JPH04243999A

JPH04243999A - 単結晶光ファイバ

Info

Publication number: JPH04243999A
Application number: JP3010218A
Authority: JP
Inventors: Itaru Yokohama; 横浜　至; Maagaretsuto Deibisu Jirian; ジリアン・マーガレット・デイビス; Kenichi Kubodera; 憲一久保寺; Shoichi Sudo; 昭一須藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-01-30
Filing date: 1991-01-30
Publication date: 1992-09-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光伝送等の分野で使用
される光増幅素子において、高い増幅率を実現し得る単
結晶光ファイバに関する。

【０００２】

【従来の技術】光伝送システムにおいて、光ファイバの
損失及び分散の少ない波長１．３μｍ帯は、波長１．５
５μｍ帯と並んで重要な波長帯である。この１．３μｍ
帯の光増幅では、発光元素としてネオジウム（以下、Ｎ
ｄと略記する）を使用することが検討されている。この
光増幅の機構は、図６に示すように波長０．８１μｍ付
近の光をポンプ光として入射し、ポンプ光によってＮｄ
イオンの４Ｉ９／２準位の電子を４Ｆ５／２準位に励起
し、その後４Ｆ３／２準位に遷移した後、４Ｉ１３／２
準位に遷移しその際波長１．３２μｍ付近の光を発光す
る。この場合あらかじめ１．３２μｍ付近の信号光が存
在していれば、前記の発光は信号光と同調して起こり、
結果として信号光の増幅が行われる。従ってＮｄを含む
物質を用いて波長１．３μｍ帯の光増幅を行うことは原
理的に可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】通常の石英系ガラスフ
ァイバにＮｄを添加してＮｄ添加光ファイバを作製した
場合、ガラス中の構成原子とＮｄとの距離が一定でなく
、相互作用力がまちまちであるため、Ｎｄイオンの電子
準位の幅が広がることになる。

【０００４】このような状態では、Ｎｄイオンの電子は
ポンプ光によって４Ｉ９／２準位から４Ｆ５／２準位に
励起され、さらにその後４Ｆ３／２準位に遷移したＮｄ
イオンの電子が信号光と共鳴する際、上記石英ガラス中
の原子の影響を受けて　　４Ｇ７／２準位に上方遷移し
てしまうため、光増幅効果を生じない（励起準位吸収効
果）という効果が生じてしまう。この結果、Ｎｄ添加石
英系ガラスファイバでは波長１．３μｍ帯光増幅素子は
実現できなかった。

【０００５】また、イットリウム・アルミニウム・ガー
ネット（以下、ＹＡＧと略記する）結晶にＮｄを添加し
てＮｄ添加ＹＡＧを作製した場合では、ＹＡＧが結晶材
料であるため、ＹＡＧの構成原子とＮｄとの距離はほぼ
一定となり添加したＮｄイオンの電子準位の幅は比較的
小さい。従って、４Ｇ７／２準位の準位幅が狭く、Ｎｄ
添加石英系ガラスファイバで生じた励起準位吸収は生じ
ない。

【０００６】上記Ｎｄ添加ＹＡＧは図７に示すような１
．３２μｍの固体レーザに応用されている。この固体レ
ーザは、Ｎｄ添加ＹＡＧ結晶５１を２個のミラー５２，
５３の間に配置して構成したものである。

【０００７】しかしながら、上記構成の固体レーザをそ
のまま光増幅素子として使用すると、信号光がミラー５
２，５３間で多数回往復することになり、そのうちに時
間的に後からきた信号光と重複してしまい、信号情報が
失われてしまう。このため、光増幅素子として応用する
ことはできなかった。

【０００８】また、結晶内を１度信号光が通過する際の
光増幅の効果は、通常１ｄＢ以下であるので、ミラー５
２，５３を取り去って光増幅素子として使用したとして
もゲインが少なすぎて使用できなかった。

【０００９】以上のように、発光元素としてＮｄを使用
した実用的な光増幅素子は実現されておらず、実用的光
増幅素子の出現が求められていた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明による単結晶光フ
ァイバは、比較的屈折率の高いコア部と、該コア部の周
囲に比較的屈折率の低いクラッド部を有し、前記コア部
が基本材料としてイットリウム・アルミニウム・ガーネ
ット（Ｙ２ＡｌＯ３）結晶で形成され、かつ添加元素と
して少なくともネオジウム（Ｎｄ）を含むものであり、
かつ前記コア部の断面積が１３９μｍ２以下であること
を特徴とするものである。

【００１１】

【作用】Ｎｄを用いた１．３μｍ帯光増幅では、図６に
示すようにいかに効率よく多くの電子を４Ｆ３／２準位
から４Ｉ１３／２準位へ発光遷移させるかが重要である
ため、以下に本発明の単結晶光ファイバの増幅効果の見
積りを示す。

【００１２】４Ｆ３／２準位に存在する電子密度をＮ２
、４Ｉ１３／２準位に存在する電子密度をＮ１とすると
、単位当たりの光増幅率ｇは、電子の４Ｆ３／２準位か
ら４Ｉ１３／２準位への遷移発光密度に比例するため以
下式１で表すことができる。

【数１】

【００１３】上記式１においてσは４Ｆ３／２準位から
４Ｉ１３／２準位への散乱断面積、ｇ２／ｇ１は、デジ
ェネレイトレシオ（ｄｅｇｅｎｅｒａｔｅ　ｒａｔｉｏ
）である。

【００１４】上記Ｎｄの場合、電子が４Ｉ１３／２準位
から４Ｉ９／２準位へ遷移する確率が大きく、電子が４
Ｉ１３／２準位に滞留する時間は極めて短いため、Ｎ１
は無視できる程度に十分小さいとみなすことができるの
で上記式１は以下に示す式２に近似される。

【数２】

【００１５】ここで４Ｆ３／２準位に存在する電子密度
Ｎ２は、単位当たりのポンプ光を吸収したエネルギーを
電子１個の遷移に必要なエネルギーで割ったもので表せ
るので、４Ｆ３／２準位から４Ｉ１３／２準位への遷移
による発光の蛍光寿命をτとすると、

【数３】と表せる。ここでＰａｂｓは、吸収されるポンプ光パワ
ー、ｈυは、電子１個の遷移に必要なエネルギー、Ａは
実効的な光の透過する領域の断面積、Ｌは素子の長さで
ある。

【００１６】また単位長さ当たりの光増幅率ｇは、次式

【数４】と表せる。ここで、長さＬに対する光増幅率ｇ’（＝ｇ
Ｌ）をポンプ光として波長０．８１μｍの光を用い、σ
およびτの値はこれまでにＮｄ添加ＹＡＧ結晶で測定さ
れている値を上記式４に代入すると次式

【数５】となる。また、入力信号光のパワーをＰ０、増幅信号光
のパワーをＰ１とすると、長さＬの素子では、次式

【数
６】の関係にある。この時の素子全体の増幅のゲインＧは、
次式

【数７】と表せる。ここでＰａｂｓはｍＷで表し、Ａはμｍ２で
表す。

【００１７】波長０．８１μｍのポンプ光源として実用
上可能なものは、ガリウム砒素系半導体レーザであり、
光伝送等に使用される石英系ガラス単一モード光ファイ
バに効率よく光結合が行える単一横モード発振のガリウ
ム砒素系半導体レーザでは、実用的な素子としては、光
パワー最高１００−１５０ｍＷである。また、石英系ガ
ラス単一モードファイバに半導体レーザから光を結合さ
せる場合、その結合効率は通常約３０％である。上記式
７では、ＹＡＧ結晶の断面積が極めて小さいことが高い
ゲインのために必要であることを示しており、直接ポン
プ用半導体レーザからＹＡＧ結晶へ光を結合させる場合
、ポンプ用半導体レーザから石英系ガラス単一モードフ
ァイバを経由してＹＡＧ結晶へ光を結合させる場合の双
方とも吸収されるポンプ光パワーの実用的限度は５０ｍ
Ｗとみなすことができる。

【００１８】実用的に光増幅素子に要求されるゲインは
１０ｄＢ以上である。上記式７からゲイン１０ｄＢの時
の吸収されるポンプ光パワーと結晶の断面積との関係を
求めると、図１に示すような直線ａの関係になり吸収さ
れるポンプ光パワーの限度である５０ｍＷ以下の領域を
考えると図１中斜線で示した領域ｂの部分が、ゲイン１
０ｄＢ以上が得られる条件となる。従って実用的光増幅
素子として機能するためには結晶の断面積が１３９μｍ
２以下である必要がある。

【００１９】断面積が１３９μｍ２以下の棒状ＹＡＧ結
晶に信号光を透過する場合、ＹＡＧ結晶をの屈折率（約
１．８）と空気の屈折率（約１．０）の差が大きいため
ＹＡＧ結晶側面での光の散乱損失が大きくなり、３ｄＢ
／ｃｍ以上の信号光伝搬損失を生じる。このため、光増
幅のゲインは劣化し、必要なゲインを得るためにはより
小さな断面積にする必要が生じる。しかしながら、この
散乱損失の影響は断面積が小さくなった場合より顕著と
なるため、結晶を裸の状態のまま使用することは有効な
方法ではない散乱損失を抑圧する方法としてはＹＡＧ結
晶の周囲をＹＡＧ結晶より僅かに屈折率の低い物質で覆
いＹＡＧ結晶部をコア、ＹＡＧ結晶より僅かに屈折率の
低い物質をクラッドとする導波路構造を形成することが
有効である。この方法により、信号光の伝搬損失を０．
５ｄＢ／ｃｍ以下に低減できる。

【００２０】以上述べたように、Ｎｄ添加ＹＡＧ結晶を
用いて波長１．３μｍ帯の実用的光増幅素子を作製する
ためには、比較的屈折率の低いクラッド部を有し、前記
コア部が基本材料としてイットリウム・アルミニウム・
ガーネット（Ｙ２ＡｌＯ３）結晶で形成され、かつ前記
コア部の断面積が１３９μｍ２以下であることが必要で
ある。

【００２１】

【実施例】（実施例１）　　図２および図３ａは、本発
明の単結晶光ファイバの第１の実施例を示すもので、図
３ｂは図３ａに示す単結晶光ファイバの横断面構造に対
応する屈折率分布を示している。

【００２２】上記図２，３ａ中符号３に示す本実施例の
単結晶光ファイバは、コア１及びクラッド２から構成さ
れている。上記コア１は、Ｎｄ添加濃度１％のＮｄ添加
ＹＡＧ結晶であり、断面はほぼ正六角形で断面積４０μ
ｍ２、長さ１０ｍｍである。このコア１は、レーザ溶融
法（参考文献：Ｍ．Ｍ．　　Ｆｅｊｅｒ，　　Ｊ．Ｌ．
Ｎｉｇｈｔｉｎｇａｅ，ａｎｄ　　Ｒ．Ｌ．Ｂｙｅｒ，
Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．５５巻　　１７９１
頁　　１９８４年）により、Ｎｄ添加ＹＡＧ結晶母材の
先端部を炭酸ガスレーザで加熱溶融し、種結晶を溶融部
に付着させ、種結晶を引き上げながら細径Ｎｄ添加ＹＡ
Ｇ結晶を成長させることにより作製した。クラッド２は
屈折率１．７８の光学ガラスであり、この光学ガラスの
溶融状態中にコア１となる細径Ｎｄ添加ＹＡＧ結晶を投
入しそのまま冷却して該光学ガラスを固化させ、コア１
となる細径Ｎｄ添加ＹＡＧ結晶の含まれている部分を切
り出し、両端面を研磨したものである。この構成ではコ
ア・クラッドの導波路構造が形成されているため、上記
本実施例における波長１．３１μｍの信号光の伝搬損失
は、０．５ｄＢ／ｃｍ以下であった。また、ポンプ光波
長０．８１μｍに対する吸収率は長さ１０ｍｍで９０％
以上であった。

【００２３】本実施例の単結晶光ファイバを波長１．３
μｍ帯の光増幅素子としての構成を図４に示す。波長分
離ファイバカップラ２２により波長１．３２μｍの信号
光と波長０．８１μｍのポンプ光は出口側の１本の光フ
ァイバに合流され、バッドジョイントにより光学的に結
合している単結晶光ファイバ２１に入る。単結晶光ファ
イバ２１内ではポンプ光は吸収されかつ信号光は増幅さ
れ出射される。そしてバッドジョイントにより光学的に
結合している波長分離ファイバカップラ２３により増幅
した信号のみが取り出される。本実施例においてはポン
プ光として光出力１００ｍＷの半導体レーザを使用し、
波長分離ファイバカップラ２２を通じて単結晶光ファイ
バ２１のコア内に入射されるポンプ光は３０ｍＷである
。この場合、波長分離光ファイバカップラ２２に入った
信号光は、２０ｄＢ増幅されて波長分離ファイバカップ
ラ２３より取り出されており、実用的光増幅素子として
機能していることが確認された。

【００２４】（実施例２）　　図５ａは、本発明の第２
の実施例を示すもので、図５ａ中符号４０は単結晶光フ
ァイバである。この単結晶光ファイバ４０は、Ｎｄ４％
添加したＹＡＧ結晶よりなるコア４１と、このコア４１
の周囲に形成されたＮｄを添加していないＹＡＧ結晶よ
りなるクラッド４２からなるＹＡＧ結晶母材からレーザ
溶融法を用いて作製したものであり、Ｎｄの濃度分布に
より屈折率差を生じせしめ、コア・クラッドの導波路構
造を形成したものである。本実施例においては、ファイ
バ作製中にＮｄの拡散が生じることから屈折率分布もグ
レーデッド径分布となり、図５ｂに示すように屈折率の
最も低い部分（ｎ２）と高い部分（ｎ１）の比屈折率差
は０．３％であり、導波する光の９０％以上は比屈折率
差０．１％以下の部分即ち屈折率ｎ３より高い領域に閉
じこめられて伝搬する。ここではこの領域をコア４１と
定義し、それ以外の部分をクラッド４２と定義する。こ
こでコア４１の断面積は４２μｍ２であり、長さ５ｍｍ
、信号光の伝搬損失は０．２ｄＢ／ｃｍ以下であった。

【００２５】上記本実施例の単結晶光ファイバを先に述
べた実施例１と同様に図４で示す構成で光増幅素子とし
て用いたところ、実施例１と同様に２０ｄＢのゲインが
得られた。

【００２６】なお、以上の実施例以外でも、クラッドを
構成する材料としては、有機材料、結晶材料等、波長１
．３μｍの信号光に対し大きな吸収がなく、かつＮｄ添
加ＹＡＧ結晶よりも屈折率の低いものであれば、同様に
本発明の単結晶光ファイバを構成できる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は比較的屈
折率の高いコア部と、該コア部の周囲に比較的屈折率の
低いクラッド部を有し、前記コア部が基本材料としてイ
ットリウム・アルミニウム・ガーネット（Ｙ２ＡｌＯ３
）結晶で形成され、かつ添加元素として少なくともＮｄ
を含むものであり、かつ前記コア部の断面積が１３９μ
ｍ２以下であるＹＡＧ結晶を用いたので低損失でコア断
面積の小さい光増幅用導波路が実現される。従って、本
発明の単結晶光ファイバを用いることにより波長１．３
μｍ帯の高いゲインを有する光増幅素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｎｄ添加ＹＡＧ結晶の波長１．３μｍ帯の光増
幅におけるゲインと吸収されるポンプ光パワーおよび結
晶断面積の関係を示す図である。

【図２】本発明に係る第１の実施例を示す単結晶光ファ
イバの斜視図である。

【図３】図３のａは、図２に示す第１の実施例を示す単
結晶光ファイバの横断面図であり、図３のｂはａに示す
単結晶光ファイバの横断面図に対応する屈折率分布を示
す図である。

【図４】本発明の単結晶光ファイバを光増幅素子として
用いる際の構成を示す図である。

【図５】図５のａは、本発明に係る第２の実施例を示す
単結晶光ファイバの横断面図であり、図５のｂはａに示
す単結晶光ファイバの横断面図に対応する屈折率分布を
示す図である。

【図６】Ｎｄ添加ＹＡＧ結晶の光増幅の機構を示す図で
ある。

【図７】従来の発振波長１．３μｍのＮｄ添加ＹＡＧ固
体レーザの構成を示す図である。

【符号の説明】

１，４１　　コア２，４２　　クラッド３，４０　　単結晶光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　比較的屈折率の高いコア部と、該コア
部の周囲に比較的屈折率の低いクラッド部を有し、前記
コア部が基本材料としてイットリウム・アルミニウム・
ガーネット（Ｙ２ＡｌＯ３）結晶で形成され、かつ添加
元素として少なくともネオジウム（Ｎｄ）を含むもので
あり、かつ前記コア部の断面積が１３９μｍ２以下であ
ることを特徴とする単結晶光ファイバ。