネット結晶導波
路であって、 前記基板はGd Ga 12 (GGG)単結晶基板で
あり、 前記下部クラッド層および前記上部クラッド層は、Eu
2.84 La 0.16 Al 0.6 Ga 4.4 12 の組
成を有し前記単結晶基板とほぼ同一の格子定数を有する
ガーネット結晶であり、 前記コア層はY、La、Nd、Yb、Dy、Ho、E
r、Tm、Tiを含有する置換型GGG結晶膜であり、 前記コア層は、0.81μmの励起光を吸収して
5/2 準位へ励起され、非発光で 3/2 準位へ遷移
するNd 3+ イオンと、前記Nd 3+ が吸収したエネル
ギーの伝達を受けて 5/2 準位へ励起され、発光に
直接関与する活性イオンにエネルギーを伝達するYb
3+ イオンおよびLu 4+ イオンと、前記活性イオンで
あって、エネルギー伝達を受けて 準位に励起され
たのち、非発光で 準位に遷移し、1.6μm波長
域の信号光によって光を誘導放出するDy 2+ イオンお
よびHo 3+ イオン、エネルギー伝達を受けて
位に励起されたのち、非発光で 準位に遷移し、
1.64μm波長域の信号光によって光を誘導放出する
Tm 3+ イオンおよびEr 2+ イオン、そしてエネルギ
ー伝達を受けて 11/2 準位に励起されたのち、非
発光で 13/2 準位に遷移し、1.6μm波長域の
信号光によって光を誘導放出するEr 3+ イオンおよび
Ho 2+ イオンとを備えることを特徴と するガーネット
結晶導波路。
2. A lower cladding layer formed on a substrate,
The lower clad layer formed on the lower clad layer
The core layer having a large refractive index and processed into a ridge shape, and the core layer
Is formed on the cladding layer and the cladding layer, and refracted from the core layer.
Garnet crystal waveguide consisting of a low-index upper cladding layer
And the substrate is a Gd 3 Ga 5 O 12 (GGG) single crystal substrate.
And the lower clad layer and the upper clad layer are made of Eu.
2.84 La 0.16 Al 0.6 Ga 4.4 O 12 pair
And has substantially the same lattice constant as the single crystal substrate
Garnet crystal, wherein the core layer is Y, La, Nd, Yb, Dy, Ho, E
It is a substitutional GGG crystal film containing r, Tm, and Ti, wherein the core layer absorbs 0.81 μm of excitation light and 4 F
Excited to the 5/2 level, non-luminous transition to the 4 F 3/2 level
Nd 3+ ions and the energy absorbed by the Nd 3+
It is excited to the 2 F 5/2 level by the transmission of energy and emits light.
Yb that transfers energy to active ions that are directly involved
3+ ion and Lu 4+ ion and the active ion
Yes, it is excited by energy transfer to the 5 I 6 level.
After that, it transits to the 5 I 7 level without light emission and has a wavelength of 1.6 μm.
Dy 2+ ions and stimulated emission of light by signal light in the region
And Ho 3+ ions, undergoing energy transfer 3 H 5 level
After being excited to the 3 position, it transitions to the 3 H 4 level without light emission ,
1. Light is stimulated and emitted by signal light in the wavelength range of 1.64 μm
Tm 3+ and Er 2+ ions, and energy
-After being transmitted and excited to the 4 I 11/2 level,
The light transitions to the 4 I 13/2 level and emits light in the 1.6 μm wavelength range.
Er 3+ ions that stimulate and emit light by signal light, and
A garnet crystal waveguide comprising Ho 2+ ions .
【請求項3】基板上に形成され、下部クラッド層と、前
記下部クラッド層上に形成され前記下部クラッド層より
屈折率が大きくリッジ状に加工されたコア層と、前記コ
ア層と前記クラッド層上に形成され前記コア層より屈折
率の小さい上部クラッド層からなるガーネット結晶導波
路であって、 前記基板はGd Ga 12 (GGG)単結晶基板で
あり、 前記下部クラッド層および前記上部クラッド層は、Eu
2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575
12 の組成を有し前記単結晶基板とほぼ同一の格子定数
を有するガーネット結晶であり、 前記コア層はY、La、Nd、Yb、Lu、Ho、E
r、Tm、Ca、Srを含有する置換型GGG結晶膜で
あり、 前記コア層は、0.81μmの励起光を吸収して
5/2 準位へ励起され、非発光で 3/2 準位へ遷移
するNd 3+ イオンと、前記Nd 3+ が吸収したエネル
ギーの伝達を受けて 5/2 準位へ励起され、発光に
直接関与する活性 イオンにエネルギーを伝達するYb
3+ イオンおよびLu 4+ イオンと、前記活性イオンで
あって、エネルギー伝達を受けて 準位に励起され
たのち、非発光で 準位に遷移し、1.6μm波長
域の信号光によって光を誘導放出するHo 3+ イオンお
よびEr 4+ イオン、エネルギー伝達を受けて
位に励起されたのち、非発光で 準位に遷移し、
1.64μm波長域の信号光によって光を誘導放出する
Tm 3+ イオンおよびYb 4+ イオン、そしてエネルギ
ー伝達を受けて 11/2 準位に励起されたのち、非
発光で 13/2 準位に遷移し、1.6μm波長域の
信号光によって光を誘導放出するEr 3+ イオンおよび
Tm 4+ イオンとを備えることを特徴と するガーネット
結晶導波路。
3. A lower clad layer formed on a substrate,
The lower clad layer formed on the lower clad layer
The core layer having a large refractive index and processed into a ridge shape, and the core layer
Is formed on the cladding layer and the cladding layer, and refracted from the core layer.
Garnet crystal waveguide consisting of a low-index upper cladding layer
And the substrate is a Gd 3 Ga 5 O 12 (GGG) single crystal substrate.
And the lower clad layer and the upper clad layer are made of Eu.
2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O
And has a composition of 12 and a lattice constant almost the same as that of the single crystal substrate.
A garnet crystal having Y, La, Nd, Yb, Lu, Ho, E
Substitution type GGG crystal film containing r, Tm, Ca, Sr
The core layer absorbs excitation light of 0.81 μm and absorbs 4 F.
Excited to the 5/2 level, non-luminous transition to the 4 F 3/2 level
Nd 3+ ions and the energy absorbed by the Nd 3+
It is excited to the 2 F 5/2 level by the transmission of energy and emits light.
Yb that transfers energy to active ions that are directly involved
3+ ion and Lu 4+ ion and the active ion
Yes, it is excited by energy transfer to the 5 I 6 level.
After that, it transits to the 5 I 7 level without emitting light, and has a wavelength of 1.6 μm.
Ho 3+ ions and ions that stimulate and emit light by the signal light in the region
And Er 4+ ion, undergoing energy transfer 3 H 5 level
After being excited to the 3 position, it transitions to the 3 H 4 level without light emission ,
1. Light is stimulated and emitted by signal light in the wavelength range of 1.64 μm
Tm 3+ ions and Yb 4+ ions, and energy
-After being transmitted and excited to the 4 I 11/2 level,
The light transitions to the 4 I 13/2 level and emits light in the 1.6 μm wavelength range.
Er 3+ ions that stimulate and emit light by signal light, and
A garnet crystal waveguide comprising Tm 4+ ions .
【請求項4】基板上に形成され、下部クラッド層と、前
記下部クラッド層上に形成され前記下部クラッド層より
屈折率が大きくリッジ状に加工されたコア層と、前記コ
ア層と前記クラッド層上に形成され前記コア層より屈折
率の小さい上部クラッド層からなるガーネット結晶導波
路であって、 前記基板はGd Ga 12 (GGG)単結晶基板で
あり、 前記下部クラッド層および前記上部クラッド層は、Eu
2.84 La 0.16 Al 0.6 Ga 4.4 12 の組
成を有し前記単結晶基板とほぼ同一の格子定数を有する
ガーネット結晶であり、 前記コア層はY、La、Nd、Yb、Ho、Er、T
m、Zr、Hf、Geを含有する置換型GGG結晶膜で
あり、 前記コア層は、0.81μmの励起光を吸収して
5/2 準位へ励起され、非発光で 3/2 準位へ遷移
するNd 3+ イオンと、前記Nd 3+ が吸収したエネル
ギーの伝達を受けて 5/2 準位へ励起され、発光に
直接関与する活性イオンにエネルギーを伝達するYb
3+ イオンおよびLu 4+ イオンと、前記活性イオンで
あって、エネルギー伝達を受けて 準位に励起され
たのち、非発光で 準位に遷移し、1.6μm波長
域の信号光によって光を誘導放出するHo 3+ イオン、
エネルギー伝達を受けて 準位に励起されたのち、
非発光で 準位に遷移し、1.64μm波長域の信
号光によって光を誘導放出するTm 3+ イオンおよびE
2+ イオン、そしてエネルギー伝達を受けて
11/2 準位に励起されたのち、非発光で 13/2
準位に遷移し、1.6μm波 長域の信号光によって光を
誘導放出するEr 3+ イオンおよびHo 2+ イオンとを
備えることを特徴とするガーネット結晶導波路。
4. A lower clad layer formed on a substrate,
The lower clad layer formed on the lower clad layer
The core layer having a large refractive index and processed into a ridge shape, and the core layer
Is formed on the cladding layer and the cladding layer, and refracted from the core layer.
Garnet crystal waveguide consisting of a low-index upper cladding layer
And the substrate is a Gd 3 Ga 5 O 12 (GGG) single crystal substrate.
And the lower clad layer and the upper clad layer are made of Eu.
2.84 La 0.16 Al 0.6 Ga 4.4 O 12 pair
And has substantially the same lattice constant as the single crystal substrate
Garnet crystal, wherein the core layer is Y, La, Nd, Yb, Ho, Er, T
A substitutional GGG crystal film containing m, Zr, Hf and Ge.
The core layer absorbs excitation light of 0.81 μm and absorbs 4 F.
Excited to the 5/2 level, non-luminous transition to the 4 F 3/2 level
Nd 3+ ions and the energy absorbed by the Nd 3+
It is excited to the 2 F 5/2 level by the transmission of energy and emits light.
Yb that transfers energy to active ions that are directly involved
3+ ion and Lu 4+ ion and the active ion
Yes, it is excited by energy transfer to the 5 I 6 level.
After that, it transits to the 5 I 7 level without light emission and has a wavelength of 1.6 μm.
Ho 3+ ion that stimulates and emits light by the signal light in the region ,
After receiving energy transfer and being excited to the 3 H 5 level,
It shifts to the 3 H 4 level without light emission, and emits light in the 1.64 μm wavelength range.
Tm 3+ ions and E that stimulated emission of light by
r 2+ ion, and 4 I after energy transfer
After being excited to the 11/2 level, it emits 4 I 13/2 without emitting light.
Transition to level, light by the signal light of 1.6μm wave length range
Er 3+ ions and Ho 2+ ions that are stimulated to be emitted
A garnet crystal waveguide characterized by comprising.
【請求項5】基板上に形成され、下部クラッド層と、前
記下部クラッド層上に形成され前記下部クラッド層より
屈折率が大きくリッジ状に加工されたコア層と、前記コ
ア層と前記クラッド層上に形成され前記コア層より屈折
率の小さい上部クラッド層からなるガーネット結晶導波
路であって、 前記基板はGd Ga 12 (GGG)単結晶基板で
あり、 前記下部クラッド層および前記上部クラッド層は、Eu
2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575
12 の組成を有し前記単結晶基板とほぼ同一の格子定数
を有するガーネット結晶であり、 前記コア層はY、La、Nd、Yb、Lu、Ho、E
r、Tm、Mg、Ca、Zrを含有する置換型GGG結
晶膜であり、 前記コア層は、0.81μmの励起光を吸収して
5/2 準位へ励起され、非発光で 3/2 準位へ遷移
するNd 3+ イオンと、前記Nd 3+ が吸収したエネル
ギーの伝達を受けて 5/2 準位へ励起され、発光に
直接関与する活性イオンにエネルギーを伝達するYb
3+ イオンおよびLu 4+ イオンと、前記活性イオンで
あって、エネルギー伝達を受けて 準位に励起され
たのち、非発光で 準位に遷移し、1.6μm波長
域の信号光によって光を誘導放出するHo 3+ イオンお
よびEr 4+ イオン、エネルギー伝達を受けて
位に励起されたのち、非発光で 準位に遷移し、
1.64μm波長域の信号光によって光を誘導放出する
Er 2+ イオン、Tm 3+ イオンおよびYb 4+ イオ
ン、そしてエネルギー伝達を受けて 11/2 準位に
励起されたのち、非発光で 13/2 準位に遷移し、
1.6μm波長域の信号光によって光を誘導放出するH
2+ イオン、Er 3+ イオンおよびTm 4+ イオンと
を備えることを特徴とするガーネット結晶導波路。
5. A lower clad layer formed on the substrate,
The lower clad layer formed on the lower clad layer
The core layer having a large refractive index and processed into a ridge shape, and the core layer
Is formed on the cladding layer and the cladding layer, and refracted from the core layer.
Garnet crystal waveguide consisting of a low-index upper cladding layer
And the substrate is a Gd 3 Ga 5 O 12 (GGG) single crystal substrate.
And the lower clad layer and the upper clad layer are made of Eu.
2.94 La 0.06 Al 0.425 Ga 4.575 O
And has a composition of 12 and a lattice constant almost the same as that of the single crystal substrate.
A garnet crystal having Y, La, Nd, Yb, Lu, Ho, E
Substitution type GGG binding containing r, Tm, Mg, Ca, Zr
The core layer absorbs 0.81 μm of excitation light and absorbs 4 F.
Excited to the 5/2 level, non-luminous transition to the 4 F 3/2 level
Nd 3+ ions and the energy absorbed by the Nd 3+
It is excited to the 2 F 5/2 level by the transmission of energy and emits light.
Yb that transfers energy to active ions that are directly involved
3+ ion and Lu 4+ ion and the active ion
Yes, it is excited by energy transfer to the 5 I 6 level.
After that, it transits to the 5 I 7 level without emitting light, and has a wavelength of 1.6 μm.
Ho 3+ ions and ions that stimulate and emit light by the signal light in the region
And Er 4+ ion, undergoing energy transfer 3 H 5 level
After being excited to the 3 position, it transitions to the 3 H 4 level without light emission ,
1. Light is stimulated and emitted by signal light in the wavelength range of 1.64 μm
Er 2+ ion, Tm 3+ ion and Yb 4+ Io
And the energy transfer to the 4 I 11/2 level
After being excited, it transits to the 4 I 13/2 level without emitting light ,
H that stimulates and emits light by signal light in the wavelength range of 1.6 μm
o 2+ ions, Er 3+ ions and Tm 4+ ions
A garnet crystal waveguide comprising:
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