JPH05206564A - 無水けい酸光ファイバ - Google Patents
無水けい酸光ファイバInfo
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- JPH05206564A JPH05206564A JP4213774A JP21377492A JPH05206564A JP H05206564 A JPH05206564 A JP H05206564A JP 4213774 A JP4213774 A JP 4213774A JP 21377492 A JP21377492 A JP 21377492A JP H05206564 A JPH05206564 A JP H05206564A
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- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
- H04B10/29—Repeaters
- H04B10/291—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form
- H04B10/2912—Repeaters in which processing or amplification is carried out without conversion of the main signal from optical form characterised by the medium used for amplification or processing
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
- H01S3/067—Fibre lasers
- H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
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- H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
- H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
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Abstract
(57)【要約】
【構成】準位が 4Ｉ13/2から 4Ｉ15/2へと遷移するとき
に放射を発生する濃度（約１，０００ｐｐｍ）のエルビ
ウムイオンと、準位が 2Ｆ7/2 の熱励起副準位から 2Ｆ
5/2 へ励起するときに放射を吸収しかつ準位が 2Ｆ5/2
から 2Ｆ7/2 へと逆遷移するときエルビウムイオンの準
位を 4Ｉ15/2から 4Ｉ11/2へ励起するような濃度（約３
０，０００ｐｐｍ）のイッテルビウムイオンと、エルビ
ウムイオンからイッテルビウムイオンへの逆遷移を減少
させるべくエルビウムイオンの 4Ｉ11/2から 4Ｉ13/2へ
の崩壊時間を短縮させる濃度（約１０モルパーセント）
の燐酸塩と、濃度約８モルパーセント以下のアルミナと
を備えている無水けい酸光ファイバ。 【効果】高効率かつ長寿命であり、高い小信号ゲイン及
び高い出力飽和パワーを有し、光ノイズが量子限界に近
い無水けい酸光ファイバを提供できる。
に放射を発生する濃度（約１，０００ｐｐｍ）のエルビ
ウムイオンと、準位が 2Ｆ7/2 の熱励起副準位から 2Ｆ
5/2 へ励起するときに放射を吸収しかつ準位が 2Ｆ5/2
から 2Ｆ7/2 へと逆遷移するときエルビウムイオンの準
位を 4Ｉ15/2から 4Ｉ11/2へ励起するような濃度（約３
０，０００ｐｐｍ）のイッテルビウムイオンと、エルビ
ウムイオンからイッテルビウムイオンへの逆遷移を減少
させるべくエルビウムイオンの 4Ｉ11/2から 4Ｉ13/2へ
の崩壊時間を短縮させる濃度（約１０モルパーセント）
の燐酸塩と、濃度約８モルパーセント以下のアルミナと
を備えている無水けい酸光ファイバ。 【効果】高効率かつ長寿命であり、高い小信号ゲイン及
び高い出力飽和パワーを有し、光ノイズが量子限界に近
い無水けい酸光ファイバを提供できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光増幅器（optical am
plifiers）及び源（sources)に関し、特にダイオードレ
ーザ源によりポンプされる増幅器及び源としてのエルビ
ウムファイバに関する。
plifiers）及び源（sources)に関し、特にダイオードレ
ーザ源によりポンプされる増幅器及び源としてのエルビ
ウムファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】光増幅器はファイバ光通信システムに用
いられることで大きな注目を集めている。光増幅器は、
高いゲイン、低いノイズ、混信及び相互変調ひずみが無
視できる、ビット率透過性、及び、偏光無感覚ゲインと
いう特性を有している。これらの特性が、ファイバ光シ
ステムにおいての増幅器として、光ファイバを半導体素
子よりも優れたものにしている。さらに、ファイバをベ
ースとした増幅器は、半導体素子のようにフォトンエネ
ルギを電気的エネルギに変換する必要がない。
いられることで大きな注目を集めている。光増幅器は、
高いゲイン、低いノイズ、混信及び相互変調ひずみが無
視できる、ビット率透過性、及び、偏光無感覚ゲインと
いう特性を有している。これらの特性が、ファイバ光シ
ステムにおいての増幅器として、光ファイバを半導体素
子よりも優れたものにしている。さらに、ファイバをベ
ースとした増幅器は、半導体素子のようにフォトンエネ
ルギを電気的エネルギに変換する必要がない。
【０００３】いかなる大きさの通信システムにおいて
も、長い通信路及びネットワークの分岐点を含む分配ネ
ットワークが一般的には存在している。このようなネッ
トワークにおいては、増幅器は、信号の振幅及び源と目
的地とを周回する全てのデータの一貫性を維持するため
に必要とされる。これら増幅器が正常に機能するために
は、高い小信号ゲイン（high small signal gains）及
び高い出力飽和パワー（high output saturation power
s）の存在が必要となる。
も、長い通信路及びネットワークの分岐点を含む分配ネ
ットワークが一般的には存在している。このようなネッ
トワークにおいては、増幅器は、信号の振幅及び源と目
的地とを周回する全てのデータの一貫性を維持するため
に必要とされる。これら増幅器が正常に機能するために
は、高い小信号ゲイン（high small signal gains）及
び高い出力飽和パワー（high output saturation power
s）の存在が必要となる。
【０００４】増幅器としてエルビウムドープ光ファイバ
を応用することは、このファイバの特性ゲインバンド幅
が通常ファイバ光通信システムに用いられる１．５μｍ
の第３遠隔通信ウィンドウ内にあるために近年大きな注
目をされている。エルビウムファイバ増幅器システムの
設計についての近年の努力は、小信号ゲインの効率及び
比較的質の高い光出力を有する長寿命ポンプ源の使用可
能性の両方に関して、エルビウムをポンピングするため
の最適な波長を供給することに焦点を置いたものであっ
た。ダイオードレーザは、その電光変換効率の高さ、長
寿命及び小型さのためにポンピング源として興味をもた
れていた。こういった特性のために、レーザダイオード
は最も商業的に有用なポンプ源であると一般的には考え
られていた。
を応用することは、このファイバの特性ゲインバンド幅
が通常ファイバ光通信システムに用いられる１．５μｍ
の第３遠隔通信ウィンドウ内にあるために近年大きな注
目をされている。エルビウムファイバ増幅器システムの
設計についての近年の努力は、小信号ゲインの効率及び
比較的質の高い光出力を有する長寿命ポンプ源の使用可
能性の両方に関して、エルビウムをポンピングするため
の最適な波長を供給することに焦点を置いたものであっ
た。ダイオードレーザは、その電光変換効率の高さ、長
寿命及び小型さのためにポンピング源として興味をもた
れていた。こういった特性のために、レーザダイオード
は最も商業的に有用なポンプ源であると一般的には考え
られていた。
【０００５】多くの波長及びポンプ源が、エルビウムド
ープファイバ内のエルビウムをダイレクトポンピングす
るために試された。たとえば、代表的なゲイン効率が、
９８０ｎｍ（４ｄＢ／ｍＷ）、１４８０ｎｍ（２．５ｄ
Ｂ／ｍＷ）、５３２ｎｍ（１．５ｄＢ／ｍＷ）、６６０
ｎｍ（０．５ｄＢ／ｍＷ）、８０７ｎｍ（０．２ｄＢ／
ｍＷ）といったポンプ波長で試された。９８０又は１４
８０ｎｍ波長でのエルビウムのダイレクトポンピング
は、現在では最も一般的なものであり、かつ、これらの
どちらのポンプ波長もダイオードレーザにより直接的に
提供されるものである。
ープファイバ内のエルビウムをダイレクトポンピングす
るために試された。たとえば、代表的なゲイン効率が、
９８０ｎｍ（４ｄＢ／ｍＷ）、１４８０ｎｍ（２．５ｄ
Ｂ／ｍＷ）、５３２ｎｍ（１．５ｄＢ／ｍＷ）、６６０
ｎｍ（０．５ｄＢ／ｍＷ）、８０７ｎｍ（０．２ｄＢ／
ｍＷ）といったポンプ波長で試された。９８０又は１４
８０ｎｍ波長でのエルビウムのダイレクトポンピング
は、現在では最も一般的なものであり、かつ、これらの
どちらのポンプ波長もダイオードレーザにより直接的に
提供されるものである。
【０００６】ゲイン効率に関して言うと、９８０ｎｍ波
長でエルビウムドープファイバをダイレクトポンピング
することが最も魅力的であるが、この波長の存在するダ
イオードレーザが限られており、かつ、この波長でのひ
ずみ層ＩｎＧａＡｓダイオードの寿命に関する重大な問
題が未だ解決されていない。そこで、９８０ｎｍ波長で
のポンピングの代わりに、エルビウム増幅器は、１５５
０バンドの端である１４８０ｎｍでＩｎＧａＡｓＰダイ
オードレーザによりポンプされた。１４８０ｎｍにおけ
るポンピングのゲイン効率は９８０ｎｍにおけるポンピ
ング程に高くないが、１４８０ｎｍにおけるポンプダイ
オードは９８０ｎｍにおけるダイオードよりも長い寿命
を持っていることが最近実証された。さらに、１４８０
ｎｍにおけるポンピングには他の利点がある。その一つ
は、ポンプ波長が信号波長に近いために、効率的なゲイ
ンを達成するために必要な条件であるポンピング波長に
おけるエルビウムファイバの単一モードオペレーション
を保証することが容易であることである。また、１４８
０ｎｍでのポンピングのゲインプロフィール（特性）
は、波長多重分割（wavelength division multiplying
: ＷＤＭ）のためにも９８０ｎｍでのポンピングのゲ
インプロフィールよりも有利である。逆に、１４８０ｎ
ｍでポンプされるエルビウムファイバ増幅器のノイズ特
性は、反転パラメータが低値であるために９８０ｎｍで
ポンプされる増幅器よりも本質的に悪いものである。
長でエルビウムドープファイバをダイレクトポンピング
することが最も魅力的であるが、この波長の存在するダ
イオードレーザが限られており、かつ、この波長でのひ
ずみ層ＩｎＧａＡｓダイオードの寿命に関する重大な問
題が未だ解決されていない。そこで、９８０ｎｍ波長で
のポンピングの代わりに、エルビウム増幅器は、１５５
０バンドの端である１４８０ｎｍでＩｎＧａＡｓＰダイ
オードレーザによりポンプされた。１４８０ｎｍにおけ
るポンピングのゲイン効率は９８０ｎｍにおけるポンピ
ング程に高くないが、１４８０ｎｍにおけるポンプダイ
オードは９８０ｎｍにおけるダイオードよりも長い寿命
を持っていることが最近実証された。さらに、１４８０
ｎｍにおけるポンピングには他の利点がある。その一つ
は、ポンプ波長が信号波長に近いために、効率的なゲイ
ンを達成するために必要な条件であるポンピング波長に
おけるエルビウムファイバの単一モードオペレーション
を保証することが容易であることである。また、１４８
０ｎｍでのポンピングのゲインプロフィール（特性）
は、波長多重分割（wavelength division multiplying
: ＷＤＭ）のためにも９８０ｎｍでのポンピングのゲ
インプロフィールよりも有利である。逆に、１４８０ｎ
ｍでポンプされるエルビウムファイバ増幅器のノイズ特
性は、反転パラメータが低値であるために９８０ｎｍで
ポンプされる増幅器よりも本質的に悪いものである。
【０００７】高い小信号ゲイン効率及び長寿命を有して
おりかつ飽和出力が比較的低いままであるエルビウムド
ープファイバ増幅器を提供するという目的のための試み
は、ある程度は成功している（ベーカー（R.Baker ）に
よる“Physics World ”、４１〜４４ページ、１９９０
年３月）。ファイバのパワー飽和出力は、一般的には、
小信号ゲインを３ｄＢ（デシベル）だけ減少させる出力
パワー（ｄＢｍ）として与えられるものである。一般
に、ファイバは、パワー出力（たとえば、フォトン密
度）が広範囲にわたって維持されている安定な小信号ゲ
インによって特徴付けられるものである。ファイバの入
力信号のパワーが増加すると、出力信号は飽和状態に達
し、いかに入力信号のパワーを増加させようと小信号ゲ
インは減少することになる。
おりかつ飽和出力が比較的低いままであるエルビウムド
ープファイバ増幅器を提供するという目的のための試み
は、ある程度は成功している（ベーカー（R.Baker ）に
よる“Physics World ”、４１〜４４ページ、１９９０
年３月）。ファイバのパワー飽和出力は、一般的には、
小信号ゲインを３ｄＢ（デシベル）だけ減少させる出力
パワー（ｄＢｍ）として与えられるものである。一般
に、ファイバは、パワー出力（たとえば、フォトン密
度）が広範囲にわたって維持されている安定な小信号ゲ
インによって特徴付けられるものである。ファイバの入
力信号のパワーが増加すると、出力信号は飽和状態に達
し、いかに入力信号のパワーを増加させようと小信号ゲ
インは減少することになる。
【０００８】エルビウムドープファイバのパワー飽和レ
ベルを増加させるために、５３２ｎｍ波長におけるポン
ピングが大きな注目を集めたが、それは、高出力パワー
及び高質空間モードの周波数２倍ダイオードポンプＮ
ｄ：ＹＡＧレーザ（リゲッチ等（A.Righetti et al. ）
による Electr. Lett.、26(5) 、３３０ページ、１９９
０年）の存在のためである。しかしながら、周波数２倍
ダイオードポンプレーザをベースとした如何なるエルビ
ウム増幅器システムにしてもその全体効率（たとえば、
電子−フォトン変換の場合）はかなり低いものであり
（たとえば、基底波長に対しては１５％であるが５３２
ｎｍに対し２％）、反復的な使用は実現不可能である。
ベルを増加させるために、５３２ｎｍ波長におけるポン
ピングが大きな注目を集めたが、それは、高出力パワー
及び高質空間モードの周波数２倍ダイオードポンプＮ
ｄ：ＹＡＧレーザ（リゲッチ等（A.Righetti et al. ）
による Electr. Lett.、26(5) 、３３０ページ、１９９
０年）の存在のためである。しかしながら、周波数２倍
ダイオードポンプレーザをベースとした如何なるエルビ
ウム増幅器システムにしてもその全体効率（たとえば、
電子−フォトン変換の場合）はかなり低いものであり
（たとえば、基底波長に対しては１５％であるが５３２
ｎｍに対し２％）、反復的な使用は実現不可能である。
【０００９】８０８ｎｍのレーザダイオードは広範に存
在するが、エルビウムファイバ増幅器のポンプのために
使用することは、増幅器の効率をかなり制限することに
なる８０７ｎｍでのエルビウムの強い励起状態吸収（Ｅ
ＳＡ）のために、一般的には困難である。つまり、エル
ビウムファイバの８０７ｎｍポンプバンドにおける強い
ＥＳＡの結果として、わずかなゲインのみが観測される
ことになる（たとえば、ホワイトリー（T.J.Whitely ）
による“Laser Diode Pumped Operation of Er3+-Doped
Fibre Amplifiers ”、 Electron.Lett.、１９８８年、
Ｎｏ．２４；１５３７ページでは６ｄＢ）。
在するが、エルビウムファイバ増幅器のポンプのために
使用することは、増幅器の効率をかなり制限することに
なる８０７ｎｍでのエルビウムの強い励起状態吸収（Ｅ
ＳＡ）のために、一般的には困難である。つまり、エル
ビウムファイバの８０７ｎｍポンプバンドにおける強い
ＥＳＡの結果として、わずかなゲインのみが観測される
ことになる（たとえば、ホワイトリー（T.J.Whitely ）
による“Laser Diode Pumped Operation of Er3+-Doped
Fibre Amplifiers ”、 Electron.Lett.、１９８８年、
Ｎｏ．２４；１５３７ページでは６ｄＢ）。
【００１０】イッテルビウム−エルビウムをコドープ
（co-doped）した燐酸塩ガラスロッドをベースとしたレ
ーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの１０６４ｎｍ出力によっ
てポンプされていた（ハンナ等（Hanna et al.）による
“A 1.54μm Er Glass Laser Pumped By A 1.064μm N
d:YAG Laser”、Optics Communications ；Ｖｏｌ．６
３、Ｎｏ．６、４１７〜４２０ページ、１９８７年９月
１５日）。ハンナ等は、上記コドープ燐酸塩ガラスロッ
ドが、通信システムにおいて１５４０ｎｍの源として使
用するのに適当なゲイン及び効率を有するレーザを発す
ることを示す実験結果を報告している。
（co-doped）した燐酸塩ガラスロッドをベースとしたレ
ーザは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザの１０６４ｎｍ出力によっ
てポンプされていた（ハンナ等（Hanna et al.）による
“A 1.54μm Er Glass Laser Pumped By A 1.064μm N
d:YAG Laser”、Optics Communications ；Ｖｏｌ．６
３、Ｎｏ．６、４１７〜４２０ページ、１９８７年９月
１５日）。ハンナ等は、上記コドープ燐酸塩ガラスロッ
ドが、通信システムにおいて１５４０ｎｍの源として使
用するのに適当なゲイン及び効率を有するレーザを発す
ることを示す実験結果を報告している。
【００１１】ハンナ等は、単一モードコドープイッテル
ビウム−エルビウムファイバが、低パワーＮｄ：ＹＡＧ
レーザ（ダイオードによりポンプされる）によるポンピ
ングと互換性のある低いレーザ発振のしきい値を提供す
るために、イッテルビウム−エルビウムコドープ燐酸塩
ロッドに取って変わるであろうことを予測している。上
記ファイバの低しきい値特性は、ハンナ等にとっては、
ポンピング効率を増加させ、かつ、低パワーＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザがコドープエルビウムガラスレーザにとっての
適当な効率特性を維持したままでポンプ源として使用で
きることを可能にする彼らの実験にかかるレーザのひと
つの変更例であると考えられていた。しかしながら、す
べての大型レーザガラスがそうであるように、ハンナ等
によって測定された上記コドープエルビウムガラスロッ
ドレーザの単一パス（一回の通過）でのゲインは低いも
のであり、それゆえ、このコドープガラスが高いゲイン
及び／又は高い出力飽和パワーを提供するために光増幅
器のファイバに満足に用いられる、ということは示唆さ
れていない。
ビウム−エルビウムファイバが、低パワーＮｄ：ＹＡＧ
レーザ（ダイオードによりポンプされる）によるポンピ
ングと互換性のある低いレーザ発振のしきい値を提供す
るために、イッテルビウム−エルビウムコドープ燐酸塩
ロッドに取って変わるであろうことを予測している。上
記ファイバの低しきい値特性は、ハンナ等にとっては、
ポンピング効率を増加させ、かつ、低パワーＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザがコドープエルビウムガラスレーザにとっての
適当な効率特性を維持したままでポンプ源として使用で
きることを可能にする彼らの実験にかかるレーザのひと
つの変更例であると考えられていた。しかしながら、す
べての大型レーザガラスがそうであるように、ハンナ等
によって測定された上記コドープエルビウムガラスロッ
ドレーザの単一パス（一回の通過）でのゲインは低いも
のであり、それゆえ、このコドープガラスが高いゲイン
及び／又は高い出力飽和パワーを提供するために光増幅
器のファイバに満足に用いられる、ということは示唆さ
れていない。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の主たる目的
は、簡単に用意のできる８０８ｎｍレーザダイオードに
よって間接的にポンプされ得る増幅器又は源に用いられ
るのに適しており、こういった素子によってポンプされ
る従来からある増幅器又は源よりも非常に大きいパワー
飽和出力を生成するエルビウムガラス光ファイバを提供
することである。さらに、これに関連して、小信号ゲイ
ンが実質的に従来の最良のエルビウムガラス光増幅器の
ものと同程度であるという特性を有する光増幅器を提供
することも本発明の目的のひとつである。
は、簡単に用意のできる８０８ｎｍレーザダイオードに
よって間接的にポンプされ得る増幅器又は源に用いられ
るのに適しており、こういった素子によってポンプされ
る従来からある増幅器又は源よりも非常に大きいパワー
飽和出力を生成するエルビウムガラス光ファイバを提供
することである。さらに、これに関連して、小信号ゲイ
ンが実質的に従来の最良のエルビウムガラス光増幅器の
ものと同程度であるという特性を有する光増幅器を提供
することも本発明の目的のひとつである。
【００１３】本発明の更なる目的は、特にファイバ光通
信ネットワークの分野でのように一般に高いパワーでの
アプリケーションに適当な、高効率かつ長寿命なエルビ
ウムガラス光増幅器を提供することである。
信ネットワークの分野でのように一般に高いパワーでの
アプリケーションに適当な、高効率かつ長寿命なエルビ
ウムガラス光増幅器を提供することである。
【００１４】本発明の他の目的は、量子限界或いはそれ
に近い光ノイズ値（比）を有するエルビウムガラス光増
幅器を提供することである。
に近い光ノイズ値（比）を有するエルビウムガラス光増
幅器を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明は、Ｙｂ3+又はＦ
ｅ3+／Ｆｅ2+のような増感剤の広い吸収バンドにポンプ
するための高パワーであってかつダイオードポンプされ
るＮｄ3+レーザの使用のために、コドープ光ファイバ内
のＥｒ3+へのしかる後のエネルギ転送を提供するもので
ある。Ｎｄ3+レーザの特性は周知である。つまり、比較
的効率がよく、回折限界出力を提供するものである。さ
らに、Ｎｄ3+レーザは周知であって広範に用いられてい
る素子であるから、信頼性が高い。Ｎｄ3+レーザは、そ
の回折限界出力特性のために、単一モード光ファイバに
高いパワーをカップリング（結合）するための源として
非常に適当なものである。
ｅ3+／Ｆｅ2+のような増感剤の広い吸収バンドにポンプ
するための高パワーであってかつダイオードポンプされ
るＮｄ3+レーザの使用のために、コドープ光ファイバ内
のＥｒ3+へのしかる後のエネルギ転送を提供するもので
ある。Ｎｄ3+レーザの特性は周知である。つまり、比較
的効率がよく、回折限界出力を提供するものである。さ
らに、Ｎｄ3+レーザは周知であって広範に用いられてい
る素子であるから、信頼性が高い。Ｎｄ3+レーザは、そ
の回折限界出力特性のために、単一モード光ファイバに
高いパワーをカップリング（結合）するための源として
非常に適当なものである。
【００１６】また、８０８ｎｍバンドで稼働するダイオ
ードレーザについては周知である。このダイオードレー
ザは、信頼性が高く、効率が良く、さらに高いパワー出
力を提供することができるものである。しかしながら、
これらダイオードからの出力は、回折限界ではなく、一
般には単一モードファイバへのカップリングについての
特性が悪い。近頃、マルチストライプダイオードレーザ
アレイからＮｄ3+レーザへの効率の良いカップリングが
実現されるようになった。これに関して、サイプス（Si
pes ）は、米国特許４，７１０，９４０号において、レ
ーザダイオードアレイのマルチモード出力によってポン
プされる高効率で単一モードのＮｄ：ＹＡＧレーザを開
示している。サイプスの特許で開示された効率の良いカ
ップリングを用いて、発明者は、商業的に入手可能なダ
イオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザポンプ源からの３０
０ｍＷまでのパワー（いかなる直接的な（ダイレクト）
ダイオードレーザ源で得られるよりも実質的に大量であ
る）を、単一モード光ファイバにカップリングした。
ードレーザについては周知である。このダイオードレー
ザは、信頼性が高く、効率が良く、さらに高いパワー出
力を提供することができるものである。しかしながら、
これらダイオードからの出力は、回折限界ではなく、一
般には単一モードファイバへのカップリングについての
特性が悪い。近頃、マルチストライプダイオードレーザ
アレイからＮｄ3+レーザへの効率の良いカップリングが
実現されるようになった。これに関して、サイプス（Si
pes ）は、米国特許４，７１０，９４０号において、レ
ーザダイオードアレイのマルチモード出力によってポン
プされる高効率で単一モードのＮｄ：ＹＡＧレーザを開
示している。サイプスの特許で開示された効率の良いカ
ップリングを用いて、発明者は、商業的に入手可能なダ
イオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザポンプ源からの３０
０ｍＷまでのパワー（いかなる直接的な（ダイレクト）
ダイオードレーザ源で得られるよりも実質的に大量であ
る）を、単一モード光ファイバにカップリングした。
【００１７】本発明においては、効率が高くかつダイオ
ードポンプされるＮｄ3+レーザは、イッテルビウム及び
エルビウムをドープされた単一モードファイバをポンプ
し、数百ミリワットのパワー（ダイオードレーザでファ
イバをダイレクトポンピングすることによって可能なも
のよりも大きなパワー）をファイバにカップリングす
る。エルビウムファイバ増幅器の出力飽和パワーは（フ
ァイバの限界特性よりも）ポンプ源から得られるパワー
の関数であるから、ダイオードポンプＮｄ3+レーザによ
り提供される高パワーポンピングはファイバの出力飽和
パワーをより大きくすることになるが、このことは、フ
ァイバ光通信ネットワークのようなパワー増幅器へのア
プリケーションにとって主たる利点である。
ードポンプされるＮｄ3+レーザは、イッテルビウム及び
エルビウムをドープされた単一モードファイバをポンプ
し、数百ミリワットのパワー（ダイオードレーザでファ
イバをダイレクトポンピングすることによって可能なも
のよりも大きなパワー）をファイバにカップリングす
る。エルビウムファイバ増幅器の出力飽和パワーは（フ
ァイバの限界特性よりも）ポンプ源から得られるパワー
の関数であるから、ダイオードポンプＮｄ3+レーザによ
り提供される高パワーポンピングはファイバの出力飽和
パワーをより大きくすることになるが、このことは、フ
ァイバ光通信ネットワークのようなパワー増幅器へのア
プリケーションにとって主たる利点である。
【００１８】エルビウムファイバをイッテルビウム又は
鉄でコドープすることによる増感は、イッテルビウム又
は鉄の強く広い吸収がエルビウムの比較的狭く弱い吸収
バンドを補うという利益を有している。コドープによっ
てポンプ源の波長感受性が劇的に減少するので、エルビ
ウムの励起状態吸収（ＥＳＡ）バンド以外でのファイバ
のポンピングが可能となる。もしエルビウムが増感され
たファイバ内においてほぼ完全に反転分布させられるの
であれば、ノイズ値を量子限界である３ｄＢに近づける
ことが可能であろう。
鉄でコドープすることによる増感は、イッテルビウム又
は鉄の強く広い吸収がエルビウムの比較的狭く弱い吸収
バンドを補うという利益を有している。コドープによっ
てポンプ源の波長感受性が劇的に減少するので、エルビ
ウムの励起状態吸収（ＥＳＡ）バンド以外でのファイバ
のポンピングが可能となる。もしエルビウムが増感され
たファイバ内においてほぼ完全に反転分布させられるの
であれば、ノイズ値を量子限界である３ｄＢに近づける
ことが可能であろう。
【００１９】減少した波長感受性及びコドープにより達
成された減少したＥＳＡの利益は、無水けい酸（silici
c ）ファイバにおいては、イッテルビウムからエルビウ
ムへのエネルギ遷移の限定された効率、並びに、エルビ
ウムの 4Ｉ11/2状態からのエネルギの逆遷移によって差
し引かれる。しかしながら、燐酸塩をベースとしたガラ
スにおいては、イッテルビウムからエルビウムへのエネ
ルギ遷移はより効率的であることが示されている。した
がって、エルビウムからイッテルビウムへのエネルギの
逆遷移率は、燐酸塩をベースとしたガラスにおいては劇
的に減少される。これは、燐酸塩をベースとしたガラス
ではエルビウム 4Ｉ11/2状態の寿命が無水けい酸ガラス
のそれの３０分の１以下であるためであって、それゆ
え、エネルギの逆遷移の確率が減少するのである。以上
に述べた観点から、ファイバは、イッテルビウム−エル
ビウムをコドープした単一モードのファイバであって、
燐酸塩をベースとしたガラス、化学蒸着（ＣＶＤ）工程
により製造されたリン又はホウ素をドープした無水けい
酸ガラス、或いは、Ｅｒの4 Ｉ13/2準安定寿命を実質的
に維持する一方でＥｒの 4Ｉ11/2寿命を最短にする他の
主及び／又は選択的ドープ材のいずれかからなるもので
あることが好ましい。また、以上に述べた観点から、フ
ァイバは、イッテルビウム−エルビウムをコドープした
単一モードのファイバであって、燐酸塩をベースとした
ガラス、化学蒸着（ＣＶＤ）工程により製造された燐酸
塩又はホウ酸塩をドープした無水けい酸ガラス、或い
は、Ｅｒの4Ｉ13/2準安定寿命を実質的に維持する一方
でＥｒの 4Ｉ11/2寿命を最短にする他の主及び／又は選
択的ドープ材のいずれかからなるものであることが好ま
しい。
成された減少したＥＳＡの利益は、無水けい酸（silici
c ）ファイバにおいては、イッテルビウムからエルビウ
ムへのエネルギ遷移の限定された効率、並びに、エルビ
ウムの 4Ｉ11/2状態からのエネルギの逆遷移によって差
し引かれる。しかしながら、燐酸塩をベースとしたガラ
スにおいては、イッテルビウムからエルビウムへのエネ
ルギ遷移はより効率的であることが示されている。した
がって、エルビウムからイッテルビウムへのエネルギの
逆遷移率は、燐酸塩をベースとしたガラスにおいては劇
的に減少される。これは、燐酸塩をベースとしたガラス
ではエルビウム 4Ｉ11/2状態の寿命が無水けい酸ガラス
のそれの３０分の１以下であるためであって、それゆ
え、エネルギの逆遷移の確率が減少するのである。以上
に述べた観点から、ファイバは、イッテルビウム−エル
ビウムをコドープした単一モードのファイバであって、
燐酸塩をベースとしたガラス、化学蒸着（ＣＶＤ）工程
により製造されたリン又はホウ素をドープした無水けい
酸ガラス、或いは、Ｅｒの4 Ｉ13/2準安定寿命を実質的
に維持する一方でＥｒの 4Ｉ11/2寿命を最短にする他の
主及び／又は選択的ドープ材のいずれかからなるもので
あることが好ましい。また、以上に述べた観点から、フ
ァイバは、イッテルビウム−エルビウムをコドープした
単一モードのファイバであって、燐酸塩をベースとした
ガラス、化学蒸着（ＣＶＤ）工程により製造された燐酸
塩又はホウ酸塩をドープした無水けい酸ガラス、或い
は、Ｅｒの4Ｉ13/2準安定寿命を実質的に維持する一方
でＥｒの 4Ｉ11/2寿命を最短にする他の主及び／又は選
択的ドープ材のいずれかからなるものであることが好ま
しい。
【００２０】しかしながら、燐酸塩ドープ無水けい酸
（silicic ）ガラスファイバは、容易に溶融継ぎ（fusi
on spliced）され、ほぼ同じ屈折率を有しているため
に、境界での逆反射を無視することができる。燐酸塩を
ベースとしたファイバはこのような互換性を有していな
い。さらに、無水けい酸をベースとしたファイバに用い
られる変形ＣＶＤ法によって燐酸塩ガラスファイバを製
造することは実用的ではない。また、変形ＣＶＤ法によ
って製造された燐酸塩ドープ無水けい酸ガラスファイバ
は、ロッド−イン−チューブ法によって製造された燐酸
塩ガラスファイバよりも低損失という特徴をもちやす
い。また、開口数のようなファイバのパラメータは、変
形ＣＶＤ法を用いたほうが制御しやすい。以上に述べた
観点から、ファイバは、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって
製造された燐酸塩ドープ無水けい酸ガラスを備えるイッ
テルビウムエルビウムコドープ単一モードファイバか、
ロッド−イン−チューブ法によって製造された燐酸塩ガ
ラスを備えるイッテルビウムエルビウムコドープ単一モ
ードファイバか、或いは、他の基材及び／又はＥｒの 4
Ｉ13/2準安定寿命を実質的に保持しＥｒの 4Ｉ11/2寿命
を最小化するように選択されたドープ材である。
（silicic ）ガラスファイバは、容易に溶融継ぎ（fusi
on spliced）され、ほぼ同じ屈折率を有しているため
に、境界での逆反射を無視することができる。燐酸塩を
ベースとしたファイバはこのような互換性を有していな
い。さらに、無水けい酸をベースとしたファイバに用い
られる変形ＣＶＤ法によって燐酸塩ガラスファイバを製
造することは実用的ではない。また、変形ＣＶＤ法によ
って製造された燐酸塩ドープ無水けい酸ガラスファイバ
は、ロッド−イン−チューブ法によって製造された燐酸
塩ガラスファイバよりも低損失という特徴をもちやす
い。また、開口数のようなファイバのパラメータは、変
形ＣＶＤ法を用いたほうが制御しやすい。以上に述べた
観点から、ファイバは、化学蒸着（ＣＶＤ）法によって
製造された燐酸塩ドープ無水けい酸ガラスを備えるイッ
テルビウムエルビウムコドープ単一モードファイバか、
ロッド−イン−チューブ法によって製造された燐酸塩ガ
ラスを備えるイッテルビウムエルビウムコドープ単一モ
ードファイバか、或いは、他の基材及び／又はＥｒの 4
Ｉ13/2準安定寿命を実質的に保持しＥｒの 4Ｉ11/2寿命
を最小化するように選択されたドープ材である。
【００２１】
【実施例】図１には、本発明に従って作られた光増幅器
２５を組み込んだ典型的光通信システムが示されてい
る。図１に２つの分配スター（distribution stars）１
３、１５が描かれているが、これらはそれぞれが入力光
信号をＮ本のファイバ光分岐１７に分配するものであ
る。各分岐１７はその先にレシーバを有しており、ファ
イバによって運ばれた信号の光処理又はこの信号の電気
信号への変換を行う。後者の一例としてはケーブルテレ
ビシステムがあるが、このシステムにおいては、レシー
バ１９は光信号を電気信号へ変換し、その信号が各レシ
ーバに接続されたＣＲＴモニタによって受信される。
２５を組み込んだ典型的光通信システムが示されてい
る。図１に２つの分配スター（distribution stars）１
３、１５が描かれているが、これらはそれぞれが入力光
信号をＮ本のファイバ光分岐１７に分配するものであ
る。各分岐１７はその先にレシーバを有しており、ファ
イバによって運ばれた信号の光処理又はこの信号の電気
信号への変換を行う。後者の一例としてはケーブルテレ
ビシステムがあるが、このシステムにおいては、レシー
バ１９は光信号を電気信号へ変換し、その信号が各レシ
ーバに接続されたＣＲＴモニタによって受信される。
【００２２】図１の通信システムにおいては、１５３５
ｎｍの特定周波数の光信号が、ケーブルテレビオペレー
タのような転送源２０に供給される。システムの主伝送
線２１及び２３は、約１．５μｍの第３遠隔通信窓にお
ける低損失転送のために設計された従来の光ファイバケ
ーブルである。
ｎｍの特定周波数の光信号が、ケーブルテレビオペレー
タのような転送源２０に供給される。システムの主伝送
線２１及び２３は、約１．５μｍの第３遠隔通信窓にお
ける低損失転送のために設計された従来の光ファイバケ
ーブルである。
【００２３】現在、商業的に用いられているファイバ光
学システムでは、光信号は、この信号が分配される前に
増幅する必要があることから、スター１３及び１５のよ
うな通信ノード（結合点）並びにノード間において電気
信号に変換されなければならない。もし信号が増幅され
なければ、ノードの分岐において受信される信号は多く
の場合に受け入れがたいほどに弱いものとなる。たとえ
ば、ケーブルテレビシステムにおいて、加入者の自宅に
あるレシーバに直接信号を分配する通信ノードは、有効
な電気信号に変換するために十分なパワーを有していな
ければならない。このことは、光信号は、フォトダイオ
ードによって安定した高い信号−ノイズ比で受信される
ために十分に強いものである必要があることを意味す
る。マルチチャンネルアナログＣＡＴＶシステムにおい
て、フォトダイオードを信頼性高く動作させるために必
要とされるパワーは、比較的高いものであり、入力とし
て強い光信号が要求される。それゆえ、光ファイバを用
いるこういったタイプの通信システムは、ノードを通っ
て分岐する前の信号を増幅するために、光信号を通信ノ
ードにおいて電気信号に変換することを要求される。さ
らに、もし増幅された信号を運ぶ分岐のうちのひとつが
光ファイバであるならば、この信号は転送を可能とする
ために再び光信号に変換されなければならない。このよ
うな信号の変換は、多くの直列（in-line ）増幅器のた
めに、システムノードを複雑、高価、非効率かつノイズ
を生じるものとする。
学システムでは、光信号は、この信号が分配される前に
増幅する必要があることから、スター１３及び１５のよ
うな通信ノード（結合点）並びにノード間において電気
信号に変換されなければならない。もし信号が増幅され
なければ、ノードの分岐において受信される信号は多く
の場合に受け入れがたいほどに弱いものとなる。たとえ
ば、ケーブルテレビシステムにおいて、加入者の自宅に
あるレシーバに直接信号を分配する通信ノードは、有効
な電気信号に変換するために十分なパワーを有していな
ければならない。このことは、光信号は、フォトダイオ
ードによって安定した高い信号−ノイズ比で受信される
ために十分に強いものである必要があることを意味す
る。マルチチャンネルアナログＣＡＴＶシステムにおい
て、フォトダイオードを信頼性高く動作させるために必
要とされるパワーは、比較的高いものであり、入力とし
て強い光信号が要求される。それゆえ、光ファイバを用
いるこういったタイプの通信システムは、ノードを通っ
て分岐する前の信号を増幅するために、光信号を通信ノ
ードにおいて電気信号に変換することを要求される。さ
らに、もし増幅された信号を運ぶ分岐のうちのひとつが
光ファイバであるならば、この信号は転送を可能とする
ために再び光信号に変換されなければならない。このよ
うな信号の変換は、多くの直列（in-line ）増幅器のた
めに、システムノードを複雑、高価、非効率かつノイズ
を生じるものとする。
【００２４】図１の通信システムにおいて、分配スター
１３及び１５は、米国メリーランド州グレンバーニー
（Glen Burnie ）のゴールド社（Gould Inc.）の製造に
よる１×Ｎスプリッタのような全光学的ノード（all-op
tical nodes ）である。分配スターは、今日の商業的通
信システムにおいて通常用いられているものではない。
従来、スターへの入力信号のパワーを十分に増進させる
ことのできる光増幅器が存在していなかったために、各
出力光信号はフォトダイオードを作動させるのに十分な
パワーを維持したままとなっている。
１３及び１５は、米国メリーランド州グレンバーニー
（Glen Burnie ）のゴールド社（Gould Inc.）の製造に
よる１×Ｎスプリッタのような全光学的ノード（all-op
tical nodes ）である。分配スターは、今日の商業的通
信システムにおいて通常用いられているものではない。
従来、スターへの入力信号のパワーを十分に増進させる
ことのできる光増幅器が存在していなかったために、各
出力光信号はフォトダイオードを作動させるのに十分な
パワーを維持したままとなっている。
【００２５】図１の光通信システムにおいて、本発明に
よって製造された高パワーかつ高ゲインの光増幅器２５
は、高パワー光信号を各分配スター１３及び１５に供給
するためにシステム内の有効な場所におかれ、これによ
って、システムが信号をその目的地に到達するまで光信
号として維持することを可能にする。増幅器２５は、ネ
オジム（Ｎｄ）レーザロッド（高エネルギ光出力を提供
する少なくともひとつのレーザダイオードによってポン
プされる）によってポンプされる増幅ファイバを含んで
いる。上記ファイバは、単一モードの光信号を増幅する
ために大きさを決められた、内側コア及び外側クラッデ
ィングを有している。内側コアのガラスは、エルビウム
（Ｅｒ3+）、及び、イッテルビウム（Ｙｂ3+）又は鉄
（Ｆｅ3+又はＦｅ2+）のような増感剤をドープされてい
る。また、上記ファイバは、端部ポンプされ、光フィー
ドバックが最小であることを保証するようにファイバを
維持するためにその端部が結合される。
よって製造された高パワーかつ高ゲインの光増幅器２５
は、高パワー光信号を各分配スター１３及び１５に供給
するためにシステム内の有効な場所におかれ、これによ
って、システムが信号をその目的地に到達するまで光信
号として維持することを可能にする。増幅器２５は、ネ
オジム（Ｎｄ）レーザロッド（高エネルギ光出力を提供
する少なくともひとつのレーザダイオードによってポン
プされる）によってポンプされる増幅ファイバを含んで
いる。上記ファイバは、単一モードの光信号を増幅する
ために大きさを決められた、内側コア及び外側クラッデ
ィングを有している。内側コアのガラスは、エルビウム
（Ｅｒ3+）、及び、イッテルビウム（Ｙｂ3+）又は鉄
（Ｆｅ3+又はＦｅ2+）のような増感剤をドープされてい
る。また、上記ファイバは、端部ポンプされ、光フィー
ドバックが最小であることを保証するようにファイバを
維持するためにその端部が結合される。
【００２６】図２を参照すると、本発明に従ったガラス
ファイバは、エルビウム（Ｅｒ3+）及びイッテルビウム
（Ｙｂ3+）がコドープされている。このファイバは、
１．０６μｍポンプ放射を吸収する。吸収された放射
は、Ｙｂ3+イオンを、 2Ｆ7/2 量子レベル（準位）の最
高サブレベル（副準位）からその 2Ｆ5.2 量子レベルへ
励起する。次に、Ｙｂ3+の 2Ｆ5/2 量子レベルからＥｒ
3+の 4Ｉ11/2量子レベルへの非放射遷移が起こることに
よって、Ｙｂ3+イオンは 2Ｆ7/2 レベルへ戻る。そし
て、Ｅｒ3+イオンは、Ｅｒ3+の 4Ｉ11/2量子レベルから
Ｅｒ3+の準安定 4Ｉ13/2量子レベルへの非放射崩壊が起
こることによって、エネルギーを解放する。さらに、Ｅ
ｒ3+イオンは、準安定 4Ｉ13/2量子レベルから 4Ｉ15/2
であるＥｒ3+の基底レベルへの増幅放射が起こることに
よって、増幅輻射を提供する。
ファイバは、エルビウム（Ｅｒ3+）及びイッテルビウム
（Ｙｂ3+）がコドープされている。このファイバは、
１．０６μｍポンプ放射を吸収する。吸収された放射
は、Ｙｂ3+イオンを、 2Ｆ7/2 量子レベル（準位）の最
高サブレベル（副準位）からその 2Ｆ5.2 量子レベルへ
励起する。次に、Ｙｂ3+の 2Ｆ5/2 量子レベルからＥｒ
3+の 4Ｉ11/2量子レベルへの非放射遷移が起こることに
よって、Ｙｂ3+イオンは 2Ｆ7/2 レベルへ戻る。そし
て、Ｅｒ3+イオンは、Ｅｒ3+の 4Ｉ11/2量子レベルから
Ｅｒ3+の準安定 4Ｉ13/2量子レベルへの非放射崩壊が起
こることによって、エネルギーを解放する。さらに、Ｅ
ｒ3+イオンは、準安定 4Ｉ13/2量子レベルから 4Ｉ15/2
であるＥｒ3+の基底レベルへの増幅放射が起こることに
よって、増幅輻射を提供する。
【００２７】Ｙｂ3+及びＥｒ3+をドープしたガラスファ
イバにおいて、８０７ｎｍ及び９８０ｎｍにおけるＥｒ
3+の狭くかつ比較的弱い吸収バンドは、９６０ｎｍに中
心をもつＹｂ3+の強くかつ広い吸収に取って代わられ
る。Ｙｂ3+はＥｒ3+よりもダイレクトポンプされ易いた
めに、Ｅｒ3+ファイバにＹｂ3+をコドープすることによ
って、もしＥｒ3+がダイレクトポンプされたならばそう
なったであろうほどにポンプ源の波長に鋭敏ではなくな
る。また、Ｅｒ3+ファイバにＹｂ3+をコドープすること
によって、ファイバが、Ｅｒ3+の強い励起状態吸収（Ｅ
ＳＡ）の範囲以外にポンプされることを可能にする。本
発明によると、コドープファイバのためのポンプ源は、
Ｙｂ3+によって吸収されその後Ｅｒ3+に移される１．０
６μｍの放射を供給する。ポンプ源の１．０６μｍ放射
はＥｒ3+の 4Ｉ13/2準安定量子レベルから 4Ｆ9/2量子
レベルへとダイレクト吸収され得るために、いくつかの
ＥＳＡはファイバが上述のようにポンプされるときに起
こり得る。しかしながら、Ｅｒ3+による１．０６μｍで
のＥＳＡは強くなく、ポンプ源から１．５４μｍでのレ
ーザ放射へのエネルギ転送の効率は高いものである。
イバにおいて、８０７ｎｍ及び９８０ｎｍにおけるＥｒ
3+の狭くかつ比較的弱い吸収バンドは、９６０ｎｍに中
心をもつＹｂ3+の強くかつ広い吸収に取って代わられ
る。Ｙｂ3+はＥｒ3+よりもダイレクトポンプされ易いた
めに、Ｅｒ3+ファイバにＹｂ3+をコドープすることによ
って、もしＥｒ3+がダイレクトポンプされたならばそう
なったであろうほどにポンプ源の波長に鋭敏ではなくな
る。また、Ｅｒ3+ファイバにＹｂ3+をコドープすること
によって、ファイバが、Ｅｒ3+の強い励起状態吸収（Ｅ
ＳＡ）の範囲以外にポンプされることを可能にする。本
発明によると、コドープファイバのためのポンプ源は、
Ｙｂ3+によって吸収されその後Ｅｒ3+に移される１．０
６μｍの放射を供給する。ポンプ源の１．０６μｍ放射
はＥｒ3+の 4Ｉ13/2準安定量子レベルから 4Ｆ9/2量子
レベルへとダイレクト吸収され得るために、いくつかの
ＥＳＡはファイバが上述のようにポンプされるときに起
こり得る。しかしながら、Ｅｒ3+による１．０６μｍで
のＥＳＡは強くなく、ポンプ源から１．５４μｍでのレ
ーザ放射へのエネルギ転送の効率は高いものである。
【００２８】過去においては、コドープされたＥｒ3+／
Ｙｂ3+ファイバは、たいていの場合無水けい酸をベース
としたものであった。しかしながら、 4Ｉ11/2レベルか
ら 2Ｆ5/2 レベルへのエネルギの逆遷移により引き起こ
されるＹｂ3+の 2Ｆ5/2 レベルからＥｒ3+の 4Ｉ11/2へ
のエネルギ遷移の限定された効率のために、このような
無水けい酸をベースとしたファイバは商業的応用にはあ
まり興味を引かないものであった。Ｙｂ3+からＥｒ3+へ
のエネルギ遷移の限定された効率のために、コドープさ
れたＥｒ3+／Ｙｂ3+ファイバは、Ｅｒ3+のみをドープし
たファイバよりもパフォーマンスにおいて劣るものであ
って、強いＥＳＡが起こる８０８ｎｍにおいてダイレク
トポンプされるものであると信じられていた。しかしな
がら、Ｙｂ3+からＥｒ3+へのエネルギ遷移は無水けい酸
内よりも燐酸塩をベースとしたガラス内においてより効
率が高いことが認識されるに至った（アルテーメフ（E.
F.Artem'ev）による“Sov.J.Quantum Electron”１１
（９）、１２６６ページ、１９８１年）。特に、Ｅｒ3+
からＹｂ3+への逆遷移率は無水けい酸に較べて燐酸塩内
では大幅に減少するが、これは、燐酸塩基内のＥｒ3+の
4Ｉ11/2状態の寿命が無水けい酸内よりも３０倍も短い
ためであり、そのため、エネルギの逆遷移の確率は減少
するのである。
Ｙｂ3+ファイバは、たいていの場合無水けい酸をベース
としたものであった。しかしながら、 4Ｉ11/2レベルか
ら 2Ｆ5/2 レベルへのエネルギの逆遷移により引き起こ
されるＹｂ3+の 2Ｆ5/2 レベルからＥｒ3+の 4Ｉ11/2へ
のエネルギ遷移の限定された効率のために、このような
無水けい酸をベースとしたファイバは商業的応用にはあ
まり興味を引かないものであった。Ｙｂ3+からＥｒ3+へ
のエネルギ遷移の限定された効率のために、コドープさ
れたＥｒ3+／Ｙｂ3+ファイバは、Ｅｒ3+のみをドープし
たファイバよりもパフォーマンスにおいて劣るものであ
って、強いＥＳＡが起こる８０８ｎｍにおいてダイレク
トポンプされるものであると信じられていた。しかしな
がら、Ｙｂ3+からＥｒ3+へのエネルギ遷移は無水けい酸
内よりも燐酸塩をベースとしたガラス内においてより効
率が高いことが認識されるに至った（アルテーメフ（E.
F.Artem'ev）による“Sov.J.Quantum Electron”１１
（９）、１２６６ページ、１９８１年）。特に、Ｅｒ3+
からＹｂ3+への逆遷移率は無水けい酸に較べて燐酸塩内
では大幅に減少するが、これは、燐酸塩基内のＥｒ3+の
4Ｉ11/2状態の寿命が無水けい酸内よりも３０倍も短い
ためであり、そのため、エネルギの逆遷移の確率は減少
するのである。
【００２９】本発明者は、スコットガラス社（Schott G
lass：米国ペンシルバニア州ダーリア(Duryea)）に、図
３の光ファイバ２７の製造に当たりクラッディング材と
して用いられる非ドープ燐酸塩ガラスと共に、Ｅｒ／Ｙ
ｂ燐酸塩ガラスの注文混合材を作るように依頼した。こ
のガラス混合は、水がエルビウムの 4Ｉ13/2状態の効果
的な消光材（quencher）であるような厳格な乾燥状態の
もとで行われる必要がある。ファイバ２７のコア２９に
おいて、ベースとなるガラスは、１２重量％のＹｂ3+と
数重量％幅のＥｒ3+とをドープされたスコットＬＧ−７
５０（カリウム−バリウム−アルミニウム燐酸塩ガラ
ス）である。ファイバのクラッディング３１のガラスも
またＬＧ−７５０をベースとしたガラス（希土類イオン
をドープしていない）であって、膨張率がわずかにドー
プされたコアガラスよりも大きく、ガラス軟化点がほぼ
同様であり、屈折率が約０．６％小さいものである。
lass：米国ペンシルバニア州ダーリア(Duryea)）に、図
３の光ファイバ２７の製造に当たりクラッディング材と
して用いられる非ドープ燐酸塩ガラスと共に、Ｅｒ／Ｙ
ｂ燐酸塩ガラスの注文混合材を作るように依頼した。こ
のガラス混合は、水がエルビウムの 4Ｉ13/2状態の効果
的な消光材（quencher）であるような厳格な乾燥状態の
もとで行われる必要がある。ファイバ２７のコア２９に
おいて、ベースとなるガラスは、１２重量％のＹｂ3+と
数重量％幅のＥｒ3+とをドープされたスコットＬＧ−７
５０（カリウム−バリウム−アルミニウム燐酸塩ガラ
ス）である。ファイバのクラッディング３１のガラスも
またＬＧ−７５０をベースとしたガラス（希土類イオン
をドープしていない）であって、膨張率がわずかにドー
プされたコアガラスよりも大きく、ガラス軟化点がほぼ
同様であり、屈折率が約０．６％小さいものである。
【００３０】クラッディングガラスの膨張率はコアのそ
れよりも大きいことが好ましく、そのためコアは光ファ
イバの冷却中は圧縮される。このことは２つのガラス間
の低損失なインターフェイスを実現するものである。ク
ラッディングガラスの屈折率、それゆえファイバの開口
数は、ファイバのパフォーマンス性を最大にするため
に、サンプル内のＢａ、Ｋ及びＮａ構成要素の比率を変
化させることによって正確に調節される。スコットＬＧ
−７５０ガラスの正確な構成を決定するために、コア２
９及びクラッディング３１のガラスサンプルが、その一
部をリチウム溶剤（flux）と共に用いる解析のために準
備される。その後、この解析の結果得られた溶材は希薄
硝酸に溶かされる。溶液は、帰納的結合プラズマ原子放
射（通常ＩＣＰといわれる）を用いた従来の放射計測に
よって解析される。上記サンプルのスペクトル線放射か
ら、２つのガラスの主、従及びトレース成分が決定され
る。上記解析からえられたデータは以下の表１に示され
る。 ［表１］ 各元素の重量％ サンプル Ｐ Ｂａ Ａｌ Ｋ Ｎａ Ｃａ Ｙｂ Ｅｒ クラッディング 22.5 19.5 5.0 8.2 0.18 <0.005 0.097 <0.001 コア 23.0 11.6 3.2 8.5 0.48 <0.005 10.9 0.12
れよりも大きいことが好ましく、そのためコアは光ファ
イバの冷却中は圧縮される。このことは２つのガラス間
の低損失なインターフェイスを実現するものである。ク
ラッディングガラスの屈折率、それゆえファイバの開口
数は、ファイバのパフォーマンス性を最大にするため
に、サンプル内のＢａ、Ｋ及びＮａ構成要素の比率を変
化させることによって正確に調節される。スコットＬＧ
−７５０ガラスの正確な構成を決定するために、コア２
９及びクラッディング３１のガラスサンプルが、その一
部をリチウム溶剤（flux）と共に用いる解析のために準
備される。その後、この解析の結果得られた溶材は希薄
硝酸に溶かされる。溶液は、帰納的結合プラズマ原子放
射（通常ＩＣＰといわれる）を用いた従来の放射計測に
よって解析される。上記サンプルのスペクトル線放射か
ら、２つのガラスの主、従及びトレース成分が決定され
る。上記解析からえられたデータは以下の表１に示され
る。 ［表１］ 各元素の重量％ サンプル Ｐ Ｂａ Ａｌ Ｋ Ｎａ Ｃａ Ｙｂ Ｅｒ クラッディング 22.5 19.5 5.0 8.2 0.18 <0.005 0.097 <0.001 コア 23.0 11.6 3.2 8.5 0.48 <0.005 10.9 0.12
【００３１】表１に示されたガラスの解析結果は、Ｅｒ
3+を異なったパーセントだけドープした他のサンプルと
比較して最良のパフォーマンス特性を備えているもので
はない。特に、最良のパフォーマンスは、Ｅｒ3+のドー
ピングパーセントが約０．５％であり、Ｙｂ3+のドーピ
ングパーセントが約１２重量％であるコアガラスによっ
て得られる。
3+を異なったパーセントだけドープした他のサンプルと
比較して最良のパフォーマンス特性を備えているもので
はない。特に、最良のパフォーマンスは、Ｅｒ3+のドー
ピングパーセントが約０．５％であり、Ｙｂ3+のドーピ
ングパーセントが約１２重量％であるコアガラスによっ
て得られる。
【００３２】本発明に従ったファイバを作製するため
に、本発明者は、英国サザンプトン大学の光ファイバグ
ループに、最良のパフォーマンスを有するガラスを備え
る単一モード光ファイバをロッドインチューブ法（rod-
in-tube method）を用いて作製するように依頼した。コ
ア及びクラッディングの２つのガラスのロッドは、超音
波ドリルで穿孔された。その後ロッドは滑らかな表面を
持たせるために火あぶり（fire polished ）され、その
ためにインターフェイス損失が低くなる。ロッドは炉内
で２時間４００℃に保たれ、余分な水分がとばされる。
これに関して、Ｅｒ3+の 4Ｉ13/2準安定状態の消光と同
様にＨ2 Ｏのトレース量が１．５μｍ領域での過剰損失
を導くように決められるので、乾燥雰囲気内でファイバ
２７を作製するのには特別の注意がされる。作製された
ファイバ２７の開口数は０．１４であり、コアの直径は
４．９μｍである。コア直径が約５μｍ以下のときにお
けるＥｒ3+の 4Ｉ13/2状態の準安定寿命への強い消光効
果のために、コア直径は比較的に大きいことが好まし
い。上記効果は、コアとクラッディングとの間の表面間
における不純物拡散のためであると考えられる。
に、本発明者は、英国サザンプトン大学の光ファイバグ
ループに、最良のパフォーマンスを有するガラスを備え
る単一モード光ファイバをロッドインチューブ法（rod-
in-tube method）を用いて作製するように依頼した。コ
ア及びクラッディングの２つのガラスのロッドは、超音
波ドリルで穿孔された。その後ロッドは滑らかな表面を
持たせるために火あぶり（fire polished ）され、その
ためにインターフェイス損失が低くなる。ロッドは炉内
で２時間４００℃に保たれ、余分な水分がとばされる。
これに関して、Ｅｒ3+の 4Ｉ13/2準安定状態の消光と同
様にＨ2 Ｏのトレース量が１．５μｍ領域での過剰損失
を導くように決められるので、乾燥雰囲気内でファイバ
２７を作製するのには特別の注意がされる。作製された
ファイバ２７の開口数は０．１４であり、コアの直径は
４．９μｍである。コア直径が約５μｍ以下のときにお
けるＥｒ3+の 4Ｉ13/2状態の準安定寿命への強い消光効
果のために、コア直径は比較的に大きいことが好まし
い。上記効果は、コアとクラッディングとの間の表面間
における不純物拡散のためであると考えられる。
【００３３】本発明者は、改善された光特性又は有利な
製造上の特徴（たとえば、ロッドインチューブ法の代わ
りに蒸着）のどちらかのために、ホスト（基）ガラスと
してスコット燐酸塩ガラスガ現在好ましいことを見いだ
している。ホストガラスを選択する際の重大な基準はＹ
ｂ3+からＥｒ3+への効率的なエネルギ遷移が維持できる
ことである。
製造上の特徴（たとえば、ロッドインチューブ法の代わ
りに蒸着）のどちらかのために、ホスト（基）ガラスと
してスコット燐酸塩ガラスガ現在好ましいことを見いだ
している。ホストガラスを選択する際の重大な基準はＹ
ｂ3+からＥｒ3+への効率的なエネルギ遷移が維持できる
ことである。
【００３４】好ましい具体例において、Ｅｒ／Ｙｂエネ
ルギ遷移システムは、燐酸塩ドープ溶融無水けい酸ガラ
スファイバに用いられる。我々は、上述の燐酸塩ガラス
に対して少量の燐酸塩をドープした無水けい酸ガラスホ
スト内のエルビウムは、分光学的に燐酸塩ガラス蛍光ス
ペクトルに類似していることを発見した。特に、 4Ｉ
13/2から 4Ｉ13/2への放射の蛍光にある２つのナロウイ
ング（幅狭；narrowing）、及び、ゲルマノシリケート
ファイバ内のエルビウムに対する 4Ｉ11/2寿命の短さは
注目に値する。さらに、我々は、通常希土類ドープ材の
クラスター化を妨げるために用いられるＡｌ2 Ｏ3 を大
量に加えることが、コドープＥｒ／Ｙｂシステムのエネ
ルギ遷移効率を減少させることを見いだした。スコット
社からの燐酸塩ガラスは、エネルギ遷移効率を満足に最
適化することができないだけのＡｌ2 Ｏ3 が含まれてい
た。燐酸塩ドープ溶解無水けい酸ベースガラスファイバ
は、燐酸塩ガラスファイバよりも無水けい酸ガラスファ
イバシステム内に組み込むことが簡単である。燐酸塩ド
ープ無水けい酸ガラスファイバは、それに結合されるシ
ステム内の無水けい酸ガラスファイバと実質的に同じ屈
折率を有しているので、境界面における逆反射が確実に
無視できる。さらに、変更ＣＶＤ法またはその他の方法
によって製造された無水けい酸ファイバは、ロッドイン
チューブ法によって製造された燐酸塩ガラスファイバよ
りも損失が低いという特性を有している。さらに、開口
数のようなファイバのパラメータは制御し易い。ホウ酸
塩及びホスホホウ酸塩のような他のホストガラスもま
た、Ｅｒ／Ｙｂコドープファイバの効率のよいオペレー
ションにとって好適であるだろう。
ルギ遷移システムは、燐酸塩ドープ溶融無水けい酸ガラ
スファイバに用いられる。我々は、上述の燐酸塩ガラス
に対して少量の燐酸塩をドープした無水けい酸ガラスホ
スト内のエルビウムは、分光学的に燐酸塩ガラス蛍光ス
ペクトルに類似していることを発見した。特に、 4Ｉ
13/2から 4Ｉ13/2への放射の蛍光にある２つのナロウイ
ング（幅狭；narrowing）、及び、ゲルマノシリケート
ファイバ内のエルビウムに対する 4Ｉ11/2寿命の短さは
注目に値する。さらに、我々は、通常希土類ドープ材の
クラスター化を妨げるために用いられるＡｌ2 Ｏ3 を大
量に加えることが、コドープＥｒ／Ｙｂシステムのエネ
ルギ遷移効率を減少させることを見いだした。スコット
社からの燐酸塩ガラスは、エネルギ遷移効率を満足に最
適化することができないだけのＡｌ2 Ｏ3 が含まれてい
た。燐酸塩ドープ溶解無水けい酸ベースガラスファイバ
は、燐酸塩ガラスファイバよりも無水けい酸ガラスファ
イバシステム内に組み込むことが簡単である。燐酸塩ド
ープ無水けい酸ガラスファイバは、それに結合されるシ
ステム内の無水けい酸ガラスファイバと実質的に同じ屈
折率を有しているので、境界面における逆反射が確実に
無視できる。さらに、変更ＣＶＤ法またはその他の方法
によって製造された無水けい酸ファイバは、ロッドイン
チューブ法によって製造された燐酸塩ガラスファイバよ
りも損失が低いという特性を有している。さらに、開口
数のようなファイバのパラメータは制御し易い。ホウ酸
塩及びホスホホウ酸塩のような他のホストガラスもま
た、Ｅｒ／Ｙｂコドープファイバの効率のよいオペレー
ションにとって好適であるだろう。
【００３５】ホストガラスを特定するための選別機構
（screening mechanism ）は、異なったホスト材のＥｒ
3+の 4Ｉ11/2状態の寿命を測定することを備えている。
短い寿命はＹｂ3+の 2Ｆ5/2 状態への逆遷移の確率を低
下させるものであるだろう。Ｄ2 Ｏのような選択的な消
光材（quenchers ）がコアガラスに少量加えられると、
4Ｉ13/2準安定状態にほとんど影響を与えることなく、
Ｅｒ3+の 4Ｉ11/2状態を効率よく消光するであろう。こ
れに関して、無水けい酸ガラスは、Ｅｒ3+の 4Ｉ11/2状
態からの非放射崩壊を強めるためにＤ2 Ｏをドープされ
てもよく、それによって、Ｙｂ3+へのエネルギ逆遷移を
減少させる。
（screening mechanism ）は、異なったホスト材のＥｒ
3+の 4Ｉ11/2状態の寿命を測定することを備えている。
短い寿命はＹｂ3+の 2Ｆ5/2 状態への逆遷移の確率を低
下させるものであるだろう。Ｄ2 Ｏのような選択的な消
光材（quenchers ）がコアガラスに少量加えられると、
4Ｉ13/2準安定状態にほとんど影響を与えることなく、
Ｅｒ3+の 4Ｉ11/2状態を効率よく消光するであろう。こ
れに関して、無水けい酸ガラスは、Ｅｒ3+の 4Ｉ11/2状
態からの非放射崩壊を強めるためにＤ2 Ｏをドープされ
てもよく、それによって、Ｙｂ3+へのエネルギ逆遷移を
減少させる。
【００３６】従来技術によりエルビウム及びイッテルビ
ウムをコドープされた燐酸塩ガラスファイバは、主にエ
ルビウムの 4Ｉ11/2量子エネルギレベルが比較的長寿命
であることから良好なエネルギ遷移効率を示さない。た
とえば、Ｅｒ／Ｙｂコドープゲルマノシリケートガラス
ファイバの初期遷移エネルギは、Ｅｒ／Ｙｂコドープ燐
酸ガラスファイバが約９０％であるのに較べ約５％であ
ることが観測された。しかしながら、本発明によると、
コドープＥｒ／Ｙｂ無水けい酸ガラスファイバが少量の
リンをドープされているとき、ファイバは、コドープＥ
ｒ／Ｙｂ燐酸塩ガラスファイバの分光学的性質に似たも
のとなる。つまり、燐酸塩ドープ無水けい酸ガラスファ
イバ約９０％の初期遷移効率を有する。実際、このよう
なファイバは、燐酸塩ガラスファイバに較べて著しく改
善された特性を有している。
ウムをコドープされた燐酸塩ガラスファイバは、主にエ
ルビウムの 4Ｉ11/2量子エネルギレベルが比較的長寿命
であることから良好なエネルギ遷移効率を示さない。た
とえば、Ｅｒ／Ｙｂコドープゲルマノシリケートガラス
ファイバの初期遷移エネルギは、Ｅｒ／Ｙｂコドープ燐
酸ガラスファイバが約９０％であるのに較べ約５％であ
ることが観測された。しかしながら、本発明によると、
コドープＥｒ／Ｙｂ無水けい酸ガラスファイバが少量の
リンをドープされているとき、ファイバは、コドープＥ
ｒ／Ｙｂ燐酸塩ガラスファイバの分光学的性質に似たも
のとなる。つまり、燐酸塩ドープ無水けい酸ガラスファ
イバ約９０％の初期遷移効率を有する。実際、このよう
なファイバは、燐酸塩ガラスファイバに較べて著しく改
善された特性を有している。
【００３７】好ましい具体例において、本発明は、１．
５ｎｍの範囲で稼働する固体レーザ増幅器及び源に理想
的に好適なレーザ材を提供するために燐酸塩、エルビウ
ム及びイッテルビウムをある割合でドープした無水けい
酸光ファイバを備えているものである。燐酸塩ドープ材
の濃度は、エルビウムの 4Ｉ11/2量子レベル寿命を最短
化するのに最適にされる。純粋燐酸塩ガラスファイバに
較べると、きわめて少量のリンドープ材が用いられる。
燐酸塩−エルビウム−イッテルビウムドープ無水けい酸
ガラスファイバは、燐酸塩ガラスファイバに比してきわ
めて改善された予期されない特性をもつことが発見され
た。特に、このファイバの初期遷移効率は約９５％と燐
酸塩ガラスファイバよりも良好であり、Ｙｂ3+の 2Ｆ
5/2 量子レベルからＥｒ3+の準安定 4Ｉ13/2量子レベル
へのエネルギ遷移の立ち上がり時間（rise time ）は、
燐酸塩ガラスファイバが４０から６０マイクロ秒である
のに対し１５から３０マイクロ秒である。イッテルビウ
ムドープ材の濃度は、ファイバ全体を通してのポンプエ
ネルギの吸収を飽和するのに最適にされる。これに関し
て、イッテルビウムの濃度は、ファイバを通るポンプビ
ームの濃度に比例してファイバ全体にわたって傾斜（gr
adient）していることが好ましい。一定のＥｒ3+濃度の
Ｙｂ3+増感剤の濃度変化（傾斜）は、より高い効率を実
現するであろう。また、イッテルビウムの濃度は、ファ
イバを通るポンプビームの濃度に比例してファイバ全体
にわたって軸対称に傾斜（axial gradient）しているこ
とが好ましい。
５ｎｍの範囲で稼働する固体レーザ増幅器及び源に理想
的に好適なレーザ材を提供するために燐酸塩、エルビウ
ム及びイッテルビウムをある割合でドープした無水けい
酸光ファイバを備えているものである。燐酸塩ドープ材
の濃度は、エルビウムの 4Ｉ11/2量子レベル寿命を最短
化するのに最適にされる。純粋燐酸塩ガラスファイバに
較べると、きわめて少量のリンドープ材が用いられる。
燐酸塩−エルビウム−イッテルビウムドープ無水けい酸
ガラスファイバは、燐酸塩ガラスファイバに比してきわ
めて改善された予期されない特性をもつことが発見され
た。特に、このファイバの初期遷移効率は約９５％と燐
酸塩ガラスファイバよりも良好であり、Ｙｂ3+の 2Ｆ
5/2 量子レベルからＥｒ3+の準安定 4Ｉ13/2量子レベル
へのエネルギ遷移の立ち上がり時間（rise time ）は、
燐酸塩ガラスファイバが４０から６０マイクロ秒である
のに対し１５から３０マイクロ秒である。イッテルビウ
ムドープ材の濃度は、ファイバ全体を通してのポンプエ
ネルギの吸収を飽和するのに最適にされる。これに関し
て、イッテルビウムの濃度は、ファイバを通るポンプビ
ームの濃度に比例してファイバ全体にわたって傾斜（gr
adient）していることが好ましい。一定のＥｒ3+濃度の
Ｙｂ3+増感剤の濃度変化（傾斜）は、より高い効率を実
現するであろう。また、イッテルビウムの濃度は、ファ
イバを通るポンプビームの濃度に比例してファイバ全体
にわたって軸対称に傾斜（axial gradient）しているこ
とが好ましい。
【００３８】本発明によるガラスファイバの成分はイッ
テルビウムイオンの制御クラスター（controlled clust
ering ）を形成すると信じられているので、大部分のエ
ルビウムイオンのそれぞれはその周りにイッテルビウム
イオンのクラスターを有している。この制御クラスター
はその間でのエネルギ遷移を増加させる。これに関し
て、リン及びアルミナの濃度比は、このファイバ内での
エルビウム及びイッテルビウムと同様に高い効率を提供
するために重要な要素である。
テルビウムイオンの制御クラスター（controlled clust
ering ）を形成すると信じられているので、大部分のエ
ルビウムイオンのそれぞれはその周りにイッテルビウム
イオンのクラスターを有している。この制御クラスター
はその間でのエネルギ遷移を増加させる。これに関し
て、リン及びアルミナの濃度比は、このファイバ内での
エルビウム及びイッテルビウムと同様に高い効率を提供
するために重要な要素である。
【００３９】アルミナは通常ファイバ内のイッテルビウ
ム及びエルビウムイオンの溶解度を改善するためにファ
イバに加えられるものであるが、ファイバ内の少量のア
ルミナはＹｂ／Ｅｒエネルギ遷移システムに有害な効果
をもたらすことが発見された。たとえば、上述のよう
に、Ｙｂ／Ｅｒエネルギ遷移システムの初期遷移効率
は、約９５％である。この効率は１１モルパーセントの
少量のアルミナがドープされることによって、約３０％
に減少する。それゆえ、光ファイバは優れたエネルギ遷
移効率を得るためにはアルミナを含まないようにすべき
である。
ム及びエルビウムイオンの溶解度を改善するためにファ
イバに加えられるものであるが、ファイバ内の少量のア
ルミナはＹｂ／Ｅｒエネルギ遷移システムに有害な効果
をもたらすことが発見された。たとえば、上述のよう
に、Ｙｂ／Ｅｒエネルギ遷移システムの初期遷移効率
は、約９５％である。この効率は１１モルパーセントの
少量のアルミナがドープされることによって、約３０％
に減少する。それゆえ、光ファイバは優れたエネルギ遷
移効率を得るためにはアルミナを含まないようにすべき
である。
【００４０】本発明による無水けい酸ガラスファイバ
は、好ましくは溶液ドープ過程（solution doping proc
ess ）によって製造される。つまり、従来のＭＣＶＤ過
程により、完全な酸化及びデポジットが保証される温度
で、ガラスを溶融させることなく、リン酸けい酸塩フリ
ット（phosphosilicate frit）がデポジットされる。こ
の温度は一般には約１１００から１５００℃である。高
純度希土類及びアルミニウム塩化物の水溶液が上記フリ
ットに拡散され、その結果ファイバのイオン濃度は溶液
濃度に比例する。
は、好ましくは溶液ドープ過程（solution doping proc
ess ）によって製造される。つまり、従来のＭＣＶＤ過
程により、完全な酸化及びデポジットが保証される温度
で、ガラスを溶融させることなく、リン酸けい酸塩フリ
ット（phosphosilicate frit）がデポジットされる。こ
の温度は一般には約１１００から１５００℃である。高
純度希土類及びアルミニウム塩化物の水溶液が上記フリ
ットに拡散され、その結果ファイバのイオン濃度は溶液
濃度に比例する。
【００４１】リン酸けい酸塩フリットは、溶媒を除去す
べくＣｌ2 、Ｎ2 或いはその代わりにＣｌ2 、Ｏ2 又は
これらの結合が存在するもとにおいて加熱される。フリ
ットは好ましくは１２００から１８００℃においてガラ
スに焼結（sinter）され、ドープ材イオンをトラップす
る。そして、従来の方法によって光ファイバが形成され
る。
べくＣｌ2 、Ｎ2 或いはその代わりにＣｌ2 、Ｏ2 又は
これらの結合が存在するもとにおいて加熱される。フリ
ットは好ましくは１２００から１８００℃においてガラ
スに焼結（sinter）され、ドープ材イオンをトラップす
る。そして、従来の方法によって光ファイバが形成され
る。
【００４２】好ましい具体例による燐酸塩ドープ無水け
い酸ガラスファイバの一つの構成を正確に決定するため
に、ガラスのサンプルがＳＥＭ／ＥＤX （Scanning Ele
ctron Microscope/Energy Dispersive X-ray）解析によ
る解析のために準備される。このサンプルを解析するこ
とによって、上記ガラスの主、従及びトレース成分が決
定される。上記解析から得られたデータを以下の表２に
示す。 ［表２］ 重量％ Ａｌ Ｓｉ Ｐ Ｅｒ Ｙｂ サンプル 0.54 32.42 9.32 0.68 6.58
い酸ガラスファイバの一つの構成を正確に決定するため
に、ガラスのサンプルがＳＥＭ／ＥＤX （Scanning Ele
ctron Microscope/Energy Dispersive X-ray）解析によ
る解析のために準備される。このサンプルを解析するこ
とによって、上記ガラスの主、従及びトレース成分が決
定される。上記解析から得られたデータを以下の表２に
示す。 ［表２］ 重量％ Ａｌ Ｓｉ Ｐ Ｅｒ Ｙｂ サンプル 0.54 32.42 9.32 0.68 6.58
【００４３】比較のために、３つの異なった燐酸塩ドー
プ無水けい酸ガラスファイバ及び燐酸ファイバの物理的
特性が以下の表３に示されている。ファイバ１はエルビ
ウムをドープされているが、イッテルビウムをドープさ
れていない。ファイバ２はエルビウム、イッテルビウム
及び比較的高濃度のアルミナをドープされている。ファ
イバ３はその成分が表３に示されている。ファイバ１お
よび２についてのデータは屈折率測定法によって決定さ
れた。ファイバ３のデータはＳＥＭ／ＥＤＸ解析によっ
て決定された。ファイバ４のデータはＩＰＣ解析によっ
て決定された。 ［表３］ ファイバ コア成分（モル％） 開口数 Ｅｒ3+(ppm) Ｙｂ3+(ppm) １ P2/Al2/Si:2/4/94 0.15 800〜1100 0 ２ P2/Al2/Si:2/11/86 0.23 550 7500 ３ P2/Al2/Si:11/1/85 0.15 3000 28000 ４ P2/Al2/Si:53/9/0 0.14 1000 90000
プ無水けい酸ガラスファイバ及び燐酸ファイバの物理的
特性が以下の表３に示されている。ファイバ１はエルビ
ウムをドープされているが、イッテルビウムをドープさ
れていない。ファイバ２はエルビウム、イッテルビウム
及び比較的高濃度のアルミナをドープされている。ファ
イバ３はその成分が表３に示されている。ファイバ１お
よび２についてのデータは屈折率測定法によって決定さ
れた。ファイバ３のデータはＳＥＭ／ＥＤＸ解析によっ
て決定された。ファイバ４のデータはＩＰＣ解析によっ
て決定された。 ［表３］ ファイバ コア成分（モル％） 開口数 Ｅｒ3+(ppm) Ｙｂ3+(ppm) １ P2/Al2/Si:2/4/94 0.15 800〜1100 0 ２ P2/Al2/Si:2/11/86 0.23 550 7500 ３ P2/Al2/Si:11/1/85 0.15 3000 28000 ４ P2/Al2/Si:53/9/0 0.14 1000 90000
【００４４】８２０ｎｍ励起のもとで測定されたファイ
バ１、２、３及び４の蛍光スペクトルは、それぞれ図７
の７５、７７、７９および８１により表わされている。
ファイバ１は、少量のアルミナ及びエルビウムがドープ
されており、イッテルビウム又はリン酸塩がドープされ
ていない無水けい酸ガラスファイバである。ファイバ２
は大量のアルミナ、エルビウム及びイッテルビウムがド
ープされているが、リン酸塩がドープされていない無水
けい酸ガラスファイバである。ファイバ３はリン酸塩、
少量のアルミナ、エルビウム及びイッテルビウムがドー
プされた無水けい酸ガラスファイバである。ファイバ４
は、上述のように少量のアルミナ、エルビウム及びイッ
テルビウムがドープされた無水けい酸ガラスファイバで
ある。
バ１、２、３及び４の蛍光スペクトルは、それぞれ図７
の７５、７７、７９および８１により表わされている。
ファイバ１は、少量のアルミナ及びエルビウムがドープ
されており、イッテルビウム又はリン酸塩がドープされ
ていない無水けい酸ガラスファイバである。ファイバ２
は大量のアルミナ、エルビウム及びイッテルビウムがド
ープされているが、リン酸塩がドープされていない無水
けい酸ガラスファイバである。ファイバ３はリン酸塩、
少量のアルミナ、エルビウム及びイッテルビウムがドー
プされた無水けい酸ガラスファイバである。ファイバ４
は、上述のように少量のアルミナ、エルビウム及びイッ
テルビウムがドープされた無水けい酸ガラスファイバで
ある。
【００４５】曲線７５で表わされているファイバ１のス
ペクトルは曲線７７で表わされているファイバ２のスペ
クトルとほぼ一致しており、そのため、放射スペクトル
がイッテルビウムの有無に関係しないことは注目すべき
である。ファイバ４からの蛍光は非常に狭くファイバ１
及び２に較べて長波長側にシフトしている。ファイバ３
の放射スペクトルは、ファイバ４とほぼ一致している
が、突出部の幅がわずかに狭い。スペクトルの幅狭（ナ
ロウイング）は、ファイバ３内の減少した位置対位置変
化に帰する事ができる。大量のアルミナをドープしたフ
ァイバ２はファイバ３のスペクトル特性を失っているよ
うに見える。
ペクトルは曲線７７で表わされているファイバ２のスペ
クトルとほぼ一致しており、そのため、放射スペクトル
がイッテルビウムの有無に関係しないことは注目すべき
である。ファイバ４からの蛍光は非常に狭くファイバ１
及び２に較べて長波長側にシフトしている。ファイバ３
の放射スペクトルは、ファイバ４とほぼ一致している
が、突出部の幅がわずかに狭い。スペクトルの幅狭（ナ
ロウイング）は、ファイバ３内の減少した位置対位置変
化に帰する事ができる。大量のアルミナをドープしたフ
ァイバ２はファイバ３のスペクトル特性を失っているよ
うに見える。
【００４６】好ましい具体例によると、本発明による燐
酸塩ドープ無水けい酸ファイバは、１００から１０，０
００ｐｐｍ、より好ましくは５００から５，０００ｐｐ
ｍ、最適には１，０００ｐｐｍのエルビウムイオン濃度
を備えている。好ましいイッテルビウムイオン濃度は、
１，０００から１００，０００ｐｐｍ、より好ましくは
３，０００から５０，０００ｐｐｍ、最適には３０，０
００ｐｐｍである。これらの値は、ＳＥＭ／ＥＤＸ解析
によって決定された測定をもとにしている。
酸塩ドープ無水けい酸ファイバは、１００から１０，０
００ｐｐｍ、より好ましくは５００から５，０００ｐｐ
ｍ、最適には１，０００ｐｐｍのエルビウムイオン濃度
を備えている。好ましいイッテルビウムイオン濃度は、
１，０００から１００，０００ｐｐｍ、より好ましくは
３，０００から５０，０００ｐｐｍ、最適には３０，０
００ｐｐｍである。これらの値は、ＳＥＭ／ＥＤＸ解析
によって決定された測定をもとにしている。
【００４７】また、好ましい燐酸塩濃度は、２から２５
モルパーセント、より好ましくは５から１５モルパーセ
ント、最適には１０モルパーセントである。さらに、好
ましいアルミナ濃度は、約５モルパーセント以下、より
好ましくは３モルパーセント以下、最適には１モルパー
セントである。
モルパーセント、より好ましくは５から１５モルパーセ
ント、最適には１０モルパーセントである。さらに、好
ましいアルミナ濃度は、約５モルパーセント以下、より
好ましくは３モルパーセント以下、最適には１モルパー
セントである。
【００４８】一方、ファイバの構成を、ドープ材の濃度
によって直接制御される幾つかの異なったインジケータ
値によって表わすことも有効である。上記ファイバは、
測定されたインジケータ値を好ましい範囲内に変化させ
るべくファイバの構成を変化させることによって、本発
明によって製造され得る。これは実験によって濃度を決
定するのがこんなまたは不確定であるときにファイバの
ドープ材濃度を最適化するのに特に有効である。これら
インジケータ値の一つには、Ｙｂ3+の 2Ｆ5/2 量子レベ
ルからＥｒ3+の準安定 4Ｉ13/2量子レベルへのエネルギ
遷移の立ち上がり時間がある。本発明によると、この立
ち上がり時間は、好ましくは０から６０マイクロ秒、よ
り好ましくは０から３０マイクロ秒の範囲にある。
によって直接制御される幾つかの異なったインジケータ
値によって表わすことも有効である。上記ファイバは、
測定されたインジケータ値を好ましい範囲内に変化させ
るべくファイバの構成を変化させることによって、本発
明によって製造され得る。これは実験によって濃度を決
定するのがこんなまたは不確定であるときにファイバの
ドープ材濃度を最適化するのに特に有効である。これら
インジケータ値の一つには、Ｙｂ3+の 2Ｆ5/2 量子レベ
ルからＥｒ3+の準安定 4Ｉ13/2量子レベルへのエネルギ
遷移の立ち上がり時間がある。本発明によると、この立
ち上がり時間は、好ましくは０から６０マイクロ秒、よ
り好ましくは０から３０マイクロ秒の範囲にある。
【００４９】その他のインジケータ値としては、イッテ
ルビウムからエルビウムへのエネルギ遷移によって起こ
されるＹｂ3+の 2Ｆ5/2 から 2Ｆ7/2 量子レベルへの崩
壊時間速度があり、イッテルビウム崩壊の初期速度がよ
り速いことはより効率的なイッテルビウム−エルビウム
エネルギ遷移が起こることを意味している。このことは
図８において図示されているが、曲線８３、８５及び８
７は、それぞれファイバの異なった構成についてのイッ
テルビウム崩壊の崩壊時間を表わしている。
ルビウムからエルビウムへのエネルギ遷移によって起こ
されるＹｂ3+の 2Ｆ5/2 から 2Ｆ7/2 量子レベルへの崩
壊時間速度があり、イッテルビウム崩壊の初期速度がよ
り速いことはより効率的なイッテルビウム−エルビウム
エネルギ遷移が起こることを意味している。このことは
図８において図示されているが、曲線８３、８５及び８
７は、それぞれファイバの異なった構成についてのイッ
テルビウム崩壊の崩壊時間を表わしている。
【００５０】曲線８３は、エルビウムを含んでいないフ
ァイバに相当するため、この場合にはイッテルビウムか
らエルビウムへのエネルギ遷移はない。曲線８５は適度
なエルビウム濃度のファイバに相当するため、イッテル
ビウム及び燐酸塩が良好なＹｂ3+からＥｒ3+へのエネル
ギ遷移を増進させる。この場合、曲線８５の傾きは曲線
８３の傾きよりもより急であり、これは迅速かつ効率的
なエネルギ遷移を示している。
ァイバに相当するため、この場合にはイッテルビウムか
らエルビウムへのエネルギ遷移はない。曲線８５は適度
なエルビウム濃度のファイバに相当するため、イッテル
ビウム及び燐酸塩が良好なＹｂ3+からＥｒ3+へのエネル
ギ遷移を増進させる。この場合、曲線８５の傾きは曲線
８３の傾きよりもより急であり、これは迅速かつ効率的
なエネルギ遷移を示している。
【００５１】曲線８７はエルビウム、イッテルビウム及
び燐酸塩が効率的なエネルギ遷移をおこすのに良好な濃
度含むファイバに相当しているが、アルミナをかなり高
い濃度で含んでいる。高い濃度のアルミナはＹｂ3+から
Ｅｒ3+へのエネルギ遷移を妨害するため、その傾きは曲
線８３と８５との中間になっている。この崩壊率（rate
of decay ）は少なくとも４０ミリ秒であることが好ま
しく、りそうてきには少なくとも１０ミリ秒である。
び燐酸塩が効率的なエネルギ遷移をおこすのに良好な濃
度含むファイバに相当しているが、アルミナをかなり高
い濃度で含んでいる。高い濃度のアルミナはＹｂ3+から
Ｅｒ3+へのエネルギ遷移を妨害するため、その傾きは曲
線８３と８５との中間になっている。この崩壊率（rate
of decay ）は少なくとも４０ミリ秒であることが好ま
しく、りそうてきには少なくとも１０ミリ秒である。
【００５２】イッテルビウムからエルビウムへの効率的
なエネルギ遷移が行われるためには、進行（forward ）
遷移率及び崩壊が、エルビウムからイッテルビウムへの
逆遷移率に較べて早くなければならない。さらに、イッ
テルビウムからエルビウムへの効率的なエネルギ遷移
は、以下にイッテルビウム吸収スペクトルとの関連にお
いて詳述するように、ポンピング放射の波長に依存して
いる。
なエネルギ遷移が行われるためには、進行（forward ）
遷移率及び崩壊が、エルビウムからイッテルビウムへの
逆遷移率に較べて早くなければならない。さらに、イッ
テルビウムからエルビウムへの効率的なエネルギ遷移
は、以下にイッテルビウム吸収スペクトルとの関連にお
いて詳述するように、ポンピング放射の波長に依存して
いる。
【００５３】また、その他のインジケータ値としては、
Ｅｒ3+の準安定 4Ｉ13/2量子レベルの崩壊時間がある。
このインジケータ値は、Ｙｂ3+の 2Ｆ5/2 量子レベルか
らのエネルギ遷移に比例してエネルギを放射するという
ファイバの能力についてのドープ材の影響を表わすもの
である。
Ｅｒ3+の準安定 4Ｉ13/2量子レベルの崩壊時間がある。
このインジケータ値は、Ｙｂ3+の 2Ｆ5/2 量子レベルか
らのエネルギ遷移に比例してエネルギを放射するという
ファイバの能力についてのドープ材の影響を表わすもの
である。
【００５４】光ファイバ内のイッテルビウムイオンはポ
ンピング放射についてほぼ９６０ｎｍにピークをもつ約
８００ｎｍから１１００ｎｍまでの広い吸収スペクトル
を有しているが、イッテルビウム吸収スペクトルの長波
長側においてエルビウムイオンへのエネルギ遷移がより
効率的であることが発見された。
ンピング放射についてほぼ９６０ｎｍにピークをもつ約
８００ｎｍから１１００ｎｍまでの広い吸収スペクトル
を有しているが、イッテルビウム吸収スペクトルの長波
長側においてエルビウムイオンへのエネルギ遷移がより
効率的であることが発見された。
【００５５】これは、ポンピング放射は、ポンピング波
長よりも長波長でイッテルビウムイオンを誘導（stimul
ated）放射させる傾向があるからである。誘導放射は常
にポンピング波長よりも長波長の周波数帯で起こるが、
これは、エネルギ保存則の要請、ポンピング放射からイ
ッテルビウムイオンへのエネルギ遷移が１００％未満で
あること、及び、短波長誘導放射はこの非効率のために
より確率が低いからである。
長よりも長波長でイッテルビウムイオンを誘導（stimul
ated）放射させる傾向があるからである。誘導放射は常
にポンピング波長よりも長波長の周波数帯で起こるが、
これは、エネルギ保存則の要請、ポンピング放射からイ
ッテルビウムイオンへのエネルギ遷移が１００％未満で
あること、及び、短波長誘導放射はこの非効率のために
より確率が低いからである。
【００５６】ポンピング放射がたとえば８００から９５
０ｎｍのイッテルビウム吸収スペクトルの短波長側の波
長を有しているとき、誘導イッテルビウム放射はより広
い周波数帯で起こる、つまり、イッテルビウムからエル
ビウムへのエネルギ遷移の変わりにより多くの誘導放射
が引き起こされる。一方、ポンピング放射がイッテルビ
ウム吸収スペクトルの長波長側の波長を有していると
き、いかなる誘導放射の波長もイッテルビウムにより効
率的に吸収されるのには長波長すぎる。つまり、誘導放
射として解放されるエネルギがより少なくなるから、イ
ッテルビウムの 2Ｆ5/2 状態からエルビウムの 4Ｉ11/2
状態へのより多くの非放射エネルギ遷移が起こることに
なる。
０ｎｍのイッテルビウム吸収スペクトルの短波長側の波
長を有しているとき、誘導イッテルビウム放射はより広
い周波数帯で起こる、つまり、イッテルビウムからエル
ビウムへのエネルギ遷移の変わりにより多くの誘導放射
が引き起こされる。一方、ポンピング放射がイッテルビ
ウム吸収スペクトルの長波長側の波長を有していると
き、いかなる誘導放射の波長もイッテルビウムにより効
率的に吸収されるのには長波長すぎる。つまり、誘導放
射として解放されるエネルギがより少なくなるから、イ
ッテルビウムの 2Ｆ5/2 状態からエルビウムの 4Ｉ11/2
状態へのより多くの非放射エネルギ遷移が起こることに
なる。
【００５７】つまり、９８０から１０８０ｎｍ、理想的
には１０３０から１０７０ｎｍのような長波長ポンピン
グ波長は、イッテルビウムイオンを励起するのにより効
率的であるので、長波長ポンピング波長は自身の放射を
発生することなくエルビウムを励起する。また、約８２
０から９５０ｎｍのような短波長ポンピング放射は、効
率的にエルビウムにエネルギを遷移することなく誘導放
射の形でイッテルビウムのエネルギを解放させることが
観測された。
には１０３０から１０７０ｎｍのような長波長ポンピン
グ波長は、イッテルビウムイオンを励起するのにより効
率的であるので、長波長ポンピング波長は自身の放射を
発生することなくエルビウムを励起する。また、約８２
０から９５０ｎｍのような短波長ポンピング放射は、効
率的にエルビウムにエネルギを遷移することなく誘導放
射の形でイッテルビウムのエネルギを解放させることが
観測された。
【００５８】上述のことにさらに加えて、Ｅｒ／Ｙｂコ
ドープホウ素シリケート（borosilicates ）は、これ自
体を好適なホスト（基材）とするために十分なＥｒ／Ｙ
ｂエネルギ遷移過程効率を有しているだろう。ホウ酸塩
は燐酸塩よりも高い多重フォトン崩壊率を有しており、
そのため、Ｅｒ3+の 4Ｉ11/2寿命が短くなる。しかしな
がら、無水けい酸へのホウ酸塩Ｂ2 Ｏ3 の付加は屈折率
を低下させるので、クラッディングガラスは、十分に屈
折率を下げるためにＢ2 Ｏ3 又はフッ素をかなりドープ
される必要があろう。テイラー（E.R.Taylor）等による
Mat.Res.Soc.Symp. の第１７２巻３２１頁（１９９０
年）によると、８０％モルパーセントホウ酸塩ガラス
は、エルビウム 4Ｉ13/2準安定状態の寿命を２８０マイ
クロ秒に消光する。増幅器としての応用においては、 4
Ｉ13/2状態の寿命は、十分なゲインを得るためには、よ
り長いものでなければならない。ガラス内に少量のＢ2
Ｏ3 を用いることは効果的である。しかし、近年、ネオ
ジムドープホウ燐酸塩レーザガラスについての分光学的
な結果が報告された（ジアング（S.Jiang ）等の“CLEO
1990 Proceedings"、アナハイム（Anaheim)、ＣＡ）。
このガラスは、純粋な燐酸塩及びホウ酸塩ガラスよりも
優れた特性を有している。おそらく、Ｐ2 Ｏ5 及びＢ2
Ｏ3 を共にドープした無水けい酸ガラスは、ＹｂからＥ
ｒへのエネルギ遷移システムを最適化するものであろ
う。Ｐ2 Ｏ5 の無水けい酸への付加は、Ｂ2 Ｏ3 の付加
が屈折率を下げる一方で、屈折率を上げるものであり、
そのため、コア材のインデックスを好適に制御する。
ドープホウ素シリケート（borosilicates ）は、これ自
体を好適なホスト（基材）とするために十分なＥｒ／Ｙ
ｂエネルギ遷移過程効率を有しているだろう。ホウ酸塩
は燐酸塩よりも高い多重フォトン崩壊率を有しており、
そのため、Ｅｒ3+の 4Ｉ11/2寿命が短くなる。しかしな
がら、無水けい酸へのホウ酸塩Ｂ2 Ｏ3 の付加は屈折率
を低下させるので、クラッディングガラスは、十分に屈
折率を下げるためにＢ2 Ｏ3 又はフッ素をかなりドープ
される必要があろう。テイラー（E.R.Taylor）等による
Mat.Res.Soc.Symp. の第１７２巻３２１頁（１９９０
年）によると、８０％モルパーセントホウ酸塩ガラス
は、エルビウム 4Ｉ13/2準安定状態の寿命を２８０マイ
クロ秒に消光する。増幅器としての応用においては、 4
Ｉ13/2状態の寿命は、十分なゲインを得るためには、よ
り長いものでなければならない。ガラス内に少量のＢ2
Ｏ3 を用いることは効果的である。しかし、近年、ネオ
ジムドープホウ燐酸塩レーザガラスについての分光学的
な結果が報告された（ジアング（S.Jiang ）等の“CLEO
1990 Proceedings"、アナハイム（Anaheim)、ＣＡ）。
このガラスは、純粋な燐酸塩及びホウ酸塩ガラスよりも
優れた特性を有している。おそらく、Ｐ2 Ｏ5 及びＢ2
Ｏ3 を共にドープした無水けい酸ガラスは、ＹｂからＥ
ｒへのエネルギ遷移システムを最適化するものであろ
う。Ｐ2 Ｏ5 の無水けい酸への付加は、Ｂ2 Ｏ3 の付加
が屈折率を下げる一方で、屈折率を上げるものであり、
そのため、コア材のインデックスを好適に制御する。
【００５９】そして、Ｅｒ3+ドープファイバをＹｂ3+又
は鉄（Ｆｅ2+又はＦｅ3+）で増感することは、Ｅｒ3+へ
のエネルギの効率の高い遷移を実現する。Ｆｅ2+及びＦ
ｅ3+は、近赤外において広い吸収バンドを有しており、
本発明に従ってダイオードポンプＮｄレーザの出力によ
ってポンプされ得る。Ｆｅの酸化状態は光ファイバ製造
期間中においては制御が容易ではないが、Ｆｅ2+又はＦ
ｅ3+の酸化状態のどちらか一つが機能する。Ｆｅ増感エ
ルビウムファイバは燐酸塩よりも無水けい酸ガラスファ
イバで製造され、既にある無水けい酸ガラス光ファイバ
システム内に簡単に組み込まれる。本発明者は、Ｆｅ／
Ｅｒコドープファイバを、増感剤Ｆｅだけが有限の吸収
を有している波長である１．０６４μｍでポンピングし
たときに、エルビウム蛍光を観測した。この蛍光は、エ
ネルギ遷移がＦｅ2+又はＦｅ3+からＥｒ3+へ起こること
を示している。Ｃｒ4+のような他の遷移金属による増感
もまた可能性がある。
は鉄（Ｆｅ2+又はＦｅ3+）で増感することは、Ｅｒ3+へ
のエネルギの効率の高い遷移を実現する。Ｆｅ2+及びＦ
ｅ3+は、近赤外において広い吸収バンドを有しており、
本発明に従ってダイオードポンプＮｄレーザの出力によ
ってポンプされ得る。Ｆｅの酸化状態は光ファイバ製造
期間中においては制御が容易ではないが、Ｆｅ2+又はＦ
ｅ3+の酸化状態のどちらか一つが機能する。Ｆｅ増感エ
ルビウムファイバは燐酸塩よりも無水けい酸ガラスファ
イバで製造され、既にある無水けい酸ガラス光ファイバ
システム内に簡単に組み込まれる。本発明者は、Ｆｅ／
Ｅｒコドープファイバを、増感剤Ｆｅだけが有限の吸収
を有している波長である１．０６４μｍでポンピングし
たときに、エルビウム蛍光を観測した。この蛍光は、エ
ネルギ遷移がＦｅ2+又はＦｅ3+からＥｒ3+へ起こること
を示している。Ｃｒ4+のような他の遷移金属による増感
もまた可能性がある。
【００６０】もし、Ｎｄ3+又はＣｒ3+と同様にＹｂ3+を
増感する鉄が考慮されるならば、より広い範囲の増感剤
があることになる。Ｎｄ3+からＹｂ3+への遷移は、大き
なＹｂ3+濃度（〜１０21ｃｍ-3）が用いられるのであれ
ば比較的Ｎｄ3+濃度が低くても（〜１０19ｃｍ-3）非常
に効率がよいということが示されている（たとえば、エ
ドワード（J.G.Edwards ）とサンドー（J.N.Sandoe）の
J.Phys.D:Appl.Phys.、７、１０７８〜１０９５頁、１
９７４年）。さらに、Ｎｄ3+とＥｒ3+との不要の相互作
用は、もしＮｄ3+とＥｒ3+との濃度が共に低いもの（〜
１０19ｃｍ-3）であれば、最小化できる。３つのイオン
の増感過程（Ｎｄ3+’Ｙｂ3+‘Ｅｒ3+）は、Ｙｂ3+‘Ｅ
ｒ3+遷移が効率のよいガラス（たとえば、燐酸塩）にお
いて用いることができる。ファイバ増幅器の信頼性ある
８００ｎｍレーザダイオードでのポンピングを効率のよ
いものにすることができるために、このことは潜在的に
は重要である。Ｎｄ3+とＥｒ3+との濃度が同一であれ
ば、Ｎｄ3+基底状態吸収は、Ｅｒ3+吸収の基底又は励起
状態のいずれかよりも大きいものである。さらに、Ｅｒ
3+ＥＳＡは、これがＥｒ3+のダイレクトポンピングです
るポンプ効率を制限するものではない。このアプローチ
は、従来の無水けい酸ガラスファイバではその効率の悪
いＹｂ3+／Ｅｒ3+遷移のために実施不可能であろう。
増感する鉄が考慮されるならば、より広い範囲の増感剤
があることになる。Ｎｄ3+からＹｂ3+への遷移は、大き
なＹｂ3+濃度（〜１０21ｃｍ-3）が用いられるのであれ
ば比較的Ｎｄ3+濃度が低くても（〜１０19ｃｍ-3）非常
に効率がよいということが示されている（たとえば、エ
ドワード（J.G.Edwards ）とサンドー（J.N.Sandoe）の
J.Phys.D:Appl.Phys.、７、１０７８〜１０９５頁、１
９７４年）。さらに、Ｎｄ3+とＥｒ3+との不要の相互作
用は、もしＮｄ3+とＥｒ3+との濃度が共に低いもの（〜
１０19ｃｍ-3）であれば、最小化できる。３つのイオン
の増感過程（Ｎｄ3+’Ｙｂ3+‘Ｅｒ3+）は、Ｙｂ3+‘Ｅ
ｒ3+遷移が効率のよいガラス（たとえば、燐酸塩）にお
いて用いることができる。ファイバ増幅器の信頼性ある
８００ｎｍレーザダイオードでのポンピングを効率のよ
いものにすることができるために、このことは潜在的に
は重要である。Ｎｄ3+とＥｒ3+との濃度が同一であれ
ば、Ｎｄ3+基底状態吸収は、Ｅｒ3+吸収の基底又は励起
状態のいずれかよりも大きいものである。さらに、Ｅｒ
3+ＥＳＡは、これがＥｒ3+のダイレクトポンピングです
るポンプ効率を制限するものではない。このアプローチ
は、従来の無水けい酸ガラスファイバではその効率の悪
いＹｂ3+／Ｅｒ3+遷移のために実施不可能であろう。
【００６１】図４に示された本発明による光増幅器２５
において、図３のＥｒ3+／Ｙｂ3+ファイバ２７は、約８
０〜１３０センチメートルの長さを有しており、Ｅｒ3+
の濃度は０．５重量％である。ファイバ２７はほぼコイ
ル形状に巻かれており、そのために、増幅器２５の外周
の太実線で示されたハウジング３３内に収まり易くなっ
ている。ポンプ源としては、イリノイ州ネイパービル
（Naperville）のアモコレーザカンパニー社（Amoco La
ser Company ）により製造されたモデル１０６４−３５
０ＰダイオードポンプＮｄ−ＹＡＧレーザ３５が、ハウ
ジング３３の外部から操作可能な制御ノブ３７を含むよ
うに変更されて用いられている。ノブ３７は、ポンプ源
３５のレーザダイオードアレイ４１を流れる電流の電流
源３９を外部から制御するためのものである。
において、図３のＥｒ3+／Ｙｂ3+ファイバ２７は、約８
０〜１３０センチメートルの長さを有しており、Ｅｒ3+
の濃度は０．５重量％である。ファイバ２７はほぼコイ
ル形状に巻かれており、そのために、増幅器２５の外周
の太実線で示されたハウジング３３内に収まり易くなっ
ている。ポンプ源としては、イリノイ州ネイパービル
（Naperville）のアモコレーザカンパニー社（Amoco La
ser Company ）により製造されたモデル１０６４−３５
０ＰダイオードポンプＮｄ−ＹＡＧレーザ３５が、ハウ
ジング３３の外部から操作可能な制御ノブ３７を含むよ
うに変更されて用いられている。ノブ３７は、ポンプ源
３５のレーザダイオードアレイ４１を流れる電流の電流
源３９を外部から制御するためのものである。
【００６２】レーザダイオードアレイ４１はＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザ４３に高い効率で結合され、上記アレイ４１か
らのインコヒーレント多重モード光に含まれるエネルギ
の大部分はＮｄ：ＹＡＧレーザ４３から出射されるコヒ
ーレント単一モード光に変換される。レーザダイオード
アレイ４１は、米国特許４，７１０，９４０号に示され
ているようにＮｄ：ＹＡＧレーザ４３をポンプする。Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザ４３は、１０６４ｎｍの特性周波数の
単一モード光信号を出力する。また、その他のダイオー
ドでポンプされるＮｄ3+ドープ結晶又はガラスレーザ
も、ポンプ源として利用することができる。
Ｇレーザ４３に高い効率で結合され、上記アレイ４１か
らのインコヒーレント多重モード光に含まれるエネルギ
の大部分はＮｄ：ＹＡＧレーザ４３から出射されるコヒ
ーレント単一モード光に変換される。レーザダイオード
アレイ４１は、米国特許４，７１０，９４０号に示され
ているようにＮｄ：ＹＡＧレーザ４３をポンプする。Ｎ
ｄ：ＹＡＧレーザ４３は、１０６４ｎｍの特性周波数の
単一モード光信号を出力する。また、その他のダイオー
ドでポンプされるＮｄ3+ドープ結晶又はガラスレーザ
も、ポンプ源として利用することができる。
【００６３】ダイレクトにダイオードポンプされるエル
ビウムファイバに関連するコドープファイバの強いポン
プ強度は、エルビウムの高度な反転分布及びよって低ノ
イズを保証する。この強いポンピングは、特に入力信号
パワーが大きいときに重要（たとえば、パワー増幅器パ
フォーマンス）であって、本発明においては好ましいも
のである。特に、増幅器の信号入口端部でのこういった
高いレベル（ダイレクトダイオードポンプ増幅器に較べ
て）のポンプ入力は、エルビウムの高いレベルの飽和を
保証し、そのため、量子限界に近いノイズを示す。さら
に、通常エルビウムを基準として１０：１から８０：１
の比である増感剤の強いポンピングは、いかなる条件
（たとえば、信号入力パワー）の下においても高い程度
の飽和を保証する。また、増感剤を通じてのポンピング
によって、ネットワークは、ポンプパワーの変動を減少
しかつ一時ゲイン飽和（transient gain saturation ）
並びに混信効果を減らすことに関する利点をも有する。
ビウムファイバに関連するコドープファイバの強いポン
プ強度は、エルビウムの高度な反転分布及びよって低ノ
イズを保証する。この強いポンピングは、特に入力信号
パワーが大きいときに重要（たとえば、パワー増幅器パ
フォーマンス）であって、本発明においては好ましいも
のである。特に、増幅器の信号入口端部でのこういった
高いレベル（ダイレクトダイオードポンプ増幅器に較べ
て）のポンプ入力は、エルビウムの高いレベルの飽和を
保証し、そのため、量子限界に近いノイズを示す。さら
に、通常エルビウムを基準として１０：１から８０：１
の比である増感剤の強いポンピングは、いかなる条件
（たとえば、信号入力パワー）の下においても高い程度
の飽和を保証する。また、増感剤を通じてのポンピング
によって、ネットワークは、ポンプパワーの変動を減少
しかつ一時ゲイン飽和（transient gain saturation ）
並びに混信効果を減らすことに関する利点をも有する。
【００６４】ポンプ源３５のＮｄ：ＹＡＧレーザ４３
は、上述のゴールド社製のモデル（９８０／１５５０−
ＣＯＸ−ＭＸ−０１Ｘ０２−０１）のような波長分割多
重器（ＷＤＭ）すなわち２色ファイバ光カプラ４５に、
直接にファイバ結合される。カプラ４５の出力及びファ
イバへの入力は、従来のファイバ結合法により終結（te
rminated）される。手段４７はインバール（Invar ）の
ような材料から作られた一組の低膨張金属ディスクには
さみ込まれた標準的ＳＴ−ＰＣセラミック環（ceramic
ferrules、アモコレーザ社製）を備えている。また、中
間屈折率の紫外線硬化（curing）エポキシは、結合を強
めるため、並びに、ノイズを起こす逆反射（backreflec
tions ）及び／又はエルビウムドープファイバのレーザ
発振を抑制するために、相互に異なった燐酸塩と無水け
い酸ファイバとの間に置かれる。正確な配列を実現する
ために、ファイバ２７からの出力は配列が終わるまでモ
ニタされる。上記一組のディスクは増幅ファイバ２７と
カプラ４５との間の配列を維持するために違いに半田づ
けされる。
は、上述のゴールド社製のモデル（９８０／１５５０−
ＣＯＸ−ＭＸ−０１Ｘ０２−０１）のような波長分割多
重器（ＷＤＭ）すなわち２色ファイバ光カプラ４５に、
直接にファイバ結合される。カプラ４５の出力及びファ
イバへの入力は、従来のファイバ結合法により終結（te
rminated）される。手段４７はインバール（Invar ）の
ような材料から作られた一組の低膨張金属ディスクには
さみ込まれた標準的ＳＴ−ＰＣセラミック環（ceramic
ferrules、アモコレーザ社製）を備えている。また、中
間屈折率の紫外線硬化（curing）エポキシは、結合を強
めるため、並びに、ノイズを起こす逆反射（backreflec
tions ）及び／又はエルビウムドープファイバのレーザ
発振を抑制するために、相互に異なった燐酸塩と無水け
い酸ファイバとの間に置かれる。正確な配列を実現する
ために、ファイバ２７からの出力は配列が終わるまでモ
ニタされる。上記一組のディスクは増幅ファイバ２７と
カプラ４５との間の配列を維持するために違いに半田づ
けされる。
【００６５】ファイバを結合するためのその他の方法
は、逆反射を抑制するために十分大きい角度ｑに磨いた
上記セラミック環内に両方のファイバを封入することで
ある。この角度ｑは、Ｎ．Ａ．を２つの相互に異なった
ファイバの開口数の大きいほうとして、 ｑ＞sin -1（Ｎ．Ａ．） として表される。角度付けられた環は、インバールディ
スクに含まれ、活性に配列される。どちらの配列方法に
しても、カプラファイバのように増幅ファイバが同じ濃
度及び直径許容誤差に製造されていれば、結合工程は実
質的に単純化され得る。
は、逆反射を抑制するために十分大きい角度ｑに磨いた
上記セラミック環内に両方のファイバを封入することで
ある。この角度ｑは、Ｎ．Ａ．を２つの相互に異なった
ファイバの開口数の大きいほうとして、 ｑ＞sin -1（Ｎ．Ａ．） として表される。角度付けられた環は、インバールディ
スクに含まれ、活性に配列される。どちらの配列方法に
しても、カプラファイバのように増幅ファイバが同じ濃
度及び直径許容誤差に製造されていれば、結合工程は実
質的に単純化され得る。
【００６６】ファイバ２７の出力において、このファイ
バはファイバへの入力に配列された同じタイプのゴール
ドカプラ４９に終結する。ファイバ２７の出力とカプラ
４９との配列は、入力の場合と同様に達成される。特
に、カプラ４９の入力及びファイバ２７の出力は従来の
方法で、２つのインバールディスクに活性に配列された
ＳＴセラミック環を備える結合ファイバに終結される。
２つのインバールディスクはファイバ２７とカプラ４９
との配列を維持するために半田づけされる。手段（結
合）４７と同様に、結合５１は、逆反射を抑制するため
に中間屈折率の紫外線硬化エポキシを含むものである。
バはファイバへの入力に配列された同じタイプのゴール
ドカプラ４９に終結する。ファイバ２７の出力とカプラ
４９との配列は、入力の場合と同様に達成される。特
に、カプラ４９の入力及びファイバ２７の出力は従来の
方法で、２つのインバールディスクに活性に配列された
ＳＴセラミック環を備える結合ファイバに終結される。
２つのインバールディスクはファイバ２７とカプラ４９
との配列を維持するために半田づけされる。手段（結
合）４７と同様に、結合５１は、逆反射を抑制するため
に中間屈折率の紫外線硬化エポキシを含むものである。
【００６７】ゴールド社によって製造されたモデルＯＴ
ＰＩＳＯ１５のような偏光無感覚光アイソレータ５３
は、カプラ４９の１５３５ｎｍ出力脚に取り付けられ
る。アイソレータ５３の出力は、従来のＳＴ−ＰＣ単一
モードコネクタ５５（０．１５ｄＢ損失かつ−４５ｄＢ
逆反射）に終結する。図１のファイバケーブル２１、２
３は、増幅器２５に１５３５ｎｍ信号を運び、この増幅
器の出力のアイソレータ５３と同じタイプのアイソレー
タ５９に結合される従来のＳＴ−ＰＣコネクタにおいて
終結する。カプラ４５及び４９において、使用されない
ファイバ脚６１及び６３は、逆反射を排除すべくボール
レンズを形成するように溶解される。カプラ４９のもう
一つの脚６９は、ファイバ２７からの１０６４ｎｍ光を
選択的に通過させ、従来からある非反射金属ブロック７
１に終結する。
ＰＩＳＯ１５のような偏光無感覚光アイソレータ５３
は、カプラ４９の１５３５ｎｍ出力脚に取り付けられ
る。アイソレータ５３の出力は、従来のＳＴ−ＰＣ単一
モードコネクタ５５（０．１５ｄＢ損失かつ−４５ｄＢ
逆反射）に終結する。図１のファイバケーブル２１、２
３は、増幅器２５に１５３５ｎｍ信号を運び、この増幅
器の出力のアイソレータ５３と同じタイプのアイソレー
タ５９に結合される従来のＳＴ−ＰＣコネクタにおいて
終結する。カプラ４５及び４９において、使用されない
ファイバ脚６１及び６３は、逆反射を排除すべくボール
レンズを形成するように溶解される。カプラ４９のもう
一つの脚６９は、ファイバ２７からの１０６４ｎｍ光を
選択的に通過させ、従来からある非反射金属ブロック７
１に終結する。
【００６８】増幅器２５の効率、出力パワー及びノイズ
特性に関しては、図４の増幅器のパフォーマンスを改善
するアレンジにより増強されるであろう。Ｅｒ3+／Ｙｂ
3+ゲイン媒体はファイバが完全に１５３５ｎｍ信号によ
り増幅されるようにファイバの全長に沿ったその３量子
レベル増幅システムにおいて飽和されなければならない
ために、１０６４ｎｍのポンプ光の主（significant ）
パワーレベルがファイバの出力に存在する。しかしなが
ら、Ｅｒ飽和を保証するために増幅器ファイバ２７の出
口端に必要とされる過剰ポンプ光の量は、Ｅｒのダイレ
クトポンピングに必要とされる量よりも少ない。もしポ
ンプパワーの主レベルがファイバ２７の出力に存在すれ
ば、カプラ４９の脚６９の端に、約１０６４ｎｍのポン
プ波長を高い率で反射するミラー（図示せず）を配置す
ることが好ましいであろう。こうすると、過剰な１０６
４ｎｍポンプ光はファイバ２７を通る第２の通路を与え
られることになり、そのため、システムゲイン、出力パ
ワー及び媒体反転分布が改善され、これら全てがノイズ
パフォーマンスを改善する。
特性に関しては、図４の増幅器のパフォーマンスを改善
するアレンジにより増強されるであろう。Ｅｒ3+／Ｙｂ
3+ゲイン媒体はファイバが完全に１５３５ｎｍ信号によ
り増幅されるようにファイバの全長に沿ったその３量子
レベル増幅システムにおいて飽和されなければならない
ために、１０６４ｎｍのポンプ光の主（significant ）
パワーレベルがファイバの出力に存在する。しかしなが
ら、Ｅｒ飽和を保証するために増幅器ファイバ２７の出
口端に必要とされる過剰ポンプ光の量は、Ｅｒのダイレ
クトポンピングに必要とされる量よりも少ない。もしポ
ンプパワーの主レベルがファイバ２７の出力に存在すれ
ば、カプラ４９の脚６９の端に、約１０６４ｎｍのポン
プ波長を高い率で反射するミラー（図示せず）を配置す
ることが好ましいであろう。こうすると、過剰な１０６
４ｎｍポンプ光はファイバ２７を通る第２の通路を与え
られることになり、そのため、システムゲイン、出力パ
ワー及び媒体反転分布が改善され、これら全てがノイズ
パフォーマンスを改善する。
【００６９】カプラ４９の脚６９の端にミラーを付加す
る代わりに、図４の破線で示された第２のポンプ源７３
が脚６９の端の部分で増幅器に付加されてもよい。この
方法によると、ファイバ２７は、ポンプ源３５及び第２
のポンプ源７３により２−指向性のポンプをされる。第
２のポンプ源７３はポンプ源３５と同じタイプのもので
あることが好ましい。増幅器２７のこの変形例による
と、ポンプ源３５及び７３は、アイソレータ５３、５９
のようなアイソレータを自身の出力に必要とするもので
ある。アイソレータは、２−指向性ポンプの結果として
のフィードバック効果がポンプ源に発生することを防ぐ
ものである。この例においては、ポンプエネルギが高く
なるほどファイバ２７の最適長さも長いものとなる。こ
のことは結局、ポンプ吸収の増加とフィードバック効果
の出来る限りの最適化につながるものである。
る代わりに、図４の破線で示された第２のポンプ源７３
が脚６９の端の部分で増幅器に付加されてもよい。この
方法によると、ファイバ２７は、ポンプ源３５及び第２
のポンプ源７３により２−指向性のポンプをされる。第
２のポンプ源７３はポンプ源３５と同じタイプのもので
あることが好ましい。増幅器２７のこの変形例による
と、ポンプ源３５及び７３は、アイソレータ５３、５９
のようなアイソレータを自身の出力に必要とするもので
ある。アイソレータは、２−指向性ポンプの結果として
のフィードバック効果がポンプ源に発生することを防ぐ
ものである。この例においては、ポンプエネルギが高く
なるほどファイバ２７の最適長さも長いものとなる。こ
のことは結局、ポンプ吸収の増加とフィードバック効果
の出来る限りの最適化につながるものである。
【００７０】さらに、第２のポンプ源は、１０４７ｎｍ
又は１０５３ｎｍの特性放射を有するＹＬＦのような別
のＮｄ3+ドープ結晶であってもよい。この例によると、
２つのポンプ波長は周波数において重なるものとはなら
ず、そのため、レーザポンプ源のフィードバックによる
不安定を引き起こすことがない。
又は１０５３ｎｍの特性放射を有するＹＬＦのような別
のＮｄ3+ドープ結晶であってもよい。この例によると、
２つのポンプ波長は周波数において重なるものとはなら
ず、そのため、レーザポンプ源のフィードバックによる
不安定を引き起こすことがない。
【００７１】図５及び図６は、本発明者が図３及び図４
の原型増幅器を試験した結果を示すグラフである。最良
のパフォーマンス特性を得るために、種々の異なった構
成のエルビウムファイバ２７が増幅器に組み込まれた。
図５及び図６に示されたデータは、最新かつ最良のシス
テムの達成した結果を反映したものである。最良のパフ
ォーマンスを備えるファイバは、開口数が０．１４であ
り、コア直径が４．９μｍであった。このファイバは、
図３で説明したように製造され、その成分はＥｒ3+が
０．５重量％であり、Ｙｂ3+が１２重量％であった。
の原型増幅器を試験した結果を示すグラフである。最良
のパフォーマンス特性を得るために、種々の異なった構
成のエルビウムファイバ２７が増幅器に組み込まれた。
図５及び図６に示されたデータは、最新かつ最良のシス
テムの達成した結果を反映したものである。最良のパフ
ォーマンスを備えるファイバは、開口数が０．１４であ
り、コア直径が４．９μｍであった。このファイバは、
図３で説明したように製造され、その成分はＥｒ3+が
０．５重量％であり、Ｙｂ3+が１２重量％であった。
【００７２】約１．５マイクロワット（−２８ｄＢｍ）
のパワーを有する入力信号では、本発明者は、１２０ミ
リワットの吸収ポンプパワーにおいて３４．５ｄＢ（す
なわち、約２８００倍の増幅）の信号ゲインを観測し
た。図５のグラフのデータ点を集めるために、入力信号
を１．５マイクロワットに維持しかつポンプパワーを約
４０ミリワットから２１０ミリワットまで変化させた。
図５のデータから解るように、吸収されたポンプパワー
は約２５ミリワットから１２０ミリワットまで変化し
た。図４の装置から、吸収されたポンプパワーは、ポン
プ出力カプラポート７１でのポンプパワーの測定、手段
４７、５１における結合損失の測定、及び、ファイバ２
７のポンプ波長での減衰損失の知識によって決定され
る。
のパワーを有する入力信号では、本発明者は、１２０ミ
リワットの吸収ポンプパワーにおいて３４．５ｄＢ（す
なわち、約２８００倍の増幅）の信号ゲインを観測し
た。図５のグラフのデータ点を集めるために、入力信号
を１．５マイクロワットに維持しかつポンプパワーを約
４０ミリワットから２１０ミリワットまで変化させた。
図５のデータから解るように、吸収されたポンプパワー
は約２５ミリワットから１２０ミリワットまで変化し
た。図４の装置から、吸収されたポンプパワーは、ポン
プ出力カプラポート７１でのポンプパワーの測定、手段
４７、５１における結合損失の測定、及び、ファイバ２
７のポンプ波長での減衰損失の知識によって決定され
る。
【００７３】本発明者の知識の限りにおいて、図５のグ
ラフにプロットされた小信号ゲインは、究極のポンプ源
であるダイオードレーザを用いたいかなる現存のエルビ
ウムドープファイバ増幅器システムにより達成されると
同じ或いはそれ以上の性能を示すものである。さらに、
図６のデータが示すように、これらゲインは出力パワー
の高いレベルにおいて実現される。
ラフにプロットされた小信号ゲインは、究極のポンプ源
であるダイオードレーザを用いたいかなる現存のエルビ
ウムドープファイバ増幅器システムにより達成されると
同じ或いはそれ以上の性能を示すものである。さらに、
図６のデータが示すように、これらゲインは出力パワー
の高いレベルにおいて実現される。
【００７４】これに関し、図６のデータは、吸収された
ポンプパワーを１４０ミリワットのレベルに維持する一
方で入力信号のパワーを変化させることにより得られた
ものである。パワー飽和（すなわち、ゲインの３ｄＢの
減少）は、１４８０ポンプ源について約１５ｄＢｍの出
力パワーで起こる（マサル スヤマ スノウマス参
照）。本発明者の知識の限りにおいて、図５及び図６の
データで示された高パワー及び高ゲインパフォーマンス
は、ダイレクトポンプ源として単一ダイオードレーザを
用いた周知のエルビウムファイバ増幅器によっては決し
て同程度に得られないものである。
ポンプパワーを１４０ミリワットのレベルに維持する一
方で入力信号のパワーを変化させることにより得られた
ものである。パワー飽和（すなわち、ゲインの３ｄＢの
減少）は、１４８０ポンプ源について約１５ｄＢｍの出
力パワーで起こる（マサル スヤマ スノウマス参
照）。本発明者の知識の限りにおいて、図５及び図６の
データで示された高パワー及び高ゲインパフォーマンス
は、ダイレクトポンプ源として単一ダイオードレーザを
用いた周知のエルビウムファイバ増幅器によっては決し
て同程度に得られないものである。
【００７５】小信号ゲイン及び図６のパワー結果の両方
共が、入力コネクタ５７での入力信号から出力コネクタ
５５での出力信号までで測定されたものであって、シス
テムの結果である。増幅ファイバ２７はまだコアの大き
さ、開口数、及び結合方法に関して完全に最適化されて
いないので、大きなシステム結合損失がある。たとえ
ば、入力コネクタ５７から手段４７における増幅ファイ
バの入力端までの入力信号の損失は、約４ｄＢである。
損失は、さらに手段５１における増幅ファイバの出力端
から出力コネクタ５５までの方がわずかに大きくなる。
ファイバ、結合方法及び１０６４／１５３５特定ＷＤＭ
カプラを改良すると、システムパフォーマンスの大幅な
改善が期待される。
共が、入力コネクタ５７での入力信号から出力コネクタ
５５での出力信号までで測定されたものであって、シス
テムの結果である。増幅ファイバ２７はまだコアの大き
さ、開口数、及び結合方法に関して完全に最適化されて
いないので、大きなシステム結合損失がある。たとえ
ば、入力コネクタ５７から手段４７における増幅ファイ
バの入力端までの入力信号の損失は、約４ｄＢである。
損失は、さらに手段５１における増幅ファイバの出力端
から出力コネクタ５５までの方がわずかに大きくなる。
ファイバ、結合方法及び１０６４／１５３５特定ＷＤＭ
カプラを改良すると、システムパフォーマンスの大幅な
改善が期待される。
【００７６】以上の記述から、増感剤をドープされかつ
ネオジムレーザロッド（レーザダイオードによりポンプ
される）によってポンプされるエルビウムガラスは、
１．５３５μｍ領域における光の高パワーかつ高ゲイン
の光学的増幅器を提供するものであることが明らかであ
る。この増幅器は、高出力パワーレベルを達成するため
のダイオードポンプ源を利用する従来で最良のエルビウ
ムファイバ増幅器システムと比較して、小信号ゲインを
維持するものである。これに関して、この増幅器は、図
示されたような高パワーでの応用にとって理想的であ
る。他の可能な応用としては、ソリトンパルス増幅、及
び、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry ）
又は範囲検出測定のための短パルスダイオードの増幅が
ある。
ネオジムレーザロッド（レーザダイオードによりポンプ
される）によってポンプされるエルビウムガラスは、
１．５３５μｍ領域における光の高パワーかつ高ゲイン
の光学的増幅器を提供するものであることが明らかであ
る。この増幅器は、高出力パワーレベルを達成するため
のダイオードポンプ源を利用する従来で最良のエルビウ
ムファイバ増幅器システムと比較して、小信号ゲインを
維持するものである。これに関して、この増幅器は、図
示されたような高パワーでの応用にとって理想的であ
る。他の可能な応用としては、ソリトンパルス増幅、及
び、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometry ）
又は範囲検出測定のための短パルスダイオードの増幅が
ある。
【００７７】もちろん、本発明の光ファイバは、図４の
光増幅器２１の入力と出力との間に正帰還を加えること
によって、放射の源としても用いることが可能である。
正帰還は、周知のように源出力波長に近似した波長であ
る共鳴波長を有する適当な光学空洞に容易に備えられ
る。
光増幅器２１の入力と出力との間に正帰還を加えること
によって、放射の源としても用いることが可能である。
正帰還は、周知のように源出力波長に近似した波長であ
る共鳴波長を有する適当な光学空洞に容易に備えられ
る。
【００７８】これに関連して、本発明の光ファイバが、
リングレーザ、短パルスレーザ及びファイバジャイロの
ようなスーパールミネッセンス源といったあらゆるタイ
プの源に適用可能であることは当業者にとって明白であ
ろう。さらに、本発明の光ファイバは、その低ノイズ及
び高増幅のために、ＬＩＤＡＲ及び範囲検出（rangefin
ding）応用に適用される光学的検出増幅器に用いると好
適である。
リングレーザ、短パルスレーザ及びファイバジャイロの
ようなスーパールミネッセンス源といったあらゆるタイ
プの源に適用可能であることは当業者にとって明白であ
ろう。さらに、本発明の光ファイバは、その低ノイズ及
び高増幅のために、ＬＩＤＡＲ及び範囲検出（rangefin
ding）応用に適用される光学的検出増幅器に用いると好
適である。
【００７９】以上に述べたとおり、固体レーザ源からの
ポンプビームによって効率的にポンプされるすべての光
ファイバ増幅器及び源に用いられる改良光ファイバが開
示された。以上の開示は本発明を当業者に説明するため
の例示に過ぎないものであって、本発明は特許請求の範
囲の観点内においてさまざまな設計変更が可能である。
ポンプビームによって効率的にポンプされるすべての光
ファイバ増幅器及び源に用いられる改良光ファイバが開
示された。以上の開示は本発明を当業者に説明するため
の例示に過ぎないものであって、本発明は特許請求の範
囲の観点内においてさまざまな設計変更が可能である。
【００８０】
【発明の効果】高効率かつ長寿命であり、高い小信号ゲ
イン及び高い出力飽和パワーを有し、光ノイズが量子限
界に近い無水けい酸光ファイバを提供できる。
イン及び高い出力飽和パワーを有し、光ノイズが量子限
界に近い無水けい酸光ファイバを提供できる。
【図１】本発明によるイッテルビウムのような増感剤を
コドープしたエルビウムガラスファイバを利用する光増
幅器を組み入れた光通信システムの概略的ブロック図で
ある。
コドープしたエルビウムガラスファイバを利用する光増
幅器を組み入れた光通信システムの概略的ブロック図で
ある。
【図２】レーザダイオードポンプ源から増感剤へそして
ガラスファイバのエルビウムへのエネルギ遷移を示すた
めの、従来の記述法による量子レベルでの図である。
ガラスファイバのエルビウムへのエネルギ遷移を示すた
めの、従来の記述法による量子レベルでの図である。
【図３】図１の光増幅器に用いられるエルビウムファイ
バの一例の断面図である。
バの一例の断面図である。
【図４】図１の光増幅器の一例の概略図である。
【図５】図４の増幅器の小信号ゲインと吸収されたポン
プパワーのさまざまなレベルとの関係を示すグラフであ
る。
プパワーのさまざまなレベルとの関係を示すグラフであ
る。
【図６】図４の増幅器の小信号ゲインと増幅器の出力パ
ワーとの関係を示すグラフであって、増幅器のパワー飽
和が約＋１０ｄＢｍであることを示しているグラフであ
る。
ワーとの関係を示すグラフであって、増幅器のパワー飽
和が約＋１０ｄＢｍであることを示しているグラフであ
る。
【図７】８２０ｎｍ励起のもとで測定された４つのファ
イバの蛍光スペクトルを表わす図である。
イバの蛍光スペクトルを表わす図である。
【図８】ファイバの異なった成分構成についてのイッテ
ルビウム崩壊の崩壊時間を表わわす図である。
ルビウム崩壊の崩壊時間を表わわす図である。
２５ 光増幅器 ２７ 増幅ファイバ ２９ コア ３１ クラッディング ３５ ポンプ源 ４５ ２色カプラ ４９ ２色カプラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム・レスリー・バーンズ イギリス国バセット・サザンプトン・エス オー１・３ビーワイ・オーバークリッフ・ ライズ２ (72)発明者 ジャネット・エリザベス・タウンゼント イギリス国イングランド・ハンプシャー・ ハンブル・バートン・ドライブ48
Claims (11)
- 【請求項１】量子エネルギ準位が 4Ｉ13/2準安定状態か
ら 4Ｉ15/2基底状態へと遷移するときに放射を発生する
ような濃度のエルビウムイオンと、 量子エネルギ準位が 2Ｆ7/2 状態の熱励起副準位から 2
Ｆ5/2 準安定状態へ励起するときに放射を吸収し、か
つ、量子エネルギ準位が 2Ｆ5/2 状態から 2Ｆ7/2 状態
へと逆遷移するとき上記エルビウムイオンの量子エネル
ギ準位を 4Ｉ15/2基底状態から 4Ｉ11/2状態へ励起する
濃度のイッテルビウムイオンと、 上記エルビウムイオンから上記イッテルビウムイオンへ
のエネルギ逆遷移を減少させるべく上記エルビウムイオ
ンの 4Ｉ11/2状態から 4Ｉ13/2状態への崩壊時間を短縮
させる濃度の燐酸塩とを備えている光増幅器及び源に用
いられる無水けい酸光ファイバ。 - 【請求項２】量子エネルギ準位が 4Ｉ13/2準安定状態か
ら 4Ｉ15/2基底状態へと遷移するときに放射を発生する
ように、濃度が１００から１０，０００ｐｐｍの範囲で
あるエルビウムイオンと、 量子エネルギ準位が 2Ｆ7/2 状態の熱励起副準位から 2
Ｆ5/2 準安定状態へ励起するときに放射を吸収し、か
つ、量子エネルギ準位が 2Ｆ5/2 状態から 2Ｆ7/2 状態
へと逆遷移するとき上記エルビウムイオンの量子エネル
ギ準位を 4Ｉ15/2基底状態から 4Ｉ11/2状態へ励起する
ように、濃度が１，０００から１００，０００ｐｐｍの
範囲であるイッテルビウムイオンと、 上記エルビウムイオンから上記イッテルビウムイオンへ
のエネルギ逆遷移を減少させるべく上記エルビウムイオ
ンの 4Ｉ11/2状態から 4Ｉ13/2状態への崩壊時間を短縮
させるように、濃度が２から２５モルパーセントの範囲
である燐酸塩とを備えている光増幅器及び源に用いられ
る無水けい酸光ファイバ。 - 【請求項３】上記イッテルビウムイオンと上記エルビウ
ムイオンとの比が４：１から８０：１の範囲である請求
項２の無水けい酸光ファイバ。 - 【請求項４】アルミナの濃度が約８モルパーセント以下
である請求項２の無水けい酸光ファイバ。 - 【請求項５】上記イッテルビウムイオンに吸収される放
射が９８０から１，０８０ｎｍの範囲の波長の放射であ
る請求項２の無水けい酸光ファイバ。 - 【請求項６】上記エルビウムの発する放射が１，５００
から１，６５０ｎｍの範囲の波長の放射である請求項２
の無水けい酸光ファイバ。 - 【請求項７】量子エネルギ準位が 4Ｉ13/2準安定状態か
ら 4Ｉ15/2基底状態へと遷移するときに放射を発生する
ように、濃度が約１，０００ｐｐｍであるエルビウムイ
オンと、 量子エネルギ準位が 2Ｆ7/2 状態の熱励起副準位から 2
Ｆ5/2 準安定状態へ励起するときに放射を吸収し、か
つ、量子エネルギ準位が 2Ｆ5/2 状態から 2Ｆ7/2 状態
へと逆遷移するとき上記エルビウムイオンの量子エネル
ギ準位を 4Ｉ15/2基底状態から 4Ｉ11/2状態へ励起する
ように、濃度が約３０，０００ｐｐｍであるイッテルビ
ウムイオンと、 上記エルビウムイオンから上記イッテルビウムイオンへ
のエネルギ逆遷移を減少させるべく上記エルビウムイオ
ンの 4Ｉ11/2状態から 4Ｉ13/2状態への崩壊時間を短縮
させるように、濃度が約１０モルパーセントである燐酸
塩と、 濃度が約８モルパーセント以下であるアルミナとを備え
ている光増幅器及び源に用いられる無水けい酸光ファイ
バ。 - 【請求項８】上記アルミナの濃度が約５モルパーセント
未満である請求項７の無水けい酸光ファイバ。 - 【請求項９】上記イッテルビウムイオンに吸収される放
射が約１，０３０から１，０７０ｎｍの範囲の波長の放
射である請求項７の無水けい酸光ファイバ。 - 【請求項１０】上記エルビウムの発する放射が約１，５
００から１，５８０ｎｍの範囲の波長の放射である請求
項９の無水けい酸光ファイバ。 - 【請求項１１】量子エネルギ準位が 4Ｉ13/2準安定状態
から 4Ｉ15/2基底状態へと遷移するときに約１，５００
から１，５８０ｎｍの範囲の波長の放射を発生するよう
に、濃度が約１，０００ｐｐｍであるエルビウムイオン
と、 量子エネルギ準位が 2Ｆ7/2 状態の熱励起副準位から 2
Ｆ5/2 準安定状態へ励起するときに約１，０３０から
１，０７０ｎｍの範囲の波長の放射を吸収し、かつ、量
子エネルギ準位が 2Ｆ5/2 状態から 2Ｆ7/2 状態へと逆
遷移するとき上記エルビウムイオンの量子エネルギ準位
を 4Ｉ15/2基底状態から 4Ｉ11/2状態へ励起するよう
に、濃度が約３０，０００ｐｐｍであるイッテルビウム
イオンと、 上記エルビウムイオンから上記イッテルビウムイオンへ
のエネルギ逆遷移を減少させるべく上記エルビウムイオ
ンの 4Ｉ11/2状態から 4Ｉ13/2状態への崩壊時間を短縮
させるように、濃度が約１０モルパーセントである燐酸
塩と、 上記イッテルビウムイオンから上記エルビウムイオンへ
のエネルギ遷移を改善するように、濃度が約５モルパー
セント以下であるアルミナとを備えている光増幅器及び
源に用いられる無水けい酸光ファイバ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US735,387 | 1991-07-24 | ||
| US07/735,387 US5225925A (en) | 1991-01-23 | 1991-07-24 | Sensitized erbium fiber optical amplifier and source |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05206564A true JPH05206564A (ja) | 1993-08-13 |
Family
ID=24955567
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4213774A Pending JPH05206564A (ja) | 1991-07-24 | 1992-07-17 | 無水けい酸光ファイバ |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5225925A (ja) |
| EP (1) | EP0533324B1 (ja) |
| JP (1) | JPH05206564A (ja) |
| DE (1) | DE69224690T2 (ja) |
Cited By (6)
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