JPH0446034A - 機能性多成分ガラス、光ファイバ及びファイバ増幅器 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、酸化物系の機能性多成分ガラスに関するもの
で、例えば１．３μｍ帯光増幅に使用される。

〔従来の技術〕

希土類元素を添加した機能性多成分ガラスは、一般に１
．３１０±０．０２５μｍの範囲で行われる１、３μｍ
帯の光通信に使用する光ファイバ増幅器、光ファイバセ
ンサ等への応用が考えられている。例えば、このような
機能性多成分ガラスとして、酸化物系多成分ガラスをホ
ストガラスとし、これにネオジムイオン（Ｎｄ３“）を
活性物質として添加したものが既に知られている。具体
的には、ホストガラスである燐酸塩ガラスにＮｄ３”を
添加したガラスを準備し、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がな
されている（　ＥｌｅｅｔｒＯｎｌｅＳＬｅｔｔｅｒｓ
、ｖｏｌ、２Ｂ、Ｎｏ、２．Ｐ、１２１　）　ｏ　この
報告では、光ファイバの特性に関して、蛍光ピーク波長
１、　３２３μｍ５ＥＳＡ　（ｅＸｃｉｔｅｄ　５ｔａ
ｔｅａｂｓｏｒｐｕｔｉｏｎ　）　　ピーク波長１．３
１０μｍ、　レーザ発振ピーク波長１．　３６０μｍと
いう結果が得られたことが示されている。

〔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機能性多成分ガラスでは
、蛍光ピークが１．３２３μｍであっても、ＥＳＡ遷移
による吸収ピークがちょうど１．３１０μｍに存在する
ため、増幅ピーク波長が長波長側にシフトしてしまうの
みならず、１．３μｍ帯で利得が得られない。

そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、１．３μｍ帯で
光増幅を可能にする酸化物系の機能性多成分ガラスを提
供することを目的としている。

また、本発明は、上記機能性多成分ガラスを用０た光フ
ァイバを提供することを目的とする。

更に、本発明は、上記光ファイバを用いたファイバ増幅
器を提供することを目的とする。

〔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、Ｎｄ３＋を
活性物質として含む酸化物系の機能性多成分ガラスであ
って、１．３μｍ帯での光増幅を可能にするガラスを見
出した。

この機能性多成分ガラスにあっては、Ｎ　ｄ　３”Ｏ濃
度を１１００ｐｐ＋から２００００ｐｐｍとしている。

ホストガラス（マトリックスガラス）となる酸化物系の
機能性多成分ガラスとしては、Ｐ　２０５が５０　ｓｏ
１％以上含まれる燐酸塩ガラスの他、Ｂ２Ｏ３が５０ｓ
＋ｏ１％以上含まれる硼酸塩ガラス、５１０２が５０ｇ
ｏ１％以上含まれるアルミノ珪酸塩ガラス等の使用が好
ましいがこれに限定されるものではない。

本発明の機能性多成分ガラスによれば、Ｎｄ３＋の濃度
を１１００ｐｐから２００００ｐｐ園の範囲で変化させ
ることにより、Ｎｄ３＋の１．３μｍ近傍の蛍光スペク
トル及びＥＳＡスペクトルについて、その波長のシフト
又は強度の増減を起こさせることかできる。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
か、後述のように１４り明　し　ｔこ。

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。即ち、Ｎｄ３＋の１，３μｍ近傍の蛍光スペ
クトル及びＥＳＡスペクトルのこの様な変化は、Ｎ（］
３＋の受ける静電場等の配位子基の変化に起因するもの
と考えることが可能である。

つまり、Ｎｄ３”Ｏａ度の影響を受けて、その配位子基
の対称性、周囲酸素との共有結合性等が変化するものと
考えられる。この結果、Ｎ　ｄ　”４オンのエネルギー
準位が変動し、或いは、その縮退が解け、Ｎ　ｄ　””
４オンの輻射・吸収の遷移確率が変化し、更には、その
輻射・吸収のビーク波長がシフトするものと考えられる
。

以上のことは一つの仮説であるが、本発明者は、後に述
べる実施例及びこれに対する検討に基づき、この現象を
利用し又は制御して、Ｎｄ３＋添加ガラスの１．３μｍ
帯での増幅特性の向上を図ることとしたのである。以下
、第５図及び第６図に基づいて、このような現象の利用
について説明する。

第５図は、比較用のガラス試料に添加されたＮｄ３“の
エネルギー準位を示した図である。

比較用のガラス試料としては、Ｎｄ３＋をドープしたＺ
ｒ−Ｂａ−Ｌａ−Ａｌ−Ｎａ−Ｆガラスのフフイベを用
いた。図示のエネルギー準位は、このファイバを自記分
光光度計及び光スペクトルアナライザを用いて測定する
ことにより算出されたものである。この内の代表的な遷
移について説明する。約０，８０μｍの励起光により、
基底準位”９／２にある電子が準位　Ｆ　　に−旦励起
さ５／２ れ、フォノンを放出した後準位　Ｆ　　に遷移す３／２ る。このようなボンピングにより、準位４Ｆ３／２と　
　４１ １３／２との間に反転分布が形成されると、波長１．３
２μｍをピークとした発光が可能になる。

一方、準位　Ｆ　　に存在する電子は、波長３／２ １．３１μｍの光を吸収し、準位　Ｇ　　に励起７／２ される可能性もある。このため、このようなガラスでは
電子が準位　Ｆ　　にボンピングされても、３／２ 波長１．３２μｍで効率よく発光させることかできなく
なってしまう。このためレーザ利得も１゜３１μｍ帯で
は得られないこととなってしまつ口 比較用ガラス試料のこのような利得喪失を模式的に示し
たのが第６図（ａ）である。

水平線の上側の点線１ａは準位　Ｆ３／２から準し、水
平線の下側の点線２ａは準位　Ｆ　　から３／２ 準位　Ｇ　　への遷移による吸光スペクトルに対７／２ 応する。これらスペクトルのピークは、それぞれ波長１
．３２μｍと波長１．３１μｍとに存在する。これらの
強度が等しいと仮定して、平均値を求めると、実線３ａ
が与えられる。この実線３ａはこのガラスの光増幅の利
得の波長依存性に対応するものと考えられる。このよう
なモデルによって、波長１．３１μｍで利得が得られな
い事が説明され、これより長波長側で比較的大きな利得
が得られることが説明される。

本発明者はこのような仮定から、逆にＮ　ｄ　３１Ｄ吸
・発光のスペクトルを制御することにより、波長１．３
μｍ帯での光増幅を十分な利得を有するものにできるの
ではないかと考えた。ここで、例えば活性物質であるＮ
　ｄ　”（Ｆ）濃度を変化させることで、一方でＮｄ３
＋の周囲の配位子場を変化させることになり、他方でこ
の配位子場の中にあるＮ　ｄ　””０）エネルギー準位
も相対的に変化することになり、この結果、Ｎｄ３”（
７）吸・発光のスペクトルの特性を変化させることが可
能になるものと考えられる。

第６１Ｚ　（ｂ）〜（ｆ）により、このような着想につ
いて説明する。

第６図（ａ）の吸・発光スペクトルに対し、そのピーク
波長のみをシフトさせて１．３μｍ帯での利得を得る方
法を示したのが第６図（ｂ）、（Ｃ）である。第６図（
ｂ）は、吸光スペクトル２ｂのみを長波長側にシフトさ
せ、吸・発光のスペクトルｌｂ、２ｂの和である実線３
ｂに対応する利得特性のピークを１．３１μｍにシフト
させようというものである。第６図（ｃ）は、吸・発光
スペクトルｌｃ、２ｃともに短波長側にシフトさせ、吸
・発光のスペクトルｌｃ、２ｃの和である実線３Ｃに対
応する利得特性のピークを１．３１μｍにシフトさせよ
うというものである。

第６図（ａ）の吸・発光スペクトルに対し、そのピーク
強度を変化させて１．３μｍ帯での利得を得る方法を示
したのが第６図（ｄ）〜（ｆ、）である。第６図（ｄ）
は、吸・発光スペクトルｌｄ。

２ｄのピーク波長自体を変化させず、吸収・発光スペク
トル１ｄ、２ｄの相対強度のみを変化させたものである
。これにより、吸・発光のスペクトル１ｄ、２ｄの和で
ある実線３ｄに対応する利得特性のピーク波長はほとん
ど変化しないものの、波長１．３１μｍでも利得が得ら
れる。第６図（ｅ）は、吸・発光スペクトルｌｅ、２ｅ
のピーク波長を短波長側に移動させ、それらの相対強度
を変化させたものである。これにより、吸・発光のスペ
クトルｌｅ、２ｅの和である実線３ｅに対応する利得特
性のピーク波長は短波長側にシフトし、全体の利得も増
大し、１．３１μｍで大きな利得が得られる。第６図（
ｆ）は、吸・発光スペクトル１ｆ、２ｆのピーク波長を
長波長側に移動させ、それらの相対強度を大きく変化さ
せたものである。これにより、吸・発光のスペクトルＩ
ｆ。

２ｆの和である実線３ｆに対応する利得特性のピーク波
長は長波長側にシフトするか、全体の利得が増大するた
め、１３１μｍでも利得が得られる。

Ｎｄ”＋の濃度を酸化物系多成分ガラス中で変化させる
ことにより、第６図（ｂ）〜（ｆ）の現象のいずれが生
しているかは不明である。即ち、以下の実施例で得た増
幅ピーク特性からは、主に第６図（ｆ）の現象が生して
いるものと考えられるが、吸・発光スペクトルのシフト
が一様でないということを考慮すると、複合した現象が
生じている可能性もある。

配位子場的な考察からこのような吸・発光スペクトルの
変動現象を説明すると、カチオン（Ｎ　ｄ　’）はホス
トガラスの影響を受けてその電子軌道のエネルギー準位
が分裂又は変動することが考えられる。同時に、大きな
半径を有するカチオンの強い相互作用の影響を受けて、
周囲の原子の構造にも変化が生じることも考えられる。

この様な構造の変化がＮｄ３＋の添加量に応じて蓄積さ
れ、ホストガラスの形成する配位子場は非対称性を増減
させられ、或いはＮｄ−０結合の共有性に３＋４ 変化が生じ、Ｎｄ　　自体の　Ｆ　　準位及び３／２ ものと考えられる。更に、Ｎｄ”＋同士が会合して同様
の現象が生している可能性もある。したがって、Ｎ　ｄ
　３”ｆ：Ｉ）配位子場の変動現象は複合的であると考
えられ、そのメカニズムの詳細は不明であるが、いずれ
にせよ、本発明者の実験・検討によれば、Ｎｄ３”Ｏａ
＆を１００　　ｐｐｍから２００００ｐｐｍ、！：する
ことによりＮｄ３＋＋７）吸・発光スペクトルを変動さ
せることができ、波長１．３μｍ帯での光増幅を可能に
する有望なガラスが得られた。

上記の酸化物系機能性多成分ガラスは光伝送路用の素材
として用いられ、例えば平面導波路等に形成しても良い
が、上記の酸化物系機能性多成分ガラスからなるコアと
、該コアを取り囲み該コアより低い屈折率を有するクラ
ッドと、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い。

上記光ファイバは、具体的には下記のようにして作製さ
れる。まず、Ｎｄ”“添加の酸化物系機能性多成分ガラ
スをコアとするプリフォームをロッドインチューブ法等
により準備する。次に、準備したプリフォームを第２図
のような線引き装置にセットし、光ファイバに線引きす
る。第２図に示すように、プリフォーム１１は送り装置
１２に固定されて徐々に降下する。このとき、プリフォ
ーム１１はヒータ１３で加熱され、軟化して線引きが開
始される。線引きされたファイバ１０は、キャプスタン
１４を経由して、巻取ドラム１５に巻き取られる。こう
して得られた光ファイバ１０を拡大して示したのが第３
図である。光ファイバ１０は、Ｎｄ３′″を添加したコ
ア１０ａと、コア１０ａよりも相対的に屈折率が低くＮ
ｄ３＋が添加されていないクラッド層１０ｂとを備えて
いる。

上記のような酸化物系機能性多成分ガラスをコアとじｌ
：光ファイバ１こよれば、ファイバレーザ、ファイバ増
幅器、ファイバ検出器等への応用が可能になる。即ち、
コアガラスのＮｄ３）ａ度を１１００ｐｐから２０００
０ｐｐ１１としているため、１．３１μｍ帯でも光増幅
利得か得られる。更には、コアに光か効率的に閉し込め
られ、かっ、閉し込められた光のｌ員失が極めて低いこ
ととから、低閾値で反転分布を形成することができる。

したがって、高利１等の光増幅装置等への応用が可能に
なるのである。

更に、上記の光ファイバ１０は、一つの応用例として１
，３μｍ帯の光ファイバ増幅器に使用することかできる
。第４図に示すように、ファイバ増幅器は１．３μｍ帯
のレーザ光の導波路となるファイバ３０と、０．８μｍ
帯の励起光を発生するレーザ光源３２と、信号光を励起
光によって増幅するため、その励起光をレーザ光源から
光ファイバ内に入射させる光学手段３３とを備える。レ
ーザ光Ｒ３２からの励起光は、光学手段３３であるファ
イバカブラ等により、信号光源３１からの信号光と結合
される。結合された信号光及び励起光は、ファイバ３０
内にコネクタ等を介して導入される。

因みに、先ファイバ３０の出力側に設けられた０、８μ
ｍフィルタ３６は、励起光をカットするためのものであ
り、光スペクトラムアナライザ３５は、増幅された信号
光を淋］定するための装置である。マツチングオイル３
７は、融着延伸により形成されたファイバカプラ３３か
らの戻り光を防止するためのものである。

上記のような光ファイバと、レーザ光源及び光学手段と
を備えた１、３μｍＭのファイバ増幅器こよれば、光学
手段によりファイバ内に導入された０、８μｍのレーザ
光によってＮｄ３”が励起される。この励起されたＮｄ
”＋は、これと同時に光ファイバ内に導入された１、３
μｍ帯の信号光等に誘導されて、レーザ光を発生し、１
．３μｍ帯での光増幅が可能になる。

［実施例〕 以下、本発明の実施例について説明する。

まず、ホストガラス原料としてＮ　ａ　２　Ｑ　％Ａｌ
　　Ｏ及びＰ２Ｏ５を用意し、それぞれ１５：１５ニア
０の組成比となるように調合する。これに希土類元素Ｎ
ｄの酸化物であるＮｄ２Ｏ３を所定量添加し、白金ルツ
ボ中で溶融させる。Ｎｄ２Ｏの添加量は、Ｎ　ｄ　”０
：）濃度がホストガラスに対して、重量で５０．１００
．５０００．１００００．２００００．３００００ｐｐ
ｍとなるように調整する。溶融した原料は、十分な混合
が完了した後に、急冷処理し、ガラス化する。

この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、上記の組成のガラスを
棒状に成形し、コア用のガラスロッドとする。次に、こ
のガラスロッドと組成がほぼ等しく、屈折率がわずかに
低いガラスを溶融・成形し、クラッドバイブとする。ク
ラッドバイブのガラスにはＮｄ３”を添加していない。

これらのコアロッド及びクラッドバイブはロッドインチ
ューブ法によりプリフォームに形成され、第２図の装置
によって線引きすることでコア径６μｍで外径１２５μ
ｍの３Ｍファイバが得られた。この３Ｍファイバは、測
定のため１０ｍの長さのファイバ試料に切り出した。

このようなファイバ試料の特性の評価は、蛍光ピーク波
長、ＥＳＡビーク波長、増幅ピーク波長及び１，３μｍ
帯でのゲインを対象として、第３図のファイバ増幅器等
によって行った。結果は第１図の表に示す。

増幅ピーク及びゲインは、ファイバ増幅器の信号光源３
１及びレーザ光源３２をオンとして、光スペクトラムア
ナライザ３５でファイバ試料の蛍光を測定することによ
り得られた。ただし、第１図に示したゲインは１．３１
０μｍにおけるものである。レーザ光源３２としては、
励起波長が０．７８μｍで、励起出力が１０ｍＷのＴｉ
−サファイアレーザ（アルゴン励起）を用いた。入力信
号の強度は、−３０ｄＢｍとし、ピーク波長を１．３１
０μｍとした。ＥＳＡビーク波長は自記分光光度計でフ
ァイバ試料の吸収波長を求め、エネルギー波長を割り出
すことにより求めた。蛍光ピーク波長は信号光の入力を
オフとして、増幅ピクと同様に光スペクトラムアナライ
ザ３５を用いて測定することにより求めた。

１．３μｍ帯でのゲインに注目すると、Ｎｄ３＋の濃度
が１１００ｐｐ〜２００００ｐｐｍの範囲では、所定値
以上の利得が得られることかわかる。

１１００ｐｐ以下では活性イオンとなるＮｄ３＋が少な
く、高い効率の光増幅が行えないものと考えられる。他
方、２００００ｐｐｍ以上では、次第に増幅ピークが長
波長側に移動し、１．３１μｍで有効な利得が得られな
い。これは、Ｎｄ’イオンの濃度が増大し、イオンの配
位子基等に及ぼす影響が大きくなり過ぎ、大きな波長シ
フトが生じてしまうものと考えられる。この結果、波長
シフトの影響が遷移ｉｉｉの及ぼす影響よりも大きくな
り、十分な増幅が得られないものと考えられる。

本発明に係る光ファイバは、例えばファイバレーザ等の
装置にも応用することができる。

具体的には、ファイバレーザを、上記光ファイバと、レ
ーザ光源と、光学手段と、光共振器とを備えるように構
成する。ここに、レーザ光源は波長０．８μｍ帯の励起
光を発生する。また、光学１段は励起光をレーザ光源か
ら光ファイバ内に入射させる。さらに、光共振器は光フ
ァイバ内からの波長１．３μｍｆｆ１の放ヰｊ光を光フ
ァイバにフィードバックする。

ｌｔＥのようなファイバレーザによれば、光学手段によ
りファイバ内に導入された波長０．８μｍ帯のレーザ光
によってＮｄ”＋か励起される。この励起されたＮ　ｄ
　３”Ｏ一部は、光ファイバ内からの波長１，３μｍ帯
の放出光と、光りファイバ内にフィードバックされた波
長１．３μｍ帯の光とによって誘導され、波長１．３μ
ｍ帯の放出光を発生する。これを繰り返すことにより、
波長１，３μｍ帯でのレーザ発光が可能になる。

以下に、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Ｊ、Ｏｐｌｕ
ｓ　　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０．８μｍ帯の励起光を発生するレ
ーザダイオードを使用する。

レーザダイオードからの波長０．８μｍ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Ｎｄ３＋は
所定の状態に励起され、波長１．３μｍ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端面とは共振
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１．３μｍ帯て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。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の酸化物系の機能性多成分
ガラスによれば、励起光の存在により１．３μｍ帯での
発光が可能になる。更に、これを導波路、ファイバ等に
形成することにより、光増幅装置、レーザ等に応用でき
る。特に、ファイバに形成した場合、低閾値で高利得の
光増幅器か得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による酸化物系の多機能多成分ガラスの
実施例を示した図、第２図は本発明による酸化物系の多
機能多成分ガラスを使用したファイバの形成方法を示し
た図、第３図は特性評価に用いたファイバ試料を示した
図、第４図はファイバ試料の特性を評価するための装置
及び光増幅器の構成を示した図、第５図はＮ　ｄ　”宥
オンの励起準位の一例を示した図、第６図は１．３１０
μｍでのゲインについて説明した図である。 １０．３０・・・Ｎｄ３＋をドープしたガラスをコアと
する光ファイバ、３２・・・励起用のレーザ光源、３３
・・・光学手段であるカプラ。 代理人弁理士　　　長谷用　　芳　　樹Ｎｄ　　濃叉と μｍ肩苧で・めりパイン 第 図 にコアイノ＼′め＃−ｒｌ〒（１ 第 図 Ｎ（１１３丁イオンの励、刃シ＝、ダａ第５図 ３１μｍ ／Ｊ／、ａｍ％Ｔｆ）ｒ’インＩＣ’？ｕ）Ｔの３メト
、第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、波長１．３μｍ帯での光増幅のため、 Ｎｄ＾３＾＋を活性物質として含む酸化物系の機能性多
   成分ガラスであって、 Ｎｄ＾３＾＋の濃度が１００ｐｐｍから２００００ｐｐ
   ｍであることを特徴とする機能性多成分ガラス。 ２、請求項１に記載の機能性多成分ガラスからなるコア
   と、該コアを取り囲み該コアより低い屈折率を有するク
   ラッドと、を備えた光ファイバ。 ３、波長１．３μｍ帯の信号光を伝搬する請求項２の光
   ファイバと、波長０．８μｍ帯の励起光を発生するレー
   ザ光源と、前記信号光を前記励起光で増幅させるため、
   該励起光を前記レーザ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。