JP6889259B2 - 能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス - Google Patents

Description

本発明は、能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスに係り、より詳しくは、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・機械的特性を有しつつも蛍光長寿命特性を持つＭｇ（ＰＯ_３）_２とフッ化物（ＭＦ_２、Ｍ＝Ｂａ、Ｃａ、Ｓｒ）で組成される能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスの組成に関する。

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、波長分割方式（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ、ＷＤＭ）方式の通信システムは勿論、ほぼ大部分の光ネットワークで主な装置として使用されている光増幅器装置であり、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。

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ラム（ｓｐｅｃｔｒｕｍ）領域における光透過特性及び屈折率の線型性に優れ、希土類（ＲＥ、ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ）元素をドーパントとして使用する場合に、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既存の応用分野だけでなく、最近では、ライダー（ＬｉＤＡＲ、Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）のように高出力が要求される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。

このような広範囲の応用分野で活用されるためには、装置の大きさが縮小され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。

そのためには、高い蛍光断面積特性またはキャリアの蛍光長寿命（ｌｏｎｇ−ｌｉｆｅｔｉｍｅ）特性の改善が要求される。

本発明は、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・機械的特性を有しつつも蛍光長寿命特性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。

上記課題を解決するための本発明による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスは、２０ｍｏｌ％〜６０ｍｏｌ％のＭｇ（ＰＯ_３）_２を含むメタリン酸塩（ｍｅｔａｐｈｏｓｐｈａｔｅ）組成物と、２０ｍｏｌ％〜６０ｍｏｌ％のＢａＦ_２及び０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％のＣａＦ_２を含むフッ素（ｆｌｕｏｒｉｄｅ）組成物と、ＥｒＦ_３及びＹｂＦ_３のみからなるドーパント（ｄｏｐａｎｔ）とで構成されることを特徴とする。

前記ＥｒＦ _３ は３ｍｏｌ％であり、前記ＹｂＦ_３は３ｍｏｌ％〜６ｍｏｌ％であることを特徴とする。

前記Ｍｇ（ＰＯ_３）_２ は３０ｍｏｌ％であることを特徴とする。

前記ＣａＦ_２は２０ｍｏｌ％であり、ＢａＦ _２ が２０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であり、Ｍｇ（ＰＯ _３ ） _２ が２０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であることを特徴とする。

前記ＢａＦ_２は４０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であり、前記ＣａＦ_２は１０ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％であることを特徴とする。

前記Ｍｇ（ＰＯ_３）_２は３０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％であり、前記ＢａＦ_２は３０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％であることを特徴とする。

前記ＹｂＦ_３ は４ｍｏｌ％であることを特徴とする。

前記Ｍｇ（ＰＯ_３）_２ は３０ｍｏｌ％であることを特徴とする。

前記ＣａＦ_２は２０ｍｏｌ％であり、ＢａＦ _２ が２０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であり、Ｍｇ（ＰＯ _３ ） _２ が２０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であることを特徴とする。

前記ＢａＦ_２は４０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であり、前記ＣａＦ_２は１０ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％であることを特徴とする。

前記Ｍｇ（ＰＯ_３）_２は３０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％であり、前記ＢａＦ_２は３０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％であることを特徴とする。

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及びガラス硬度（Ｋｎｏｐ Ｈａｒｄｎｅｓｓ）を含む機械的特性が改善された光ファイバレーザーを含む優れた能動素子の製造工程を提供する。

また、蛍光長寿命特性を実現し、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効果を持つ。

また、ドーピング物質（例： Ｅｒ、Ｙｂ）の組成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効果を持つ。

Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計図である。 Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計図である。 Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計図である。 Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−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。 Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−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。 Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−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。 Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−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。 Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−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。 Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−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でドーピングされたＭｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系の組成変化による熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 ＥｒＦ_３でドーピングされたＭｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系の組成変化による熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系の組成変化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−Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系の組成変化による分光学的特性評価に対する実験結果を示す図面である。 表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）のラマンスペクトラムを示す線図である。 表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の光学吸収スペクトラム（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。 表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の放出スペクトラム（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。 表１のガラス組成の蛍光寿命を示す線図である。 表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の吸収断面積（ＡＣＳ、Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎｓ）と蛍光断面積（ＥＣＳ、Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎｓ）を示す線図である。 表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の吸収断面積（ＡＣＳ、Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎｓ）と蛍光断面積（ＥＣＳ、Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎｓ）を示す線図である。 表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の吸収断面積（ＡＣＳ、Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎｓ）と蛍光断面積（ＥＣＳ、Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎｓ）を示す線図である。 表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の利得断面積スペクトラム（Ｇａｉｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｉｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。 表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の利得断面積スペクトラム（Ｇａｉｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｉｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。 表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の利得断面積スペクトラム（Ｇａｉｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｉｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。 本発明の他の一実施形態によるＥｒ／Ｙｂがドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスのラマンスペクトラムを示す線図である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスの光学吸収スペクトラム（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度による放出スペクトラム（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒａ）と有効なバンド幅（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の変化をそれぞれ示す線図である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度による放出スペクトラム（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒａ）と有効なバンド幅（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の変化をそれぞれ示す線図である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度による蛍光寿命（ｌｉｆｅｔｉｍｅ）を示す線図である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度によるＪＯ強度パラメータ（Ω_２、Ω_４及びΩ_６）の変化を示す線図である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度によるＡＣＳ（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、吸収断面積）とＥＣＳ（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、蛍光断面積）を示す図面である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度によるＡＣＳ（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、吸収断面積）とＥＣＳ（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、蛍光断面積）を示す図面である。 Ｅｒ／Ｙｂシステムにおいて、光子の吸収及び放出現象を説明するエネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）図面である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラス（Ｅｒ／Ｙｂが３：３）で反転分布（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ、γ）の変化された値による利得断面積スペクトラム（Ｇａｉｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｉｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の様々な異なる濃度による上向き転換スペクトラムを示す線図である。 図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）による上向き転換スペクトラムを示す線図である。

以下、本発明による能動素子用フッ素リン酸塩系ガラスの多様な実施形態を添付の図面を参照して詳しく説明する。

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、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２を基材（ｂａｓｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）として構成される。具体的に本発明者らは、ＥｒＦ_３−ＹｂＦ_３−Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_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、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系ガラスの場合、能動素子用（例：光ファイバレーザー）ガラスに適用可能な熱的・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、蛍光長寿命特性を実現し、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、ｂ、ｃは、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計図である。

図１ａ、ｂ、ｃに示す通り、網状組織形成成分（Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒｍｅｒ）であるリン酸塩としてＭｇ（ＰＯ_３）_２を採用し、ストロンチウム（Ｓｒ）とカルシウム（Ｃａ）及びマグネシウム（Ｍｇ）それぞれの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でガラス形成領域を基準として定められたサンプル組成（ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を確認することができる。

図１ａ、ｂ、ｃにおいて、閉曲線内部に位置するサンプル組成がそれであり、サンプル組成で各組成物の組成割合（ｍｏｌ％）変化による熱・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することができた。これは、図２ａ、ｂ、ｃ及び図３ａ、ｂ、ｃを利用して説明する。

図２ａ、ｂ、ｃは、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系ガラスの熱的特性評価に対する実験結果を示す図面であり、図３は、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系ガラス（ＭＢＣ ｓｙｓｔｅｍ）の組成及びエルビウム（Ｅｒ）イオン濃度変化による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）が工程の難易度と収率を決める第一の要素となる。

図２ａ、ｂ、ｃに示す通り、ＢａＦ_２対比（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ）Ｆ_２含量が増加することにより、ガラス転移温度（Ｔｇ）とピーク温度（Ｔｐ）が低い傾きを有しながら線型増加することが確認できる。即ち、（Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ）Ｆ_２含量の増加によるガラス転移温度（Ｔｇ）とピーク温度（Ｔｐ）の変化がわずかなものと判断される。

従って、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−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ぶ影響が低いため、それ以外の他の特性調節のための組成最適化が可能な利点を有する。

また、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２含量が増加することにより、即ち、網状組織形成成分（Ｎｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒｍｅｒ）の含量が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る。

これは、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２含量の組成変化範囲は制限が必要なことを意味する。

図３ａ、ｂ、ｃは、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ_２系のガラス組成設計によるガラス機械的特性評価に対する実験結果を示す図面である。

図３ａ、ｂ、ｃに示す通り、Ｍｇ（ＰＯ３）２−ＢａＦ２−（Ｓｒ、Ｃａ、Ｍｇ）Ｆ２系ガラス組成候補群において、ＢａＦ２の代わりにＭｇＦ２含量が増加することにより、ヌープ（Ｋｎｏｏｐ）硬度は成形的に増加し、Ｍｇ（ＰＯ３）２含量による機械的硬度特性から３部分に分けて、２０ｍｏｌ％Ｍｇ（ＰＯ３）２含まれたｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（７）、（８）、（９）領域と、３０ｍｏｌ％Ｍｇ（ＰＯ３）２含まれたｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１２）、（１３）、（１４）領域、そして４０ｍｏｌ％Ｍｇ（ＰＯ３）２含まれたｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１７）、（１８）を区分することができる。

また、Ｍｇ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２及びＭｇ（ＰＯ_３）_３−ＢａＦ_２−ＳｒＦ_２ガラス系でもヌープ（ｋｎｏｏｐ）硬度の傾向は同一に表れ、これは相対的にＮｅｔｗｏｒｋ ｆｏｒｍｅｒであるＭｇ（ＰＯ_３）_２含量が２０ｍｏｌ％から５０ｍｏｌ％含量まで増加することにより、相対的に剛性（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｒｉｇｉｄｉｔｙ）が増加して、ガラス転移温度と共にＫｎｏｏｐ硬度も増加することを表すと判断される。

図４及び図５は、ＥｒＦ_３でドーピングされたＭｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系の組成変化による熱的特性評価に対する実験結果を示す図面である。

図４は、熱的特性評価（Ｔｇ、Ｔｐ、Ｔｓ）を示す線図、図５は、熱膨脹係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ、ＣＴＥ）を示す線図である。

図４に示す通り、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２でｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１２）、（１３）、（１４）、（１８）、（２２）のガラス転移温度（Ｔｇ）とピーク温度（Ｔｐ）の特性変化を確認することができる。

具体的に、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２の組成比が一定に維持されるｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ１２、１３、１４番のガラス転移温度（Ｔｇ）とピーク温度（Ｔｐ）の変化はわずかな程度であることが確認できる。

しかし、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２の含量が変化するｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ１３、１８、２２番では、ガラス転移温度（Ｔｇ）とピーク温度（Ｔｐ）の変化量が相対的に非常に大きいことが確認できる。

これは、図２ａ、ｂ、ｃで確認された傾向性と同一であることが確認できる。

一方、図５に示す通り、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２モル比（ｍｏｌ％）含量が同じｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１２）、（１３）、（１４）におけるＴｇ、ＴｓそしてＣＴＥの変化は、相対的にＭｇ（ＰＯ_３）_２モル比が増加するｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１３）、（１８）、（２２）における変化量より小さいがことが確認できる。

また、全ての組成においてＥｒＦ_３含量が増加することにより、Ｔｇ、Ｔｓは増加し、熱膨脹係数（ＣＴＥ）は減少する傾向が表れている。

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５に示す通り、ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１２）、（１３）、（１４）のようにＭｇ（ＰＯ_３）_２のモル比を一定にし、フッ化物（ＢａＦ_２、ＣａＦ_２）のモル比を相補的に調節する場合が、ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１３）、（１８）、（２２）のようにＭｇ（ＰＯ_３）_２のモル比を変化させる場合に比べて熱膨脹係数（ＣＴＥ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）が大きいが、狭い分布範囲を表し、ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１３）、（１８）、（２２）は熱膨脹係数（ＣＴＥ）が低いが、その分布範囲が非常に広くて小さい組成比の変化にも特性変化が大きく表れることができることが確認できる。

図６は、ＥｒＦ_３でドーピングされたＭｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系の組成変化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。

図６に示す通り、ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１２）、（１３）、（１４）のようにＭｇ（ＰＯ_３）_２のモル比を一定にし、フッ化物（ＢａＦ_２、ＣａＦ_２）のモル比を相補的に調節する場合、これらのヌープ硬度（Ｋｎｏｏｐ ｈａｒｄｎｅｓｓ）は、フッ化物（ＢａＦ_２、ＣａＦ_２）のモル比の差異による影響よりは、ドーピングされたＥｒＦ_３のモル比に支配的に影響を受けることが確認できる。

一方、ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１３）、（１８）、（２２）のようにＭｇ（ＰＯ_３）_２のモル比を変化させる場合、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２のモル比が増加することにより、剛性及びヌープ硬度が増加することが確認できる。

また、ＥｒＦ_３のモル比が増加することによってもヌープ硬度が増加することが確認できるが、このような傾向性に支配的な影響を与えるものはＭｇ（ＰＯ_３）_２のモル比の変化であると判断される。

図７は、ＥｒＦ_３でドーピングされたＭｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系ガラスの組成変化による分光学的特性評価に対する実験結果を示す図面である。

図７に示す通り、５ｍｏｌ％ＥｒＦ_３−Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系ガラス組成において、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２の組成が一定に維持され、ＣａＦ_２含量が増加することにより、ＢａＦ_２含量が相補的に減少する場合、即ち、ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１２）から（１４）に行くほど蛍光断面積（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）が増加することが確認できる。

また、５ｍｏｌ％ＥｒＦ_３−Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系ガラス組成において、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２含量が増加するほど、即ちｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１３）から（２２）に行くほど相対的に蛍光断面積（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）は減少することが確認できる。

組成による蛍光断面積（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）の傾向性は、組成による吸収断面積（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）の傾向性と同一であり、これは相対的にポンピングエネルギーを多く受けた組成で放射転移エネルギー（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）も相対的に高いと判断される。

１５３２ｎｍの蛍光断面積（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）における傾向は、組成候補の中でｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１３）の場合、相対的に放射転移（ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）の効率が高いことを推論することができる。

また、蛍光断面積（ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）の相対的な増加傾向は、ｓａｍｐｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（１２）＜（１４）＜（１３）及び（１８）＜（２２）＜（１３）の順で表れることが確認できる。

表１は、ＥｒＦ_３でドーピングされたＭｇ（ＰＯ_３）_２−ＢａＦ_２−ＣａＦ_２系ガラスの多様な組成例を示すものである。

図８は、表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）のラマンスペクトラムを示す線図である。

図８に示す通り、４９８ｃｍ^−１におけるラマンバンド（Ｒａｍａｎ ｂａｎｄ）は、Ｍ−Ｆ結合と関連することが確認できる。ここで、ＭはＭｇ２＋、Ｂａ２＋、Ｃａ２＋のような２価の陽イオンである。

また、５４２．９ｃｍ^−１、５８４．１ｃｍ^−１、７４５．９ｃｍ^−１から由来したバンドは、Ｐ−Ｏ−Ｐグループに対応し、１０４４．１ｃｍ^−１におけるバンドと９６０ｃｍ^−１における肩（ｓｈｏｕｌｄｅｒ）は、Ｐ_２（Ｏ，Ｆ）_７及びＰＯ_４伸縮振動（ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）に起因する。

また、このようなラマン分析（Ｒａｍａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ）から、本実施形態によるＥｒがドーピングされたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｐ−Ｆ結合（ｂｏｎｄｓ）の形態（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）及びガラスのような構造（ｖｉｔｒｅｏｕｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を明らかに確認することができる。

図９は、表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の光学吸収スペクトラム（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。

図９に示す通り、観測された吸収バンド（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂａｎｄｓ）は、Ｅｒ^３＋イオンの４ｆ−４ｆ遷移から起因することが確認でき、吸収バンド（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂａｎｄｓ）の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は、メタリン酸塩の濃度が増加につれて大きくなるが、メタリン酸塩の濃度の増加は−ＰＯ結合（ｂｏｎｄｓ）を増加させ、これはＥｒ^３＋活性イオンの量を増加させるからであると判断される。また、９７５ｎｍで観測されるバンドは、Ｅｒ^３＋蛍光（ｅｍｉｓｓｉｏｎ）に必要不可欠なことが確認できる。

図１０は、表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の放出スペクトラム（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。

図１０に示す通り、１．５３ｕｍにおける特徴的なバンドは、９８０ｎｍ発振でＥｒ^３＋イオンの^４Ｉ_１３／２→^４Ｉ_１５／２遷移に起因することが確認される。

また、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２の濃度が４０ｍｏｌ％に至るまでＭｇ（ＰＯ_３）_２濃度増加によりバンドの強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が増加するが、これは、メタリン酸塩の濃度の増加が−ＰＯ結合（ｂｏｎｄｓ）を増加させ、これは、Ｅｒ^３＋活性イオンの量を増加させるからであると判断される。

即ち、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２の濃度が４０ｍｏｌ％より高くなると、バンドの強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）が減少するが、これは蛍光強度が組成に依存していることが確認できる。

一方、本実施形態において、半値幅（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ、ＦＷＨＭ）は８５．６ｎｍに至ることができることが分かる。

図１１は、表１のガラス組成の蛍光寿命を示す線図である。

図１１に示す通り、全体濃度変化で共通して^４Ｉ_１３／２レベルの減衰カーブは、単一指数属性（ｓｉｎｇｌｅ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｎａｔｕｒｅ）を示す。

従って、単一指数関数あてはめ（ｓｉｎｇｌｅ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ）を利用して蛍光寿命（ｌｉｆｅｔｉｍｅ）を決めてみると、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２の濃度が４０ｍｏｌ％の時、おおよそ１２．５ｍｓ程度の値を示している。

一方、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２の濃度が増加（＞４０ｍｏｌ％）するにつれて蛍光寿命（ｌｉｆｅｔｉｍｅ）が減少する傾向を示すが、これはさらに高いフォノンエネルギー（ｐｈｏｎｏｎ ｅｎｅｒｇｙ）に起因すると判断される。

図１２ａ、ｂ、ｃは、表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の吸収断面積（ＡＣＳ、Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎｓ）と蛍光断面積（ＥＣＳ、Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｔｉｏｎｓ）を示す線図である。

図１２ａ、ｂ、ｃにおいて、ＡＣＳ（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、吸収断面積）とＥＣＳ（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、蛍光断面積）は、ＭｃＣｕｍｂｅｒ理論によって決められ、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２の濃度が増加するにつれてＡＣＳ及びＥＣＳが減少する傾向を示すが、これはＥｒの位置（ｓｉｔｅ）で部分的な（ｌｏｃａｌ）構造変化（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｎｇｅｓ）に起因すると判断される。

図１３ａ、ｂ、ｃは、表１のガラス組成（Ａ３、Ｂ３、Ｃ３）の利得断面積スペクトラム（Ｇａｉｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｉｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。

図１３に示す通り、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２の全体モル比範囲で反転分布（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ、γ）が６０％以上の時、Ｇａｉｎが正の値になり、１４５０ｎｍ〜１６３０ｎｍの範囲で平坦利得（Ｆｌａｔ ｇａｉｎ）が得られることが確認できる。

このような波長範囲（１４５０ｎｍ〜１６３０ｎｍ）はＣとＬ ｔｅｌｅｃｏｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂａｎｄｓをカバーするが、これはＷＤＭネックワーク分野に応用するのに適合した特性であると判断される。

図１４は、本発明の他の一実施形態によるＥｒ／Ｙｂがドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスのラマンスペクトラムを示す線図である。

図１４に示す通り、本実施形態によるＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスは、フッ素グループ（Ｆｌｕｏｏｒｉｓｅ ｇｒｏｕｐ）に関連する４９４〜６２４ｃｍ^−１領域のラマンバンド（Ｒａｍａｎ ｂａｎｄｓ）、リン酸塩グループ（ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｇｒｏｕｐ）に関連する１０４１ｃｍ^−１の特徴バンド（ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｂａｎｄ）を確認することができる。

このようなラマン分析（Ｒａｍａｎ ａｎａｌｙｓｉｓ）から、本実施形態によるＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスでＰ−Ｆ結合（ｂｏｎｄｓ）の形態（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を明らかに確認することができる。

図１５は、図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスの光学吸収スペクトラム（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。

図１５に示す通り、Ｅｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスで観測される吸収バンド（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂａｎｄｓ）は、Ｅｒ^３＋イオンの４ｆ−４ｆ遷移に起因することが確認できる。

また、９７５ｎｍで形成される優れてブロードなバンド（ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ａｎｄ ｂｒｏａｄ ｂａｎｄｓ）は、Ｅｒ^３＋イオン及びＹｂ^３＋イオンに関連することが確認できる。

また、優れたバンド（ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ ｂａｎｄｓ）における強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）は、Ｙｂ^３＋の濃度が増加するにつれて大きくなることが確認できる。

これらからＥｒ／Ｙｂを共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）することは、９８０ｎｍ発振でＥｒ放出がさらに効率よく（ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）できることが分かる。

図１６及び図１７は、図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度による放出スペクトラム（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒａ）と有効なバンド幅（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の変化をそれぞれ示す線図である。

図１６及び図１７に示す通り、１．５３ｕｍにおける特徴的なバンドは、９８０ｎｍ発振でＥｒ^３＋イオンの^４Ｉ_１３／２→^４Ｉ_１５／２遷移に起因することが確認される。

また、１．５３ｕｍにおける特徴的なバンドは、Ｙｂ^３＋の濃度が増加するにつれて大きくなるが、その限界はＹｂ^３＋の濃度が４．０ｍｏｌ％に至る時であり、以後、Ｙｂ^３＋の増加による弱化（ｄｅｃｒｅｍｅｎｔ）は濃度消光（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）に起因すると確認される。

従って、Ｙｂ^３＋濃度の最適値は、４．０ｍｏｌ％である。

また、Ｙｂ^３＋の濃度変化によりバンド幅（ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）は８２〜９３ｎｍの範囲に存在すると確認される。

図１８は、図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度による蛍光寿命（ｌｉｆｅｔｉｍｅ）を示す線図である。

図１８に示す通り、Ｙｂ^３＋の全体濃度変化において、共通して^４Ｉ_１３／２レベルの減衰カーブは単一指数属性（ｓｉｎｇｌｅ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｎａｔｕｒｅ）を示している。

従って、単一指数関数あてはめ（ｓｉｎｇｌｅ ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ ｆｉｔｔｉｎｇ）を利用して蛍光寿命（ｌｉｆｅｔｉｍｅ）を決めてみると、Ｙｂ^３＋の全体濃度変化で１４．３９〜１５．１１ｍｓを示すことが確認できる。

一方、Ｙｂ^３＋の濃度が増加するにつれて蛍光寿命（ｌｉｆｅｔｉｍｅ）が減少する傾向を示すが、これは、高いドーパント（ｄｏｐａｎｔ）濃度でＥｒ^３＋からＹｂ^３＋への逆エネルギー転移（ｂａｃｋ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）が行われた結果であると判断される。

また、図１８において、Ｅｒ／Ｙｂの最適濃度の割合は３：４であることを導出することができる。

このようにＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラス組成（ＭＢＣ ｓｙｓｔｅｍ）として、Ｍｇ（ＰＯ_３）_２−（５０−ｘ）ＢａＦ_２−ＣａＦ_２：３ＥｒＦ_３／ｘＹｂＦ_３でＥｒ／Ｙｂの特定のｍｏｌ％割合を維持する場合、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増える理由は、エルビウム（Ｅｒ）とイッテルビウム（Ｙｂ）相互間のエネルギー伝達（ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）現象と、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（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）を減少させる役割をするからである。

ここで、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（ｎｏｎ−ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓ）を減少させる役割をすることは、エルビウム（Ｅｒ）イオン及びイッテルビウム（Ｙｂ）イオンのイオン半径が相互類似し、エルビウム（Ｅｒ）とイッテルビウム（Ｙｂ）のクラスタフォーメーション（ｃｌｕｓｔｅｒ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）効果のためである。

図１９は、図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度によるＪＯ強度パラメータ（Ω_２、Ω_４及びΩ_６）の変化を示す線図である。

図１９に示す通り、ＪＯ強度パラメータの中でΩ_２は、Ｅｒ−Ｏ結合（ｂｏｎｄ）とＹｂ濃度増加の非対称性の間に高い相関性（ｃｏｖａｌｅｎｃｙ）が存在することを示す。

また、ＪＯ強度パラメータの中でΩ_４とΩ_６から、フッ素リン酸塩系マトリックス（ｍａｔｒｉｘ）の硬さ（ｒｉｇｉｄｉｔｙ）と粘度（ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ）は、Ｙｂの濃度が増加するにつれて向上することを示す。

図２０と図２１は、図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の濃度によるＡＣＳ（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、吸収断面積）とＥＣＳ（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、蛍光断面積）を示す図面である。

図２０及び図２１において、ＡＣＳ（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、吸収断面積）とＥＣＳ（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ−ｓｅｃｔｉｏｎｓ、蛍光断面積）は、ＭｃＣｕｍｂｅｒ理論によって決められたものであり、Ｙｂ^３＋の濃度が増加するにつれてＡＣＳ及びＥＣＳが減少する傾向を示すが、これは高いドーパント（ｄｏｐａｎｔ）濃度でＥｒ^３＋からＹｂ^３＋への逆エネルギー伝達（ｂａｃｋ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ）が行われた結果であると判断される。

図２２は、Ｅｒ／Ｙｂシステムにおいて、光子の吸収及び放出現象を説明するエネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）図面である。

図２２に示す通り、Ｅｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）される場合、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）の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３ｍｏｌ％から４ｍｏｌ％に増加する状況では、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。

一方、イッテルビウム（Ｙｂ）の濃度が４ｍｏｌ％以上に増加すると、エルビウム（Ｅｒ）の^４Ｉ_１５／２ ^４Ｉ_１１／２転移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）からイッテルビウム（Ｙｂ）の^２Ｆ_７／２ ^２Ｆ_５／２転移（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）にエネルギー伝達現象が増加し、^４Ｉ_１３／２におけるキャリア寿命が減る。

即ち、図２２を図１８と共に参照すると、エルビウム（Ｅｒ）／イッテルビウム（Ｙｂ）のｍｏｌ％割合が３：４の時、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、^４Ｉ_１３／２エネルギー準位における蛍光長寿命に効果的であることが確認できる。

図２３は、図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラス（Ｅｒ／Ｙｂが３：３）において、反転分布（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ、γ）の変化された値による利得断面積スペクトラム（Ｇａｉｎ Ｃｒｏｓｓ−Ｓｅｃｉｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ）を示す線図である。

図２３に示す通り、反転分布（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ、γ）が４０％以上の時、Ｇａｉｎが正の値になり、１４５０ｎｍ〜１６５０ｎｍの範囲でＦｌａｔ ｇａｉｎが得られることが確認できる。

このような波長範囲（１４５０ｎｍ〜１６５０ｎｍ）は、ＣとＬ ｔｅｌｅｃｏｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂａｎｄｓをカバーするが、これは、ＷＤＭネックワーク分野に応用するのに適合した特性であると判断される。

図２４は、図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、Ｙｂ^３＋の様々な他の濃度による上向き転換スペクトラムを示す線図である。

図２４に示す通り、９８０ｎｍのダイオードレーザー発振で強いｇｒｅｅｎと弱いｒｅｄの上向き転換された放出が確認され、上向き転換された信号の前提的な強度はＹｂ濃度と共に単調的に増加していることが確認できる。

このような上向き（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔ）は、ＥｒとＹｂ間の効率的なエネルギー伝達に起因すると判断される。

図２５は、図１４のＥｒ／Ｙｂが共ドーピング（ｃｏ−ｄｏｐｉｎｇ）されたフッ素リン酸塩系ガラスにおいて、ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）による上向き転換スペクトラムを示す線図である。

図２５に示す通り、上向き転換された信号の強度は、ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒの増加により単調増加していることが確認でき、ｒｅｄ及びｇｒｅｅｎの上向き変換放出（ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）に２個のフォトン（ｐｈｏｔｏｎ）が関与していることが確認できる。

Claims (11)

1. ２０ｍｏｌ％〜６０ｍｏｌ％のＭｇ（ＰＯ_３）_２を含むメタリン酸塩（ｍｅｔａｐｈｏｓｐｈａｔｅ）組成物と、
   ２０ｍｏｌ％〜６０ｍｏｌ％のＢａＦ_２及び０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％のＣａＦ_２を含むフッ素（ｆｌｕｏｒｉｄｅ）組成物と、
   ＥｒＦ_３及びＹｂＦ_３のみからなるドーパント（ｄｏｐａｎｔ）とで構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ＥｒＦ_３は３ｍｏｌ％であり、
   前記ＹｂＦ_３は３ｍｏｌ％〜６ｍｏｌ％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Ｍｇ（ＰＯ_３）_２は３０ｍｏｌ％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ＣａＦ_２は２０ｍｏｌ％であり、ＢａＦ _２ が２０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であり、Ｍｇ（ＰＯ _３ ） _２ が２０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％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。
5. 前記ＢａＦ_２は４０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であり、前記ＣａＦ_２は１０ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項３に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
6. 前記Ｍｇ（ＰＯ_３）_２は３０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％であり、前記ＢａＦ_２は３０ｍｏｌ％〜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。
7. 前記ＹｂＦ_３は４ｍｏｌ％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。
8. 前記Ｍｇ（ＰＯ_３）_２は３０ｍｏｌ％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ＣａＦ_２は２０ｍｏｌ％であり、ＢａＦ _２ が２０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であり、Ｍｇ（ＰＯ _３ ） _２ が２０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％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。
10. 前記ＢａＦ_２は４０ｍｏｌ％〜５０ｍｏｌ％であり、
    前記ＣａＦ_２は１０ｍｏｌ％〜２０ｍｏｌ％であることを特徴とする請求項８に記載の能動素子用フッ素リン酸塩系ガラス。
11. 前記Ｍｇ（ＰＯ_３）_２は３０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％であり、
    前記ＢａＦ_２は３０ｍｏｌ％〜４０ｍｏｌ％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。

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