JPH04358130A - 光機能性ガラス - Google Patents

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１．３μｍ帯での光増幅
等に使用される光機能性ガラス、光ファイバ、導波路素
子、ファイバ増幅器、導波路素子増幅器、ファイバレー
ザ及び導波路素子レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】希土類元素を添加した光機能性ガラスは
、一般に１．３１０±０．０２５μｍの範囲で行われる
波長１．３μｍ帯での光通信に使用するファイバ増幅器
、ファイバセンサ、ファイバレーザ等の光機能性装置へ
の応用が考えられている。

【０００３】例えば、燐酸塩系の多成分ガラスにネオジ
ムイオン（Ｎｄ３＋）を添加した多成分ガラスを準備し
、このガラスから形成した光ファイバのレーザ発振特性
について評価した旨の報告（ＥＬＥＣＲＯＮＩＣＳ　Ｌ
ＥＴＴＥＲＳ，　１９９０，　Ｖｏｌ．　２６，　Ｎｏ
．２，　ｐｐ１２１−１２２）等がなされている。さら
に最近、波長１．３μｍ付近で光増幅を実現する活性物
質としてプラセオジムイオン（Ｐｒ３＋）を添加した光
ファイバについても報告されている。これらを評価した
旨の報告としては、ＯＦＣ’９１　Ｐｏｓｔ　Ｄｅａｄ
ｌｉｎｅ　Ｐａｐｅｒｓ（ＰＤ２−１）に於いてなされ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の報告に
示されるＮｄ３＋添加の多成分ガラスでは、Ｎｄ３＋の
波長１．３２μｍでの蛍光ピークが比較的微弱であるこ
とと、ＥＳＡ遷移による比較的大きな吸収ピークが存在
することとに起因して、波長１．３μｍ帯で利得が得ら
れていなかった。

【０００５】また、Ｐｒ３＋を添加した光ファイバでは
、増幅効率が極めて悪いといった問題や、必要とされる
波長１．０１７μｍ付近の励起光源として半導体レーザ
等の簡易な励起光源を入手できないといった問題があっ
た。

【０００６】そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、半
導体レーザ等の簡易な励起光源を用いて発生可能な波長
０．７〜１．０μｍの励起光により、波長１．３μｍ帯
での光増幅を可能にする、或いはその増幅効率を高める
光機能性ガラスを提供することを目的としている。

【０００７】また、本発明は、上記光機能性ガラスを用
いた光ファイバ及び導波路素子を提供することを目的と
する。

【０００８】また、本発明は、上記光ファイバを用いた
ファイバ増幅器及びファイバレーザを提供することを目
的とする。

【０００９】また、本発明は、上記導波路素子を用いた
導波路素子増幅器及び導波路素子レーザを提供すること
を目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明者は上記
課題の解決のため、鋭意研究を重ねた結果、Ｐｒ３＋を
活性物質として含む光機能性ガラスであって、波長１．
３μｍ帯での光増幅を可能にする、或いはその増幅効率
を高めるガラスを見出した。

【００１１】本発明に係る光機能性ガラスは、ネオジム
イオン（Ｎｄ３＋）、ツリウムイオン（Ｔｍ３＋）、ホ
ロミウムイオン（Ｈｏ３＋）及びプロメチウムイオン（
Ｐｍ３＋）の内少なくとも一種類のイオンを第２の希土
類イオンとして、Ｐｒ３＋と共にホストガラス（マトリ
ックスガラス）に添加することとしている。ホストガラ
スとしては、弗燐酸塩ガラス、燐酸塩ガラス、ケイ酸塩
ガラス、カルコゲナイドガラス、弗化物ガラス、石英ガ
ラス等の使用が可能である。

【００１２】上記の光機能性ガラスによれば、Ｎｄ３＋
、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋若しくはＰｍ３＋又はこれらの組
み合わせをホストガラスに共添加することにより、波長
１．０μｍ以下の励起光を用いてＰｒ３＋を励起できる
ことと、この結果波長１．３μｍ帯での光増幅に適した
ガラスを得ることができることとが後述のように判明し
た。

【００１３】上記の現象に関し、本発明者は次のような
仮説を立てて検討した。

【００１４】図１はこの仮説を説明するためのエネルギ
ー準位図である。活性物質として例えばＰｒ３＋及びＮ
ｄ３＋を共添加した光機能性ガラスに導入された波長約
０．８０μｍの励起光は、Ｎｄ３＋を励起して準位　４
Ｉ９／２　から準位　４Ｆ５／２　への電子遷移を発生
させる。その後、格子緩和により　４Ｆ３／２　に遷移
し、ある寿命をもって　４Ｉ１１／２に遷移する。この
　４Ｆ３／２　と　４Ｉ１１／２の準位間のエネルギー
差がＰｒ３＋の２準位　３Ｈ４　、　１Ｇ４　間のエネ
ルギー差に略対応しているので、Ｎｄ３＋の励起エネル
ギーはその近くに存在するＰｒ３＋へ伝達されることと
なる。 つまり、励起電子はエネルギー伝達によってみかけ上準
位　４Ｆ３／２　から準位　１Ｇ４　に遷移する。この
結果、Ｐｒ３＋の遷移　１Ｇ４　→　３Ｈ５　に対応す
る波長１．３μｍ帯の輻射が可能になる。

【００１５】また、Ｐｒ３＋及びＴｍ３＋を共添加した
光機能性ガラスに導入された波長約０．７９μｍの励起
光は、Ｔｍ３＋を励起して準位　３Ｈ６　から準位　３
Ｈ４への電子遷移を発生させる。この結果、エネルギー
伝達によってＴｍ３＋の準位　３Ｈ４　からＰｒ３＋の
準位　１Ｇ４　への電子の遷移が生じ、Ｐｒ３＋の遷移
　１Ｇ４　→　３Ｈ５　に対応する波長１．３μｍ帯の
輻射が可能になる。

【００１６】さらに、Ｐｒ３＋及びＨｏ３＋を共添加し
た光機能性ガラスに導入された波長約０．８８９μｍの
励起光は、Ｈｏ３＋を励起して準位　５Ｉ８　から準位
　５Ｉ５　への電子遷移を発生させる。この結果、エネ
ルギー伝達によってＨｏ３＋の準位　５Ｉ５　からＰｒ
３＋の準位　１Ｇ４　への電子の遷移が生じ、Ｐｒ３＋
の遷移　１Ｇ４　→　３Ｈ５　に対応する波長１．３μ
ｍ帯の輻射が可能になる。

【００１７】さらに、Ｐｒ３＋及びＰｍ３＋を共添加し
た光機能性ガラスに導入された波長０．７〜０．８μｍ
の励起光は、Ｐｍ３＋を励起して準位　５Ｉ４　から種
々の準位　３Ｋ、５Ｓへの電子遷移を発生させる。この
結果、エネルギー伝達によってＰｍ３＋の種々の準位　
３Ｋ、　５ＳからＰｒ３＋の準位　１Ｇ４　への電子の
遷移が生じ、Ｐｒ３＋の遷移　１Ｇ４　→　３Ｈ５　に
対応する波長１．３μｍ帯の輻射が可能になる。

【００１８】上記の仮説が適切なものであるかどうかは
不明である。いずれにせよ、本発明者の実験・検討によ
れば、ガラス中にＮｄ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋若しく
はＰｍ３＋又はこれらの組み合わせた第２の希土類イオ
ンを活性物質として共添加することにより、波長０．７
〜１．０μｍの励起光源を用いてＰｒ３＋の１．３μｍ
帯での発光・光増幅を可能にする有望なガラスが得られ
た。

【００１９】上記の光機能性ガラスは光伝送路用の素材
として用いられ、例えばこのガラスから形成した平面導
波路を備える導波路素子に形成してもよいが、上記の光
機能性ガラスからなるコアを備えた光ファイバを作製す
ることが、長尺の光伝送路を得る上では望ましく、また
波長１．３μｍ帯の光機能性装置を得る上でも望ましい
。即ち、上記ような光機能性ガラスは、これをコアとし
た光ファイバを作製することにより、ファイバレーザ、
ファイバ増幅器、ファイバ検出器等の光機能性装置への
応用が可能になる。

【００２０】上記光ファイバの具体的製法としては、２
重るつぼ法、ビルトインキャスティング法、ロッドイン
チューブ法等の公知の製法を利用することができる。さ
らに、石英系ガラスをＰｒ３＋等の活性物質のホストガ
ラスとする場合、ＶＡＤ法、ＭＣＶＤ法、ＯＶＤ法等の
製法を利用することができる。

【００２１】上記光ファイバの具体的構造としては、シ
ングルモードファイバとすることが望ましく、またコア
直径を５μｍ以下、比屈折率差を１％以上とすることが
望ましい。ただし、マルチモードファイバであっても用
途によっては使用できる。さらに、既存のファイバとの
接続を考えれば、コア直径を８μｍ程度、比屈折率差を
０．３％程度とすることも可能である。

【００２２】本発明のファイバ増幅器は、波長１．３μ
ｍ帯の信号光を伝搬する上記光ファイバと、Ｎｄ３＋等
の第２の希土類イオンを励起するため波長１．０μｍ以
下の励起光を発生するレーザ等の励起光源と、励起光を
励起光源から光ファイバ内に入射させるカプラ等の光学
手段とを備える。

【００２３】上記のファイバ増幅器によれば、光学手段
によりファイバ内に導入された波長１．０μｍ以下の励
起光によって第２の希土類イオンが励起され、さらにエ
ネルギー伝達によってＰｒ３＋も励起される。この励起
されたＰｒ３＋の一部又は多くは、これと同時に光ファ
イバ内に導入された波長１．３μｍ帯の信号光等に誘導
されて、放射光を発生し、波長１．３μｍ帯での光増幅
が可能になる。

【００２４】本発明のファイバレーザは、上記光ファイ
バと、励起光源と、光学手段とを備える。ここに、励起
光源は波長１．０μｍ以下の励起光を発生し、光学手段
は励起光を励起光源から光ファイバ内に入射させる。さ
らに、本発明のファイバレーザには、光ファイバ内から
の波長１．３μｍ帯又はその近傍の光を光ファイバにフ
ィードバックする共振器構造が形成されている。

【００２５】上記のファイバレーザよれば、光学手段に
よりファイバ内に導入された波長１．０μｍ以下の励起
光によって第２の希土類イオンが励起され、さらにエネ
ルギー伝達によってＰｒ３＋も励起される。この励起さ
れたＰｒ３＋の一部又は多くは、これと同時に光ファイ
バ内に導入された波長１．３μｍ帯の信号光等に誘導さ
れて、放射光を発生し、波長１．３μｍ帯でのレーザ発
光が可能になる。

【００２６】上記光ファイバを導波路素子に置き換えれ
ば、極めて小型の導波路素子増幅器、導波路素子レーザ
等を構成することもできる。

【００２７】また、上記光ファイバ又は導波路素子と適
当な励起光源とを組み合わせれば、光スイッチ等、各種
の光能動装置の実現が可能になる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００２９】まず、ＺｒＦ４　−ＢａＦ２　−ＬａＦ３
　−ＡｌＦ３　−ＮａＦ等の弗化物ガラスの原料を準備
し、これらと共にＰｒ３＋とＮｄ３＋等の第２の希土類
イオンとを適当な比率で混合・溶解し、光機能性ガラス
を作製した。 また、比較のためＰｒ３＋のみを添加した弗化物ガラス
も準備した。

【００３０】この光機能性ガラスの光増幅特性を評価す
るため、下記のようにしてファイバを作製した。まず、
上記の光機能性ガラスを棒状に成形し、コア用のガラス
ロッドとする。また、コア用のガラスロッドよりも屈折
率が低くなる組成でＮｄ３＋等の第２の希土類イオンの
みならず、Ｐｒ３＋も含まないクラッド用のガラスパイ
プを準備する。その後、これらガラスロッドとガラスパ
イプとをプリフォームに形成し、光ファイバに線引きし
た。 この結果、コア直径５μｍで外径１２５μｍのシングル
モードファイバが得られた。このシングルモードファイ
バは、測定のため適当な長さの光ファイバ試料に切り出
された。

【００３１】図２はこうして得られた光ファイバ３０を
拡大して示した図である。光ファイバ３０は、Ｐｒ３＋
とともにＮｄ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋等を添加したコ
ア３０ａと、コアよりも相対的に屈折率が低くＰｒ３＋
、Ｎｄ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋等の活性物質を添加し
ていないクラッド３０ｂとを備える。

【００３２】図３は、光ファイバ３０を用いた１．３μ
ｍ帯のファイバ増幅器の一構成例を示す。図に示すよう
に、ファイバ増幅器は波長１．３μｍ帯の信号光を増幅
する希土類元素を含んだファイバ３０と、波長０．７〜
１．０μｍの励起光を発生するレーザ光源３２と、この
励起光を励起光源３２から光ファイバ３０内に入射させ
るカプラ３３とを備える。ファイバ３８、３９の融着延
伸により形成したカプラ３３の一方の入力用ファイバ３
８ａには、波長１．３μｍ帯の信号光源３１が接続され
る。他方の入力用ファイバ３９ａには、上述のレーザ光
源３２が接続される。また、カプラ３３の一方の出力用
ファイバ３９ｂは、戻り光を防止するためにマッチング
オイル３７漬浸される。カプラ３３の他方の出力用ファ
イバ３９ａは、コネクタ等を介して光ファイバ３０に結
合され、信号光及び励起光を光ファイバ３０内に導く。 光ファイバ３０からの出力光は、励起光をカットするフ
ィルタ３６を介して光スペクトラムアナライザ３５に導
かれる。光スペクトラムアナライザ３５は、増幅された
信号光の強度、波長等を測定する。

【００３３】図３のファイバ増幅器の動作について簡単
に説明する。信号光源３１からの波長１．３μｍ帯の信
号光は、カプラ３３をへて光ファイバ３０内に入射する
。同時に、励起光源３２からの波長０．７〜１．０μｍ
の励起光もカプラ３３をへて光ファイバ３０内に入射す
る。この励起光は、Ｎｄ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋等の
活性物質を励起し、これからエネルギー伝達を受けたＰ
ｒ３＋をも励起する。励起されたＰｒ３＋は信号光に誘
導されて、遷移　１Ｇ４　→　３Ｈ５　に対応する波長
１．３μｍ帯の放射光を発生する。励起光が所定の強度
を超えると、信号光は増幅されることとなる。

【００３４】図３のファイバ増幅器で得られた測定結果
について説明する。

【００３５】（例１）光ファイバ３０として、そのコア
３０ａにＰｒ３＋を５００ｐｐｍ、Ｎｄ３＋を５００ｐ
ｐｍ添加したシングルモードファイバを準備した。その
比屈折率差は１．０％とし、その長さは１０ｍとした。 信号光源３１としては、波長１．３０μｍのＬＤを用い
た。 また、レーザ光源３２としては、波長０．８μｍ、パワ
ー１００ｍＷのＬＤを用いた。波長１．３０μｍの信号
光に対する利得は１５ｄＢであった。

【００３６】（例２）光ファイバ３０として、そのコア
３０ａにＰｒ３＋を１０００ｐｐｍ、Ｔｍ３＋を５００
０ｐｐｍ添加したシングルモードファイバを準備した。 その比屈折率差は１．０％とし、その長さは１０ｍとし
た。 信号光源３１としては（例１）と同様のものを使用した
。また、レーザ光源３２としては、波長０．７９μｍ、
パワー１００ｍＷのＬＤを用いた。波長１．３０μｍの
信号光に対する利得は１０ｄＢであった。

【００３７】（例３）光ファイバ３０として、そのコア
３０ａにＰｒ３＋とＴｍ３＋とを各１重量％添加したシ
ングルモードファイバを準備した。その比屈折率差は１
．０％とし、その長さは１ｍとした。信号光源３１とし
ては（例１）と同様のものを使用した。レーザ光源３２
としては、波長０．８９μｍ、パワー１００ｍＷのＬＤ
を用いた。波長１．３０μｍの信号光に対する利得は７
ｄＢであった。

【００３８】（比較例）光ファイバ３０として、そのコ
ア３０ａにＰｒ３＋のみを５００ｐｐｍ添加したシング
ルモードファイバを比較例として準備した。その比屈折
率差は１．０％とし、その長さは１０ｍとした。信号光
源３１としては（例１）と同様のものを使用した。レー
ザ光源３２としては、波長１．０１７μｍ、パワー７０
０ｍＷのＴｉ−サファイアレーザを用いた。波長１．３
０μｍの信号光に対する利得は１０ｄＢであった。

【００３９】以上の比較例から明らかなように、Ｐｒ３
＋のみを添加したシングルモードファイバでは大型、大
出力の光源を必要とし、Ｐｒ３＋と第２の希土類イオン
とを共添加したシングルモードファイバではこのような
大型、大出力の光源を必要としないことが分かる。

【００４０】図４は、導波路素子増幅器の実施例を示し
た図である。基板１２０上に２またに分岐する平面導波
路１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃを形成する。平面導波
路１３０ａにはＰｒ３＋とともにＮｄ３＋、Ｔｍ３＋、
Ｈｏ３＋等の活性物質が添加されている。平面導波路１
３０ａの他端には、グレーティングからなるフィルタ１
３６を形成してある。平面導波路１３０ｂには、波長１
．３μｍ帯の信号光を入射させる。また、平面導波路１
３０ｃには、波長０．７〜１．０μｍの励起光を入射さ
せる。レーザ光源としては、図３のものと同様のものを
用いる。

【００４１】図４のファイバ増幅器１００の動作につい
て簡単に説明する。波長１．３μｍ帯の信号光は平面導
波路１３０ｂをへて平面導波路１３０ａ内に入射し、Ｌ
Ｄ等の励起光源からの波長０．７〜１．０μｍの励起光
も平面導波路１３０ｃをへて平面導波路１３０ａ内に入
射する。励起光は、Ｎｄ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３＋等の
活性物質を励起し、さらにＰｒ３＋を励起する。励起さ
れたＰｒ３＋は信号光に誘導されて、遷移　１Ｇ４　→
　３Ｈ５　に対応する波長１．３μｍ帯の放射光を発生
する。励起光が所定の強度を超えると、信号光は増幅さ
れることとなる。

【００４２】第５図は、ファイバレーザの実施例を示し
た図である。このファイバレーザは、光ファイバ３０と
、レーザ光源３２と、光学手段３８とを備える。レーザ
光源３２として、波長０．７〜１．０μｍの励起光を発
生するＬＤを使用する。光学手段３８として、励起光を
レーザ光源３２から光ファイバ３０内に入射させるレン
ズ等を使用する。また、光ファイバの出力端を適当な鏡
面に仕上げ、この出力端とレーザダイオードの端面とで
共振器構造を形成する。この場合、励起光が入射する光
ファイバの入出力端を適当な鏡面に仕上げ、この入出力
端から共振器構造を形成してもよい。更に、共振器構造
を誘電体ミラー等を使用する通常のタイプのものとして
もよい。更に、リング状の共振器としたリングレーサを
形成することも可能である。

【００４３】上記のファイバレーザにおいて、レーザ光
源３２からの波長０．７〜１．０μｍの励起光は、光学
手段３８によって光ファイバ３０内に導入される。励起
光は、光ファイバ３０内のＮｄ３＋、Ｔｍ３＋、Ｈｏ３
＋等の第２の希土類イオンを励起し、さらにＰｒ３＋を
励起する。励起されたＰｒ３＋は１．３μｍの自然放出
光に誘導されて、遷移　１Ｇ４　→　３Ｈ５　に対応す
る波長１．３μｍ帯の放射光を発生する。励起光の出力
が所定値を超えると波長１．３μｍ帯でレーザ発振が生
じる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光機
能性ガラスによれば、Ｎｄ、Ｔｍ、Ｈｏ及びＰｍの内少
なくとも一種類の元素の存在により、Ｐｒを波長０．７
〜１．０μｍ帯の励起光で励起することができる。励起
されたＰｒの存在により、１．３μｍ帯での発光・光増
幅が可能になり、或いはその増幅効率を高めることがで
きる。更に、これを導波路、光ファイバ等に形成するこ
とにより、光増幅装置、レーザ等の光機能性装置に応用
できる。特に、ファイバに形成した場合、低閾値で高利
得のファイバ増幅器が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｐｒ等の希土類元素のエネルギー準位図を示し
た図である。

【図２】光ファイバの実施例を示した図である。

【図３】ファイバ増幅器の実施例を示した図である。

【図４】導波路素子増幅器の実施例を示した図である。

【図５】ファイバレーザの実施例を示した図である。

【符号の説明】

３０…光ファイバ ３０ａ…光ファイバのコア ３２…励起光源 ３３…光学手段であるカプラ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ホストガラスに、Ｐｒと、第２の希土
   類元素としてＮｄ、Ｔｍ、Ｈｏ及びＰｍの内少なくとも
   一種類の元素とを含むことを特徴とする光機能性ガラス
   。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の光機能性ガラスから
   なるコアを備えた光ファイバ。
3. 【請求項３】　　波長１．３μｍ帯の信号光を伝搬する
   請求項２記載の光ファイバと、前記第２の希土類元素を
   励起するため波長１．０μｍ以下の励起光を発生する励
   起光源と、該励起光を前記励起光源から前記光ファイバ
   内に入射させる光学手段と、を備えるファイバ増幅器。
4. 【請求項４】　　請求項２記載の光ファイバと、前記第
   ２の希土類元素を励起するため波長１．０μｍ以下の励
   起光を発生する励起光源と、該励起光を前記励起光源か
   ら前記光ファイバ内に入射させる光学手段とを備え、前
   記光ファイバ内からの波長１．３μｍ帯又はその近傍の
   光を前記光ファイバにフィードバックする共振器構造が
   形成されていることを特徴とするファイバレーザ。
5. 【請求項５】　　請求項１に記載の光機能性ガラスから
   なる平面導波路を備えた導波路素子。
6. 【請求項６】　　波長１．３μｍ帯の信号光を伝搬する
   請求項５記載の導波路素子と、前記第２の希土類元素を
   励起するため波長１．０μｍ以下の励起光を発生する励
   起光源と、該励起光を前記励起光源から前記導波路素子
   内に入射させる光学手段と、を備える導波路素子増幅器
   。
7. 【請求項７】　　請求項５記載の導波路素子と、前記第
   ２の希土類元素を励起するため波長１．０μｍ以下の励
   起光を発生する励起光源と、該励起光を前記励起光源か
   ら前記導波路素子内に入射させる光学手段とを備え、前
   記導波路素子内からの波長１．３μｍ帯又はその近傍の
   光を前記導波路素子にフィードバックする共振器構造が
   形成されていることを特徴とする導波路素子レーザ。
8. 【請求項８】　　請求項２に記載の光ファイバと前記第
   ２の希土類元素を励起するため波長１．０μｍ以下の励
   起光を発生する励起光源と、該励起光を前記励起光源か
   ら前記光ファイバ内に入射させる光学手段と、を備える
   光能動装置。
9. 【請求項９】　　請求項５に記載の導波路素子と、前記
   第２の希土類元素を励起するため波長１．０μｍ以下の
   励起光を発生する励起光源と、該励起光を前記励起光源
   から前記導波路素子に入射させる光学手段と、を備える
   光能動装置。