JPH0529698A

JPH0529698A - 光機能性ガラス

Info

Publication number: JPH0529698A
Application number: JP18486491A
Authority: JP
Inventors: Masashi Onishi; 正志大西; Takashi Kogo; 隆司向後; Koji Nakazato; 浩二中里; Hiroo Kanamori; 弘雄金森; Minoru Watanabe; 稔渡辺; Yoshiaki Miyajima; 義昭宮島
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1991-07-24
Filing date: 1991-07-24
Publication date: 1993-02-05

Abstract

(57)【要約】【目的】波長１．３μｍ帯での光増幅を可能にする光
機能性ガラス及びこれを用いたファイバ増幅器等を提供
すること。【構成】光ファイバ３０に用いる光機能性ガラスは、
活性物質であるＨｏを添加してある。レーザ光源３２か
らの波長０．５μｍ帯の励起光の存在によってＨｏが励
起される。励起されたＨｏは信号光に誘導されて、遷移
⁵Ｓ₂→⁵Ｉ₅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た場合、信号光は
増幅されることとなる。

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、光能動装置、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、ファイバレーザその他の光能動装
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 LETTERS, 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（OFC '90 Post Deadlin
e Papers(PD2-1) ）。

【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帯の領域内で利得
を得ることができなかった。

【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、本発明は簡易な励起光源を用いて
発生可能な波長０．５μｍ帯の励起光により、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、上記光ファイバ及び導波
路素子を備える光能動装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】

【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、波長０．４
９μｍ帯の励起光によって波長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光機能性ガ
ラスを見出した。

【００１２】本発明に係る光機能性ガラスでは、ホロミ
ウムイオン（Ｈｏ³⁺）を活性物質としてホストガラス
（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。

【００１３】上記の光機能性ガラスによれば、Ｈｏ³⁺を
ホストガラスに添加したことにより、波長０．５μｍ帯
の励起光を用いてＨｏ³⁺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。

【００１４】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。

【００１５】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Ｈｏ³⁺を添加した光機
能性ガラスに導入された波長約０．４８μｍの励起光
は、Ｈｏ³⁺を励起して準位⁵Ｉ₈から準位⁵Ｆ₃への電
子遷移を発生させる。このように励起された電子は、格
子緩和等によって⁵Ｓ₂に遷移することとなる。この結
果、準位⁵Ｓ₂と準位⁵Ｉ₅との間に反転分布が形成さ
れ、遷移⁵Ｓ₂→⁵Ｉ₅に対応する波長１．３μｍ帯の
輻射が可能になる。この状態のＨｏ³⁺は、波長１．３μ
ｍ帯光の存在によって誘導放出光を発生し、この帯域で
の光増幅等を可能にするものと考えられる。

【００１６】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Ｈｏ³⁺を活性物質として添加すること
により、波長０．４９μｍ帯の励起光源を用いてＨｏ³⁺
による波長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。

【００１７】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帯の光能動装置を得る上でも望ましい。
即ち、上記の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各種光能動装置へ
の応用が可能になる。

【００１８】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、石英系ガラスを活性物質であるＨｏ³⁺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。

【００１９】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。

【００２０】本発明の光能動装置は、上記光ファイバ
と、活性物質のＨｏ³⁺を励起するために波長０．５μｍ
帯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励起
光結合手段とを備える。

【００２１】上記の光能動装置によれば、励起光結合手
段により光ファイバ内に導入された波長０．５μｍ帯の
励起光によってＨｏ³⁺が励起される。この励起されたＨ
ｏ³⁺の一部又は多くは、光ファイバ内に存在する波長
１．３μｍ帯の信号光等に誘導されて、遷移⁵Ｓ₂→⁵
Ｉ₅に対応する放射光を発生し、この帯域での光増幅機
能、光スイッチ機能、光センサ機能等の諸機能の発揮を
可能にする。

【００２２】本発明のファイバ増幅器は、上記光能動装
置と、波長１．３μｍ帯の信号光を上記光ファイバ内に
導くカプラ等の信号光結合手段とを備える。

【００２３】上記のファイバ増幅器によれば、励起光結
合手段によりファイバ内に導入された波長０．５μｍ帯
の励起光によってＨｏ³⁺が励起される。この励起された
Ｈｏ³⁺の一部又は多くは、これと同時に信号光結合手段
によって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、上記光能動装
置と、上記光ファイバ内からの波長１．３μｍ帯又はそ
の近傍の光をこの光ファイバにフィードバックする共振
器構造とを備える。

【００２５】上記のファイバレーザによれば、励起光結
合手段によりファイバ内に導入された波長０．５μｍ帯
の励起光によってＨｏ³⁺が励起される。この励起された
Ｈｏ³⁺の一部又は多くは、波長１．３μｍ帯の自然放出
光等に誘導されて、放射光を発生し、波長１．３μｍ帯
でのレーザ発振が可能になる。

【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
その他の光能動装置を構成することもできる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００２８】まず、組成５３．５ＺｒＦ₄−２０ＢａＦ
₂−３．５ＬａＦ₃−３．０ＡｌＦ₃−２０ＮａＦ（ｍ
ｏｌ％）に対応する弗化物ガラスの原料を準備し、これ
らと共に活性物質であるＨｏＦ₃を所定量混合した。混
合された原料は、不活性雰囲気下、白金るつぼ中で溶融
され、その後の急令によってガラスされた。また、組成
１６Ａｌ（ＰＯ₃）₃−１０Ｌｉ₂Ｏ−４２ＬｉＦ−３
２ＢａＦ₂（ｍｏｌ％）に対応する弗燐酸塩ガラスの原
料も準備し、これらと共に活性物質であるＨｏ₂Ｏ₃を
所定量混合した。混合された原料は、不活性雰囲気下、
白金るつぼ中で溶融され、その後の急令によってガラス
された。なお、ＨｏＦ₃等の混合量は、得られた２種の
光機能性ガラス中のＨｏ³⁺の濃度が１０００ｐｐｍとな
るように調節してある。

【００２９】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２種の光機能性ガラスをそれぞれ棒状に成形し、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Ｈｏ³⁺を含まないクラ
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
ファイバに線引きする。この結果、コア直径が５μｍ
で、その外径が１２５μｍで、比屈折率差は約１．０％
の２種のシングルモードファイバが得られた。これらシ
ングルモードファイバは、測定のため長さ８ｍの光ファ
イバ試料に切り出された。

【００３０】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、活性物質
であるＨｏ³⁺を添加したコア３０ａと、コアよりも相対
的に屈折率が低くＨｏ³⁺を添加していないクラッド３０
ｂとを備える。

【００３１】図３は、光ファイバ３０を用いた波長１．
３μｍ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光ファイバ３０と、波長
０．４８８μｍ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
させる励起光結合手段たるカプラ３３とを備える。ま
た、このカプラ３３は信号光を光ファイバ３０内に導く
信号光結合手段としても機能する。２本の光ファイバ３
８、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３８ａ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。

【００３２】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、レーザ光源３２からの励起光もカプラ３３
をへて光ファイバ３０内に入射する。この励起光は活性
物質であるＨｏ³⁺の電子を準位⁵Ｆ₃に励起する。その
後、励起電子は準位⁵Ｓ₂に緩和される。この状態のＨ
ｏ³⁺は、信号光に誘導されて遷移⁵Ｓ₂→⁵Ｉ₅に対応
する波長１．３μｍ帯の放射光を発生する。したがっ
て、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。

【００３３】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。

【００３４】（例１）光ファイバ３０として、弗化物ガ
ラスからなる前述のシングルモードファイバを用いた。
レーザ光源３２としては、Ａｒレーザを用い、波長を
０．４８８μｍとし、励起光入力を１００ｍＷとした。
また、信号光源３１としては、レーザダイオード（Ｌ
Ｄ）を用い、波長を１．３１μｍとし、信号入力を−３
０ｄＢｍとした。波長１．３１μｍの信号光に対する利
得は４．５ｄＢで、その効率は０．０４５ｄＢｍ／ｍＷ
であった。

【００３５】（例２）光ファイバ３０として、弗燐酸塩
ガラスからなる前述のシングルモードファイバを用い
た。レーザ光源３２としては、上記例１と同様のＡｒレ
ーザを用い、その励起光入力を１００ｍＷとした。ま
た、信号光源３１としては、ＬＤを用い、波長を１．３
１μｍとし、信号入力を−３０ｄＢｍとした。波長１．
３１μｍの信号光に対する利得は５．８ｄＢで、その効
率は０．０５８ｄＢｍ／ｍＷであった。

【００３６】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の領域には活性物質であるＨｏ³⁺が添加され
ている。平面導波路１３０ａの他端には、グレーティン
グからなるフィルタ１３６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１３０ｃには、波長０．４８８μ
ｍの励起光を入射させる。そのレーザ光源としては、図
３のものと同様のものを用いる。

【００３７】図４の導波路素子増幅器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、
Ａｒレーザ等の励起光源からの波長０．４８８μｍ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、活性物質であるＨｏ³⁺を励起す
る。励起されたＨｏ³⁺は、信号光に誘導されて遷移⁵Ｓ
₂→⁵Ｉ₅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。

【００３８】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、Ａｒレーザ等からなるレーザ光源３２と、レンズか
らなる励起光結合装置４３とを備える。レーザ光源３２
は波長０．４８８μｍの励起光を発生する。励起光結合
装置４３は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。この場合、光ファイバ３０の入出力端
を適当な鏡面に仕上げ、共振器構造を形成する。なお、
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、リング共振器構造としたファ
イバレーザとしてもよい。

【００３９】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０．４８８μｍの励起光は、励起光結
合装置４３によって光ファイバ３０内に導入される。こ
の励起光は、光ファイバ３０内のＨｏ³⁺を励起する。励
起されたＨｏ³⁺は、波長１．３μｍ帯の自然放射光に誘
導されて、遷移⁵Ｓ₂→⁵Ｉ₅に対応する波長１．３μ
ｍ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こととな
る。

【００４０】

【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、活性物質であるＨｏを波長０．４
９μｍ帯の励起光で励起し、波長１．３μｍ帯での発光
・光増幅が可能にすることができ、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
能動装置に応用できる。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】Ｈｏ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…励起光結合手段及び信号光結合手段であるカプラ４３…励起光結合手段であるレンズ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｓ 3/094 (72)発明者中里浩二神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者金森弘雄神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者渡辺稔神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者宮島義昭東京都千代田区内幸町一丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ホストガラスにＨｏを活性物質として添
加したことを特徴とする光機能性ガラス。
【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。
【請求項３】請求項２に記載の光ファイバと、Ｈｏを
励起するため波長０．５μｍ帯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
に入射させる励起光結合手段と、を備える光能動装置。
【請求項４】請求項３に記載の光能動装置と、波長
１．３μｍ帯の信号光を前記光ファイバ内に導く信号光
結合手段とを備えるファイバ増幅器。
【請求項５】請求項３に記載の光能動装置と、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
該光ファイバにフィードバックする共振器構造とを備え
るファイバレーザ。
【請求項６】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。
【請求項７】請求項６に記載の導波路素子と、Ｈｏを
励起するため波長０．５μｍ帯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
に入射させる励起光結合手段と、を備える光能動装置。
【請求項８】請求項７に記載の光能動装置と、波長
１．３μｍ帯の信号光を前記光導波路素子内に導く信号
光結合手段とを備える導波路素子増幅器。
【請求項９】請求項７に記載の光能動装置と、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
該導波路素子にフィードバックする共振器構造とを備え
る導波路素子レーザ。