JPH04362905A - 光機能性ファイバ - 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、波長１．３μｍ帯、波
長１．５５μｍ帯又はその他の波長帯の光増幅装置、光
発振装置等に用いられる光機能性ファイバに関する。

【０００２】

【従来の技術】第３図は、従来の波長１．５５μｍ帯の
光増幅用ファイバの構造を示したものである。光増幅用
ファイバのコア及びクラッドの材料としては、一般に石
英系のガラスが使用される。また、コア全体には活性物
質としてＥｒ３＋が添加されている。クラッドとコアと
の比屈折率差はクラッドに弗素（Ｆ）を添加すること、
或いはコアにゲルマニウム（Ｇｅ）を添加することで生
じ、その値は一般に１．０％を超えない。例えば、すで
に報告された光増幅用ファイバのなかには、比屈折率差
が１．０％を超えるものも存在するが、３．０％を超え
るものは存在しない。しかもこのように比屈折率差が１
．０％を超える場合、コアのみに高屈折率化ドーパント
を添加している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この様な光増
幅用ファイバで、コア内で光エネルギーの分布は、その
光の波長域でファイバがシングルモードの条件をみたす
時、点線の様になる。このため、コア周辺の領域では、
添加されたＥｒ３＋による光損失の方が増大し、十分な
光増幅利得が得られていなかった。

【０００４】そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、希
土類元素若しくは遷移金属を活性物質としてコアに添加
した光機能性ファイバであって、活性物質等による損失
が少なく、光増幅効率の高い光機能性ファイバを提供す
ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明による第１の光機能性ファイバは、活性物質
として希土類元素若しくは遷移金属を添加したコアと、
コアを取り囲みコアよりも低い屈折率を有するクラッド
とを備える。ここに、クラッドは低屈折率化用のドーパ
ントをマトリックス材料に添加したものである。更に、
低屈折率化用のドーパントを添加したクラッドのうち最
も屈折率の低い部分と、マトリックス材料との比屈折率
差は少なくとも１．０％以上である。

【０００６】また、本発明による第２の光機能性ファイ
バも、活性物質として希土類元素若しくは遷移金属を添
加したコアと、コアを取り囲みコアよりも低い屈折率を
有するクラッドとを備える。ここに、コアは高屈折率化
用のドーパントをマトリックス材料に添加したものであ
る。更に、高屈折率化用のドーパントを添加したコアの
うち最も屈折率の高い部分と、マトリックス材料との比
屈折率差は少なくとも３．０％以上である。

【０００７】また、本発明による第３の光機能性ファイ
バも、活性物質として希土類元素若しくは遷移金属を添
加したコアと、コアを取り囲みコアよりも低い屈折率を
有するクラッドとを備える。ここに、コアは高屈折率化
用のドーパントをマトリックス材料に添加したものであ
り、クラッドは低屈折率化用のドーパントをマトリック
ス材料に添加したものである。更に、高屈折率化用のド
ーパントを添加したコアのうち最も屈折率の高い部分と
、低屈折率化用のドーパントを添加したクラッドのうち
最も屈折率の低い部分との比屈折率差は少なくとも２．
０％以上である。

【０００８】本発明による第１〜第３の光機能性ファイ
バにおいては、活性物質の濃度をコアの中心軸の近傍で
最も高くすることが望ましい。

【０００９】また、本発明による第１〜第３の光機能性
ファイバにおいては、活性物質の濃度をコアの中心軸の
近傍で最も高くすることに加え、活性物質をコアの断面
の一部の領域にのみ添加することが望ましい。ここに、
活性物質が添加されている領域の断面積はコア断面積の
０．０５乃至０．２５％とする。

【００１０】尚、上記第１〜第３の光機能性ファイバは
、シングルモードファイバとして用いることが望ましい
。

【００１１】

【作用】本発明による第１の光機能性ファイバによれば
、クラッドのうち最も屈折率の低い部分とマトリックス
材料との比屈折率差は少なくとも１．０％以上である。 このため、例えば光増幅のための励起光と光増幅の対象
となる信号光とを従来以上にコアに閉じ込めることがで
き、或いはコアを小径化することができ、活性物質、低
屈折率化用のドーパント、曲げ等による光損失を減少さ
せることができる。また、高屈折率化用のドーパントを
コアに添加して更に比屈折率差を増大させた場合を含め
、コア内の屈折率調整用ドーパントの濃度を比較的低く
維持できるので、高屈折率化用のドーパントによるコア
内での光損失も減少させることができる。

【００１２】本発明による第２の光機能性ファイバによ
れば、コアのうち最も屈折率の高い部分とマトリックス
材料との比屈折率差は少なくとも３．０％以上である。 このため、例えば光増幅のための励起光と光増幅の対象
となる信号光とを従来以上にコアに閉じ込めることがで
き、或いはコアを小径化することができ、活性物質等に
よる光損失を低下させることができる。

【００１３】本発明による第３の光機能性ファイバによ
れば、コアのうち最も屈折率の高い部分とクラッドのう
ち最も屈折率の低い部分との比屈折率差は少なくとも２
．０％以上である。このため、例えば光増幅のための励
起光と光増幅の対象となる信号光とを従来以上にコアに
閉じ込めることができ、或いはコアを小径化することが
でき、高屈折率化用ドーパント、活性物質等による光損
失を低下させることができる。

【００１４】また、第１〜第３の光機能性ファイバにお
いては、活性物質の濃度をコアの中心軸の近傍で最も高
くすることで、活性物質等による光損失を更に低下させ
ることができる。励起光及び信号光の波長域で、ファイ
バが例えばシングルモード条件をみたすとき、これらの
光は、コアの中心軸の近傍で最もエネルギー密度が高く
なるからである。

【００１５】また、第１〜第３の光機能性ファイバにお
いては、活性物質の濃度をコアの中心軸の近傍で最も高
くすることに加え、活性物質をコアの断面の一部の領域
（コア断面積の０．０５乃至０．２５％の断面積を有す
る領域）にのみ添加することすることで、活性物質等に
よる光損失をなお更に低下させることができる。

【００１６】更に、シングルモードファイバとして使用
するならば、同一波長の信号光に対してよりコアを小径
化できるので、活性物質自体による損失が少なくなる。

【００１７】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例を
説明する。

【００１８】図１は、実施例に係る光増幅用ファイバの
構造を示したものである。

【００１９】まず、図１（ａ）の光増幅用ファイバにつ
いて説明する。図の上側の屈折率分布に示すように、コ
ア及びクラッドの一方又はその双方には、屈折率調整用
のドーパントが添加されている。また、図１（ａ）の下
側に示すように、活性物質であるＥｒ３＋は、コア全体
に亙って一様に分布する。

【００２０】具体的な値は以下に示すが、高屈折率化用
のドーパントを添加したコアとマトリックス材料との比
屈折率差をΔ＋　で示し、低屈折率化用のドーパントを
添加したクラッドとマトリックス材料との比屈折率差を
Δ−　で示した。ここで、マトリックス材料としては石
英ガラスを使用した。また、高屈折率化用のドーパント
としてはゲルマニウムを使用し、低屈折率化用のドーパ
ントとしては弗素を使用した。

【００２１】図１（ａ）の光増幅用ファイバに対応する
試料として、４つのファイバ試料Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを準備
した。

【００２２】試料Ａの場合、比屈折率差Δ＋　を０％と
し、比屈折率差Δ−　を１．０％とした。また、Ｅｒ３
＋の濃度は２００ｐｐｍとした。ファイバ試料Ａの長さ
は３０ｍであり、そのコア径は５μｍであり、そのクラ
ッド径は１２５μｍである。

【００２３】試料Ｂの場合、比屈折率差Δ＋　を３．０
％とし、比屈折率差Δ−　を０％とした。また、コア径
が３．０μｍであることを除き、Ｅｒ３＋の濃度その他
の諸元は、ファイバ試料Ａと同様である。

【００２４】試料Ｃの場合、比屈折率差Δ＋　を１．０
％とし、比屈折率差Δ−　を１．０％とした。また、コ
ア径が３．７μｍであることを除き、Ｅｒ３＋の濃度そ
の他の諸元は、ファイバ試料Ａと同様である。

【００２５】試料Ｄの場合、比屈折率差Δ＋　を３．０
％とし、比屈折率差Δ−　を１．０％とした。また、コ
ア径が２．５μｍであることを除き、Ｅｒ３＋の濃度そ
の他の諸元は、ファイバ試料Ａと同様である。

【００２６】尚、比較試料として、比屈折率差Δ＋　が
０．７％で、比屈折率差Δ−　が０％のファイバ試料を
準備した。Ｅｒ３＋の濃度その他の諸元は、ファイバ試
料Ａと同様である。

【００２７】図１（ｂ）の光増幅用ファイバについて説
明する。図の上側の屈折率分布に示すように、コアのみ
に高屈折率化用のドーパントが添加されている。また、
図１（ｂ）の下側に示すように、活性物質として添加さ
れたＥｒ３＋は、コアの中心軸の近傍で最も濃度が高く
なる放物線状の分布を示す。

【００２８】図１（ｂ）に対応する試料として、ファイ
バ試料Ｅを準備した。試料Ｅの場合、比屈折率差Δ＋　
を３．０％とし、比屈折率差Δ−　を０％とした。また
、Ｅｒ３＋の濃度はコア全体の平均値で２００ｐｐｍと
した。 ファイバ試料Ｅの長さその他の諸元は、ファイバ試料Ａ
と同様である。

【００２９】図１（ｃ）の光増幅用ファイバについて説
明する。図の上側の屈折率分布に示すように、クラッド
のみに低屈折率化用のドーパントが添加されている。ま
た、図１（ｃ）の下側に示すように、活性物質として添
加されたＥｒ３＋は、コアの中心軸の近傍の限られた領
域に存在する。

【００３０】図１（ｃ）に対応する試料として、ファイ
バ試料Ｆを準備した。試料Ｆの場合、比屈折率差Δ−　
を１．０％とした。また、Ｅｒ３＋の濃度はコアの中心
軸の近傍のＥｒ３＋が存在する領域で２００ｐｐｍであ
る。ここに、活性物質が添加されている領域の断面はコ
ア断面の約０．１０％とした。ファイバ試料Ｆの長さそ
の他の諸元は、ファイバ試料Ａと同様である。

【００３１】図２は、信号光増幅度の測定系であり、図
１のファイバ試料Ａ〜Ｆの特性を評価するためのもので
ある。信号光源１１の右側には、光ファイバ１８ａの一
端が接続されており、この光ファイバ１８ａの他端はカ
プラの入力側に接続されている。また、励起光源である
レーザ光源１２の右側には、光ファイバ１９の一端が接
続されており、この光ファイバ１９の他端はカプラ１３
の入力側に接続されている。カプラ１３の右の出力側か
らは光ファイバ１８ｂが延び、その終端はコネクタ等を
介してファイバ試料１０の一端に接続されている。この
ファイバ試料１０の他端の出力側には光スペクトラムア
ナライザ１５が設けられており、これらの間にはフィル
タ１６が介在されている。

【００３２】レーザ光源１２は、波長１．４８μｍ帯の
励起光を出力する。この励起光は、光ファイバ１９を介
してカプラ１３に入射し、更に光ファイバ１８ｂを介し
てファイバ試料１０内に入射する。ここで、ファイバ試
料１０内に入射する励起光のエネルギーは１０ｍＷとし
た。ファイバ試料１０のコアには活性物質としてＥｒ３
＋が添加されているため、この励起光によって所定の状
態に励起されたＥｒ３＋は、波長１．５μｍ帯の発光が
可能な状態になる。

【００３３】信号光源１１から出力された波長１．５３
５μｍの信号光は、光ファイバ１８ａを介してファイバ
カプラ１３に入射する。カプラ１３に入射した信号光は
、レーザ光源１２からの励起光と結合されてファイバ試
料１０内に入射する。ここで、ファイバ試料１０内に入
射する信号光のエネルギーは１μＷとした。ファイバ試
料１０に入射した信号光は、発光可能に励起されたＥｒ
３＋を誘導して波長１．５３５μｍの誘導放出光を生じ
させる。

【００３４】ファイバ試料１０の出力側からは、励起光
と増幅された信号光とが出力されるが、これらのうち励
起光については，フィルタ１６にカットされる。このた
め、光スペクトラムアナライザ１５には増幅された信号
光のみが入射することとなり、Ｅｒ３＋を添加した各種
光ファイバによる光増幅の利得が測定できる。

【００３５】以下に図１のファイバ試料の光増幅利得の
測定結果について説明する。図１（ａ）に示すファイバ
試料Ａ〜Ｄで得られた光増幅利得は、それぞれ１３ｄＢ
、１７ｄＢ、１７ｄＢ及び２３ｄＢであった。また、比
較試料で得られた光増幅利得は１０ｄＢであった。この
結果から、コア及びクラッドの比屈折率差を増大させる
ことでコア径を減少させることができ、活性物質等によ
る損失が少なくすることができ、ファイバ試料の光増幅
利得を増大させることができることがわかる。また、ク
ラッドのみに低屈折率化ドーパントを加えたファイバ試
料Ａでは、コアにＧｅを加えた石英系ファイバに生ずる
Ｈ２　特性の劣化等が生じない。また、コア及びクラッ
ドに屈折率調整用のドーパントを加えたファイバ試料Ｄ
では、比屈折率差を４％程度に設定することができるた
め、光ファイバを高ＮＡ化することも可能である。また
、試料Ｂ及び試料Ｃの利得特性は一致するが、試料Ｃの
方がＧｅＯ２　の量を少なくしている分、Ｈ２　による
劣化が少い。

【００３６】図１（ｂ）に示すファイバ試料Ｅで得られ
た光増幅利得は２１ｄＢであった。この結果をファイバ
試料Ｂの光増幅利得と比較すると、活性物質であるＥｒ
３＋の濃度をコアの中心軸の近傍で最も高くすることで
、活性物質等による損失を少なくすることができ、ファ
イバ試料の光増幅利得を増大させることができることが
わかる。

【００３７】図１（ｃ）に示すファイバ試料Ｆで得られ
た光増幅利得は２０ｄＢであった。この結果をファイバ
試料Ａの光増幅利得と比較すると、活性物質であるＥｒ
３＋の濃度をコアの中心軸の近傍で最も高くしかつコア
の断面の一部の領域にのみ添加することで、活性物質等
による損失を少なくすることができ、ファイバ試料の光
増幅利得を増大させることができることがわかる。

【００３８】上記実施例では、光増幅用ファイバである
ファイバ試料のコア及びクラッドのマトリックス材料と
して、石英ガラスを使用したが、本発明はこれに限られ
るものではなく、例えば珪酸塩系ガラス、燐酸塩系ガラ
ス、弗化物系ガラス等の使用が可能である。

【００３９】また、上記実施例では屈折率調整用のドー
パントとしてＧｅ、Ｆを使用したが、例えばＰ２　Ｏ５
　、Ｂ２　Ｏ３　、Ａｌ２　Ｏ３　等のドーパントの使
用が可能である。

【００４０】更に、上記実施例では活性物質としてＥｒ
３＋を使用したが、他に可能なものとしてＮｄ３＋、Ｐ
ｒ３＋等のイオンが存在する。この場合、増幅すべき信
号光の波長及び励起光の波長は、一般に１．５μｍ帯と
はならない。

【００４１】更に、上記実施例ではＳＭファイバを作製
したが、マルチモードの光ファイバを作成しても良い。 信号光及び励起光をより狭い領域に閉じ込めることがで
きることには変わりないからである。

【００４２】以下に、本発明の光機能性ファイバを用い
たファイバレーザの実施例について説明する。具体的な
構成は、Ｅｒをドープした公知のファイバレーザと同様
である（「Ｅｒドープファイバー」、　　ｐｌｕｓ　　
Ｅ．１９９０年１月、ｐｐ．１１２〜１１８等参照。）
。ただし本実施例の場合、励起光源として、波長１．４
８μｍ帯の励起光を発生するレーザダイオードを使用す
る。

【００４３】レーザダイオードからの波長１．４８μｍ
帯の励起光は、レンズ等の適当な光学手段によって上記
実施例に示した光ファイバ内に導入される。光ファイバ
内のＥｒ３＋は所定の状態に励起され、波長１．５５μ
ｍ帯の発光が可能になる。ここで、ファイバの出力端を
鏡面に仕上げているため、この出力端とレーザダイオー
ドの鏡面とは共振器を構成する。この結果、励起光の出
力が所定値を超えると波長１．５５μｍ帯で効率のよい
レーザ発振が生じる。なお、共振器は、誘電体ミラー等
を使用するタイプのものであってもよい。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る第１
の光機能性ファイバによれば、活性物質、低屈折率化用
のドーパント等による光損失を減少させることができる
。なおかつ、高屈折率化用のドーパントによるコア内で
の光損失も減少させることができる。この結果、光増幅
利得、レーザ発振効率等が増大する。

【００４５】本発明による第２の光機能性ファイバによ
れば、活性物質等による光損失を低下させることができ
る。この結果、光増幅利得、レーザ発振効率等が増大す
る。

【００４６】本発明による第３の光機能性ファイバによ
れば、高屈折率化用ドーパント、活性物質等による光損
失を低下させることができる。この結果、光増幅利得、
レーザ発振効率等が増大する。

【００４７】また、第１乃至第３の光機能性ファイバに
おいては、活性物質の濃度をコアの中心軸の近傍で最も
高くすることで、活性物質等による光損失を更に低下さ
せることができる。この結果、更に光増幅利得、レーザ
発振効率等が増大する。

【００４８】また、第１乃至第３の光機能性ファイバに
おいては、活性物質の濃度をコアの中心軸の近傍で最も
高くすることに加え、活性物質をコアの断面の一部の領
域にのみ添加することすることで、活性物質等による光
損失をなお更に低下させることができる。この結果、な
お更に光増幅利得、レーザ発振効率等が増大する。

【００４９】更に、シングルモードファイバとして使用
するならば、シングルモードの条件を満たしたままでコ
ア径を減少させることができ、光増幅利得、レーザ発振
効率等の増大を可能にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１図は本発明による光増幅用ファイバの実施
例を示した図。

【図２】第２図は第１図の光増幅用ファイバの光増幅利
得を測定する装置の図である。

【図３】第３図は従来の光増幅用ファイバを示した図で
ある。

【符号の説明】

１０…光増幅用ファイバ。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　活性物質として希土類元素若しくは遷
   移金属を添加したコアと、該コアを取り囲み該コアより
   も低い屈折率を有するクラッドと、を備える光機能性フ
   ァイバであって、前記クラッドは、低屈折率化用のドー
   パントをマトリックス材料に添加したものであり、低屈
   折率化用のドーパントを添加したクラッドのうち最も屈
   折率の低い部分と、マトリックス材料との比屈折率差が
   少なくとも１．０％以上であることを特徴とする光機能
   性ファイバ。
2. 【請求項２】　　活性物質として希土類元素若しくは遷
   移金属を添加したコアと、該コアを取り囲み該コアより
   も低い屈折率を有するクラッドと、を備える光機能性フ
   ァイバであって、前記コアは、高屈折率化用のドーパン
   トをマトリックス材料に添加したものであり、高屈折率
   化用のドーパントを添加したコアのうち最も屈折率の高
   い部分と、マトリックス材料との比屈折率差が少なくと
   も３．０％以上であることを特徴とする光機能性ファイ
   バ。
3. 【請求項３】　　活性物質として希土類元素若しくは遷
   移金属を添加したコアと、該コアを取り囲み該コアより
   も低い屈折率を有するクラッドと、を備える光機能性フ
   ァイバであって、前記コアは、高屈折率化用のドーパン
   トをマトリックス材料に添加したものであり、前記クラ
   ッドは、低屈折率化用のドーパントをマトリックス材料
   に添加したものであり、高屈折率化用のドーパントを添
   加したコアのうち最も屈折率の高い部分と、低屈折率化
   用のドーパントを添加したクラッドのうち最も屈折率の
   低い部分と、の比屈折率差が少なくとも２．０％以上で
   あることを特徴とする光機能性ファイバ。
4. 【請求項４】　　請求項１乃至請求項３のいずれか一項
   に記載の光機能性ファイバであって、前記活性物質の濃
   度が、前記コアの中心軸の近傍で最も高くなっているこ
   とを特徴とする光機能性ファイバ。
5. 【請求項５】　　請求項４に記載の光機能性ファイバで
   あって、前記活性物質が、前記コアの断面の一部の領域
   にのみ添加されており、前記活性物質が添加されている
   該領域の断面積が、前記コア断面積の０．０５乃至０．
   ２５％であることを特徴とする光機能性ファイバ。
6. 【請求項６】　　シングルモードファイバであることを
   特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載
   の光機能性ファイバ。