JPH06232489A

JPH06232489A - 光増幅用希土類ドープ光ファイバ

Info

Publication number: JPH06232489A
Application number: JP5020121A
Authority: JP
Inventors: Yoshitake Nishida; 好毅西田; Teruhisa Kanamori; 照寿金森; Yasutake Oishi; 泰丈大石; Kazuo Fujiura; 和夫藤浦; Shoichi Sudo; 昭一須藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1993-02-08
Publication date: 1994-08-19
Anticipated expiration: 2013-05-20
Also published as: JP2755280B2

Abstract

(57)【要約】【目的】低損失で高効率な光増幅用希土類ドープ光フ
ァイバを提供する。【構成】希土類元素イオンを含有する光増幅用希土類
ドープ光ファイバの少なくともコア中に、Ｌｉ⁺ ，Ｎａ
⁺ ，Ｋ⁺ ，Ｒｂ⁺ ，Ｃｓ⁺ およびＦｒ⁺ のうち少なくと
も１種類を含有させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低損失で増幅効率の高
い光増幅用希土類ドープ光ファイバに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ファイバのコアに希土類元素イ
オンをドープし、４ｆ殻内遷移の誘導放出を用いた希土
類ドープ光ファイバ増幅器の研究が精力的に行われ、Ｅ
ｒ³⁺イオンをドープした石英系光ファイバについては波
長１．５μｍの光通信システムへの応用が進められてい
る。希土類ドープ光ファイバ増幅器は、高利得でかつ偏
波に依存しない利得特性を有し、また、低い雑音指数お
よび広帯域な波長特性を有するため、光通信システムに
おける応用が極めて魅力あるものとなっている。

【０００３】一方、石英系ファイバの波長分散が零とな
る１．３μｍ帯は１．５μｍとならんで光通信では重要
な波長帯であり、この１．３μｍ帯で動作する光ファイ
バ増幅器の研究がＮｄ³⁺イオンをドープした石英系光フ
ァイバあるいはフッ化物光ファイバを用いて行われてき
た。しかしながら、前記両ファイバとも光通信に使用さ
れる１．３１μｍではＮｄ³⁺イオンの励気状態吸収（Ｅ
ｘｃｉｔｅｄＳｔａｔｅＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）が
大きいため（Ｗ．Ｊ．Ｍｉｎｉｓｃａｌｃｏ他，Ｅｌｅ
ｃｔｏｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２４，１９８８，
ｐ２８）増幅が確認されていない。

【０００４】このような、状況から１．３１μｍで増幅
作用を有する光ファイバ増幅器の実現が強く望まれてお
り、その候補の一つとしてジルコニウム系フッ化物ガラ
スをホスト材料としＰｒ³⁺をレーザ活性イオンとしてド
ープした光ファイバを用いた光増幅器が提案されている
（ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ’９１
ＳａｎＤｉｅｇｏ（１９９１ＰＤ２）参照）。

【０００５】また、光線路監視用システムとして、検討
が進められている１．６５μｍ帯においては、Ｔｍ³⁺を
活性イオンとしてドープした石英系光ファイバを用いた
光増幅器が提案されているなど、希土類元素イオンをド
ープした光ファイバ増幅器の実現への期待は大きい。

【０００６】このうち、フッ化物ガラスは低いフォノン
エネルギーを持つことから１．３μｍ帯の光増幅器用光
ファイバの良好なホスト媒体として注目されており、Ｐ
ｒ³⁺をドープしたフッ化物光ファイバは特に注目されて
いる。また、Ｅｒ³⁺，Ｎｄ³⁺，Ｔｍ³⁺などの希土類元素
イオンのホスト媒体としても光増幅の高効率化を目指す
上で注目されている。

【０００７】この希土類元素イオンドープ光ファイバの
光増幅器としての適用において、光増幅の高効率化を図
るために本発明者らは鋭意検討した結果、次のようなこ
とが有効であることを見いだした。

【０００８】（１）ホスト媒体自身がもつフォノンエネ
ルギーを小さくし、光増幅用希土類元素イオンの蛍光寿
命を長くすること、（２）コア−クラッド間の比屈折率
差（Δｎ）を大きくしてファイバのコア中での励起光の
パワー密度を高くとること、（３）活性イオンとしてド
ープした希土類元素イオンの配位子場を制御して、励起
順位の蛍光寿命を長くすること、（４）光増幅用希土類
元素イオンを高濃度にドープして増幅効率を上げること
などである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】これらの方法のうち、
（１）について、従来のジルコニウム系フッ化物ファイ
バにおいては、Ｚｒ−Ｆの結合による５００ｃｍ^-1近傍
のエネルギーを持ったフォノンによる非輻射遷移のため
にドープされた希土類元素イオンの励起準位での蛍光寿
命が制限され、光増幅用希土類イオンの量子効率が改善
されない問題点があった。この点については先に出願し
た特願平４−１５７０５８号に記載されているようなフ
ォノンエネルギーの小さいインジウム系のフッ化物ガラ
スを用いることにより蛍光寿命を倍に改善されている。

【００１０】また、（２）の比屈折率差（Δｎ）を大き
くすることに関して、従来のジルコニウム系フッ化物ガ
ラスにおいて、ＬｉＦと共にＰｂＦ₂ をコアに添加する
ことによってガラスの安定性を損ねることなくコア，ク
ラッド間の比屈折率差を大きくする方法が提案されてい
る。

【００１１】しかしながら上記（３），（４）について
は、下記のような問題点があった。すなわち、従来のフ
ッ化物ガラスにおいては、光増幅用希土類元素イオンと
してドープした希土類元素イオンはガラス中の様々なサ
イト（配位子場）におさまっており、そのサイトに応じ
た価数状態をとっている。従って、上記のガラス中にお
いて希土類元素イオンは異なる蛍光寿命をもって存在し
ており、希土類元素イオンを高濃度にドープした場合、
長い蛍光寿命を持った希土類元素イオンと、短い蛍光寿
命を持った希土類元素イオンとの間に相互作用が生じる
（大石泰丈他、ＯＱＥ９１−１１２ｐ６１）。このた
めに、光増幅にあずかる希土類元素イオンの蛍光寿命が
短くなり、光ファイバ増幅器に応用した場合、高効率化
が図れないという問題があった。この問題は特に高濃度
に光増幅用希土類元素イオンをドープした場合に顕著で
あった。

【００１２】図１１は、ジルコニウム系フッ化物ガラス
を母体とした場合の ¹Ｇ₄ → ³Ｈ₅遷移による１．３μ
ｍ蛍光寿命のＰｒ³⁺濃度依存性を示している。図中ｅ₁
は蛍光減衰曲線において蛍光強度が初期値から初期値の
ｅ^-1になるまでの時間、ｅ₂は蛍光強度がｅ^-1からｅ^-2
になるまでの時間、ｅ₃ は蛍光強度がｅ^-2からｅ^-3にな
るまでの時間を表している。この図において希土類元素
イオンがガラス母体中で単一の原子価をとった状態で存
在しているとすれば、減衰曲線は単一の指数曲線で表せ
るはずであるが、ジルコニウム系フッ化物ガラス中のＰ
ｒ³⁺の場合は図に示されているように単一の指数曲線で
は表すことができず、従って、Ｐｒ³⁺はジルコニウム系
フッ化物ガラス中で、様々に異なったサイト（配位子
場）におさまっていることがわかる。

【００１３】また、ｅ₃ の減衰曲線は最も蛍光寿命の長
いＰｒ³⁺の寄与からなっており、２００ｐｐｍ以下でよ
うやく蛍光寿命が一定値になっていることから２００ｐ
ｐｍから１０００ｐｐｍの濃度域では依然として、互い
に相互作用をもったＰｒ³⁺イオン群が存在しているもの
と考えられる。

【００１４】また、従来のジルコニウム系フッ化物ファ
イバを用いてファイバアンプモジュールを作製した場
合、使用するファイバ長が１４ｍにも及び、モジュール
の小型化、さらにはファイバ長を長くとったことによる
ファイバ自体がもつ光損失による光増幅率の減少が問題
となっていた。

【００１５】本発明の目的は、このような事情に鑑み、
低損失で高効率な光増幅用希土類ドープ光ファイバを提
供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１の発明は、コアとクラッドを有し、希土類イオン
を含有する光ファイバにおいて、少なくともコア用ガラ
スにアルカリ金属イオンとして、Ｌｉ⁺ ，Ｎａ⁺ ，Ｋ
⁺ ，Ｒｂ⁺ ，Ｃｓ⁺ ，Ｆｒ⁺ のうち少なくとも１種類を
含有することを特徴としている。

【００１７】また、第２の発明は、第１の発明の光ファ
イバであって、希土類元素イオンが２００ｐｐｍ以上ド
ープされ、コア−クラッド間の比屈折率差Δｎが１．４
％以上で、かつコアに２５ｍｏｌ％以下のＰｂＦ₂ を含
有したことを特徴としている。

【００１８】

【作用】フッ化物ガラス中においてドープされた光増幅
用活性イオンの周りには８〜１０個のＦ^- イオンが配位
する（Ｉ．Ｄ．Ａｒｒａｒｗａｌ “Ｆｌｕｏｒｉｄｅ
ＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓ” ｐ５３）。
このためミクロのスケールで見たとき局所的には希土類
元素イオンの周りに過剰な負電荷が存在している。

【００１９】このとき、ガラス母材中にＬｉ⁺ ，Ｎａ
⁺ ，Ｋ⁺ ，Ｒｂ⁺ ，Ｃｓ⁺ ，Ｆｒ⁺ などのアルカリ金属
イオンを含有させると、アルカリ金属イオンが電荷補償
イオンとして希土類元素イオンに優先的に配位し、局所
的な電気的中性条件を満たすことになり、希土類元素イ
オン間の相互作用を減少させることができる。

【００２０】通常２００ｐｐｍ以上の高濃度領域では、
希土類元素イオン間の相互作用により蛍光寿命が低下し
てしまうが、本発明では上述したように、アルカリ金属
イオンによる配位場の制御により希土類元素イオン間の
相互作用を減少させることができるため、希土類元素イ
オンを２００ｐｐｍ以上の高濃度にドープすることがで
きる。つまり、第１の発明はアルカリ金属イオンを希土
類元素イオンの配位子場制御に用いることにより、希土
類元素イオン間の相互作用を減少させ、その結果、蛍光
寿命の減少を防いで光増幅の量子効率の改善が図られる
ことになる。

【００２１】また、ファイバ中のコアでの励起光のパワ
ー密度を高くするための高Δｎ化には、ＰｂＦ₂ を添加
して屈折率を上げる方法が知られているが、従来のよう
にＢａＦ₂ をＰｂＦ₂ で置換する方法では、コアガラス
の結晶化温度（Ｔｘ）およびガラス転移温度（Ｔｇ）と
の差ΔＴがＰｂＦ₂ 含有量とともに減少し、ファイバ化
の際の加熱によりコアが結晶化し、損失が増大すること
により実効的な利得が低下してしまう。

【００２２】第２の発明によればコアガラスにＰｂＦ₂
とともにＬｉＦ，ＣｓＦ等のアルカリ金属化合物（母材
中ではアルカリ金属イオン）を含有させることによっ
て、コアガラスの転移温度はＰｂＦ₂ 濃度に依存しなく
なり、かつ結晶化温度の低下もないので、従来と同一の
クラッドガラスを用いて、ファイバの高Δｎ化が可能に
なり（比屈折率差を１．４％以上とすることができ）、
同時に線引きの際の加熱による結晶化も抑制されるの
で、ファイバの低損失化が実現でき、ファイバ増幅器に
応用した場合に実効的な利得が増加する。

【００２３】すなわち、第１および第２の発明によれ
ば、少なくともコアガラスにＬｉＦ，ＮａＦ，ＫＦ，Ｒ
ｂＦ，ＣｓＦ，ＦｒＦなどのアルカリ金属化合物を少な
くとも一種含有させることにより、コアガラスの熱安定
性を損ねることなく、かつ希土類元素イオン間の相互作
用を減少させることができるために、希土類元素イオン
を２００ｐｐｍ以上の高濃度にドープしてあっても、蛍
光寿命が減少することがないものである。従って、本発
明の光ファイバを光増幅器に応用した場合、光増幅の高
効率化に有効である。なお、本発明における希土類元素
イオンのドープ濃度は、蛍光寿命がほぼ一定に保持され
るまでの濃度とするのが好ましく、後述するように、Ｐ
ｒ³⁺の場合には３０００ｐｐｍ程度までが好ましい。

【００２４】また、本発明によれば、光増幅用希土類元
素イオンを高濃度にドープすることにより、必要の光増
幅率を得るためのファイバ長を短くすることができ、フ
ァイバアンプモジュールの小型化にも有効である。ま
た、ファイバ長を短くしたことによってファイバ自体が
もつ光損失の影響を抑えることができ、正味の光増幅率
を向上させることができる。したがって、本発明の光増
幅用ファイバをファイバアンプに応用した場合、実効的
な利得が増加する。

【００２５】第１，第２の発明の光増幅用光ファイバの
コアにドープされる希土類元素イオンとしては、１．３
μｍ帯の用途に対しては、Ｐｒ³⁺，Ｐｒ³⁺−Ｙｂ³⁺，Ｐ
ｒ³⁺−Ｎｄ³⁺およびＰｒ³⁺−Ｅｒ³⁺からなる群から選ば
れた一種を使用することができる。典型的にはＰｒ³⁺が
使用されるが、他の希土類元素イオンをコドープした場
合もＰｒ³⁺の場合と同様に４ｆ殻内遷移の誘導放出が起
こり光増幅に有効である。

【００２６】また、Ｐｒ，Ｙｂ，Ｎｄ，Ｅｒ，Ｔｍ等の
希土類元素の活性イオンをドープすることにより、１．
６５μｍ帯などの種々の波長において光増幅が可能にな
るので、光通信システムの高性能化を図ることができ
る。

【００２７】図９および図１０は励起光パワー１００ｍ
Ｗ当りの信号利得を示す特性図である。これらの図よ
り、比屈折率差が１．４％以上のときに１００ｍＷ当り
の信号利得が１０ｄＢとなることがわかる。

【００２８】したがって、例えば、励起光波長および信
号光波長でファイバ構造が単一モード条件を満たすに
は、これら光増幅用希土類ドープ光ファイバのコア半径
は一般に２μｍ以下がよく、１．９５μｍ以下が好適で
ある。しかし、コア半径に関してはこの限りではない。

【００２９】

【実施例】本発明の実施態様としては、希土類元素イオ
ンを含有する光ファイバのコアおよびクラッドの母相が
ＩｎＦ₃ ，ＺｎＦ₂ ，ＢａＦ₂ ，ＳｒＦ₂ ，ＰｂＦ₂ ，
ＣｄＦ₂ ，ＡｌＦ₃ ，ＧａＦ₃ およびＢｅＦ₂ の全ての
組成、あるいは一部の組成からなると共に、ＬａＦ₃ ，
ＣｓＦ₃ ，ＹＦ₃ ，ＧｄＦ₃ およびＬｕＦ₃ よりなる群
から選ばれた少なくとも一種を含有し、少なくともコア
用ガラスにＬｉＦ，ＮａＦ，ＫＦ，ＲｂＦ，ＣｓＦおよ
びＦｒＦよりなる群から選ばれた少なくとも一種を含有
し、かつその合計が１００ｍｏｌ％であるフッ化物ガラ
スよりなる光増幅用光ファイバがある。

【００３０】本発明のその他の実施態様としては、希土
類元素イオンを含有する光ファイバのコアおよびクラッ
ドの母相がＺｒＦ₄ ，ＨｆＦ₄ ，ＢａＦ₂ ，ＰｂＦ₂ ，
ＡｌＦ₃ ，ＩｎＦ₃ ，ＧａＦ₃ およびＢｅＦ₂ の全組成
あるいは一部の組成からなると共に、ＬａＦ₃ ，ＳｃＦ
₃ ，ＹＦ₃ ，ＧｄＦ₃ およびＬｕＦ₃ よりなる群から選
ばれた少なくとも一種を含有し、少なくともコア用ガラ
スがＬｉＦ，ＮａＦ，ＫＦ，ＲｂＦ，ＣｓＦおよびＦｒ
Ｆよりなる群から選ばれた少なくとも一種を含有し、か
つその合計が１００ｍｏｌ％よりなるフッ化物ガラスよ
り光増幅用光ファイバがある。

【００３１】また本発明は、ＺｒＦ₄ 系ガラス、ＩｎＦ
₃ 系ガラス，ＡｌＦ₃ 系ガラスなどのフッ化物ガラスの
他にも適用でき、石英系ガラス，ゲルマネートガラス，
テルライド系ガラス，リン酸系ガラスなど（泉谷敏郎監
修、“新しいガラスとその物性”、第１６章、経営シス
テム研究所発行、１９８４年、または、Ｔｏｍｏｚａｗ
ａａｎｄＰｏｒｅｍｕｓ編Ｔｒｅａｔｉｓｅｏ
ｎＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｙｖｏｌｕｍｅ２６，第４章、Ａｃ
ａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，Ｉｎｃ．１９８５等を参
照）を用いても同様な効果がみられ、希土類元素イオン
の量子効率の改善を図ることができる。

【００３２】また、上述したフッ化物ガラスの成分中の
フッ素の一部を１種または２種以上の他のハロゲン元
素、例えば、塩素（Ｃｌ），臭素（Ｂｒ），ヨウ素
（Ｉ）で置換したミックスハライドガラスを用いても同
様の効果を得ることができる。

【００３３】以下、具体的な例を示し詳細に説明する。

【００３４】（実施例１）図１は、コアガラス組成を５
１ＺｒＦ₄ −２５ＢａＦ₂ −４ＬａＦ₃ −２ＡｌＦ₃ −
１８ＸＦ（ｍｏｌ％）（ＸＦはＬｉＦ，ＮａＦ，ＫＦ，
ＲｂＦ，ＣｓＦ，ＦｒＦ）とし、光増幅用希土類元素イ
オンとしてＰｒ³⁺を５００ｐｐｍドープしたときの、ア
ルカリ金属イオンと希土類元素イオンとの距離を、パル
スＥＳＲ法を用いて測定した結果である。パルスＥＳＲ
法は、希土類元素イオンなどの不対電子をプローブとし
て、その不対電子と周りの各スピンとの相互作用から、
不対電子周囲の局所的な構造や配位状態を知るのに非常
に有効な手段である。

【００３５】この測定から、ドープされた希土類元素イ
オンの周りには、第一近接位置に平均して３個の、第二
近接位置に平均して６個のアルカリ金属イオンが配位し
ていることがわかる。

【００３６】このことは、一般にランダムな構造として
のみ理解されているガラスの構造の中に、局所的に、ミ
クロな構造があることを示すもので、ドープされた活性
イオンの周りに、負電荷を持ったフッ素イオンが配位す
ることによって生じた過剰な負電荷を、正電荷を持った
アルカリ金属イオンが活性イオンに近接して配位するこ
とによって、電気的に中和しているものと考えられる。

【００３７】これと、同様の効果は、活性イオンとし
て、Ｐｒ³⁺の他、Ｎｄ³⁺，Ｅｒ³⁺，Ｙｂ³⁺，Ｔｍ³⁺を用
いた場合にも観測された。

【００３８】図２は本発明の光ファイバのコアのガラス
組成を５１ＺｒＦ₄ −２５ＢａＦ₂−４ＬａＦ₃ −４Ａ
ｌＦ₃ −６ＮａＦ−１０ＬｉＦ（ｍｏｌ％）とし、光増
幅用希土類イオンとしてＰｒを１００ｐｐｍ〜１ｗｔ％
までドープした時の蛍光寿命の測定結果である。この図
から光増幅用希土類元素イオンとしてドープしたＰｒ³⁺
の濃度が３０００ｐｐｍの高濃度に至るまで蛍光寿命の
減少は見られず、ドープした希土類元素イオン間の相互
作用がアルカリ金属イオンによる配位子場の制御により
減少し、このことによって蛍光寿命の超寿命化が図れて
いるのがわかる。

【００３９】よって、本実施例においては、高Δｎの光
ファイバを得るために、コアガラスとして用いるガラス
組成を次のようなものとした。

【００４０】51ZrF₄−xBaF₂ −(25-x)PbF₂−2.5AlF₃ −
2.5LaF₃ −7NaF−12LiF (mol％) 図３は上記コアガラス組成を用いたときのＰｂＦ₂ 含有
量（（２５−ｘ）ｍｏｌ％）に対する結晶化温度（Ｔ
ｘ）とガラス転移温度（Ｔｇ）との差（ΔＴ）（一般に
ガラスの熱安定性を示す尺度として用いられる）と、屈
折率を示したものである。

【００４１】図３より、ΔＴはＰｂＦ₂ 濃度に依存せず
ほぼ一定である。屈折率（ｎ_D ）はＰｂＦ₂ 濃度５〜２
０ｍｏｌ％に対し、ｎ_D ＝１．５４〜１．６０の値とな
る。

【００４２】このガラスをコア組成とし、ガラス転移温
度が同程度の５０ＺｒＦ₄ −２５ＢａＦ₂ −２．５Ａｌ
Ｆ−２．５ＬａＦ₃ −２０ＮａＦ（ｍｏｌ％）の組成の
ジルコニウム系フッ化物ガラス（ｎ_D ＝１．４９５）を
クラッドに用いることによりΔｎが２．９〜６．５％の
高Δｎファイバが得られる。

【００４３】コアに５００ｐｐｍのＰｒ³⁺をドープし、
かつΔｎ＝３．７％（ｘ＝１０）とした光ファイバ１０
ｍを用いた光増幅器で０．２ｄＢ／ｍＷの高い利得係数
を得た。図４はこの光増幅器の光パワーに対する信号光
利得を示す図である。なお、励起波長は１０１７ｎｍと
した。また、得られたファイバの損失値は波長１．２５
μｍで１００ｄＢ／ｋｍと低損失であった。

【００４４】（実施例２）表１に示したフッ化物ガラス
から適宜選択したガラス組成でコアおよびクラッドを形
成し、Δｎが２．５〜６．５％の高Δｎの光ファイバを
作製した。コアに５００ｐｐｍのＰｒをドープし、かつ
Δｎ＝３．３％とした光ファイバ１０ｍを用いた光増幅
器で０．２ｄＢ／ｍＷの高い利得係数を得た。なお、励
起波長は１０１７ｎｍとした。また、得られたファイバ
の損失値は波長１．２５μｍで１００ｄＢ／ｋｍと低損
失であった。

【００４５】

【表１】

【００４６】

【表２】

【００４７】

【表３】

【００４８】

【表４】

【００４９】

【表５】

【００５０】（実施例３）実施例１で用いた光ファイバ
のコアにＹｂ³⁺３０００ｐｐｍ，Ｐｒ³⁺５００ｐｐｍを
コドープし、かつΔｎ＝３．７％とした光ファイバ１５
ｍを用いた光増幅器で、発振波長９８０ｎｍのレーザダ
イオードを励起光源として用いた時、励起光パワー１０
０ｍＷで１０ｄＢの利得が得られた。

【００５１】（実施例４）実施例１で用いた光ファイバ
のコアにＥｒ³⁺３０００ｐｐｍ，Ｐｒ³⁺５００ｐｐｍを
コドープし、かつΔｎ＝３．３％とした光ファイバ１５
ｍを用いた光増幅器で、発振波長９８０ｎｍのレーザダ
イオードを励起光源として用いた時、励起光パワー１０
０ｍＷで１０ｄＢの利得が得られた。

【００５２】（実施例５）実施例１で用いたコアガラス
組成のうち、ＢａＦ₂ を５ｍｏｌ％ほどＢａＣｌ₂ に置
換した組成を用いて、Δｎ＝３．８％、Ｐｒ³⁺を５００
ｐｐｍドープした光増幅用光ファイバを作製した。

【００５３】図５は本実施例の光増幅用光ファイバの利
得の励起光強度依存性を示した特性図である。

【００５４】コアガラスのフッ素の一部を塩素に置換え
ることによって増幅効率が改善されていることがわか
る。

【００５５】このことは、コアガラスにＢａＣｌ₂ を添
加することにより、Ｚｒ−Ｆ結合のＦの一部がＣｌに置
き換えられてフォノンエネルギーの小さなＺｒ−Ｃｌ結
合ができ、Ｐｒ³⁺の ¹Ｇ₄ 準位から ³Ｆ₄ 準位へのマル
チフォノン緩和率を低下させ、結果として ¹Ｇ₄ から ³
Ｈ₅ への量子効率が上昇したことに起因すると考えられ
る。

【００５６】本実施例では、塩素のドーパントとしてＢ
ａＣｌ₂ を用いて実験を行ったが、塩素のドーパントと
しては、例えばＢａＦＣｌ，ＬａＣｌ₃ ，ＰｂＣｌ₂ ，
ＡｌＣｌ₃ ，ＬｉＣｌ，ＹＣｌ₃ 等の他の塩化物を用い
てもよい。また、コアガラスを例えば、Ｃｌ₂ ，ＨＣ
ｌ，ＣＣｌ₄ 等の塩素系ガス中で溶融してもよい。

【００５７】塩素をコアガラスに添加すると、このガラ
スの屈折率は上昇するため、塩素の添加は、 ¹Ｇ₄ から
³Ｈ₅ への遷移の量子効率を向上させるばかりでなく、
光増幅器用光ファイバの開口数ＮＡ（ｎｕｍｅｒｉｃａ
ｌａｐｅｒｔｕｒｅ）を上昇させるにも効果が有る。

【００５８】従って、Ｐｒ³⁺のほかに塩素をコアガラス
にドープすることにより高効率な光ファイバ増幅器を作
製することができる。

【００５９】本実施例ではフッ素イオンの塩素イオンに
よる置換率を５％としたが、置換率は３０％まで上昇さ
せても光ファイバ化は可能であった。

【００６０】また、同様の効果は、フッ素の一部を臭素
で置換えた場合、ヨウ素で置換えた場合においても同様
である。

【００６１】以上の実施例では、ＺｒＦ₄ 系のフッ化物
光ファイバを用いて実験を行っていたが、例えば、Ｉｎ
Ｆ₃ 系、あるいはＡｌＦ₃ 系フッ化物ガラス等のフッ化
物ガラス（泉谷敏郎監修、“新しいガラスとその物
性”、第１６章、経営システム研修所発行、１９８４
年、または、ＴｏｍｏｚａｗａａｎｄＰｏｒｅｍｕ
ｓ編ＴｒｅａｔｉｓｅｏｎＭａｔｅｒｉａｌｓＳ
ｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｖｏｌ
ｕｍｅ２６，第４章、ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓ
ｓ，Ｉｎｃ．１９８５等を参照）に塩素，臭素または、
ヨウ素をドープしたガラスをコアガラスに用いてもよ
い。

【００６２】また、塩素，臭素または、ヨウ素を単独で
コアにドープするのでなく、例えば塩素と臭素、臭素と
ヨウ素のように混合してコアガラスにドープしても良
い。さらに、塩素，臭素またはヨウ素の置換率は上記の
実施例に述べた値に限定されるわけではない。

【００６３】（実施例６）図６は本発明の光ファイバの
コアガラス組成を２５ＩｎＦ₃ −２５ＺｎＦ₂ −１５Ｂ
ａＦ₂ −５ＳｒＦ₂ −５ＰｂＦ₂ −５ＧａＦ₃ −４ＹＦ
₃ −６ＮａＦ−１０ＬｉＦ（ｍｏｌ％）とし、光増幅用
希土類元素イオンとしてＰｒ³⁺を１００ｐｐｍ〜１ｗｔ
％までドープした時の蛍光寿命の測定結果である。

【００６４】該ガラス中においては、光増幅用希土類元
素イオンとしてドープしたＰｒ³⁺の濃度が３０００ｐｐ
ｍの高濃度に至るまで蛍光寿命の減少は見られず、ドー
プした希土類元素イオン間の相互作用が、アルカリ金属
イオンによる配位子場の制御により減少し、このことに
よって蛍光寿命の長寿命化が計れていることがわかる。

【００６５】また、本実施例で用いたインジウム系フッ
化物ガラス組成は、ジルコニウム系フッ化物ガラスに比
べて赤外吸収端が長波長に位置しており、このことは、
インジウム系フッ化物ガラス自身が持つフォノンエネル
ギーが、ジルコニウム系フッ化物ガラスよりも小さいこ
とを示している。このことによっても、ジルコニウム系
フッ化物ガラスよりも蛍光寿命の長寿命化が計られてい
る。

【００６６】図７は該ガラス組成をコアガラス組成とし
て持ち、かつ２０００ｐｐｍのＰｒ³⁺をドープし、かつ
Δｎ＝３．７％とした光ファイバを作製したときの励起
光パワーに対する信号光利得を測定した結果である。本
発明の光ファイバを用いることにより０．２２ｄＢ／ｍ
Ｗの高利得が達成されている。なお、ファイバ長８ｍと
し、励起光波長は１０１７ｎｍとした。また、得られた
ファイバの損失値は波長１．２５μｍで１００ｄＢ／ｋ
ｍと低損失であった。

【００６７】（実施例７）表６〜９に示す組成から適宜
選択したガラス組成でコアおよびクラッドを形成すると
共に、光増幅用希土類イオンとしてＰｒ³⁺を１０００ｐ
ｐｍドープし、かつΔｎ＝３．０％以上となる光増幅用
光ファイバを作製した。該光ファイバを用いた光増幅器
において励起光パワー１００ｍｗで２０ｄＢの信号光出
力が得られ、０．２ｄＢ／ｍＷの高い利得係数を得た。
なお、励起光波長は１０１７ｎｍとした。また、得られ
た光ファイバの損失値は波長１．２５μｍで１００ｄＢ
／ｋｍと低損失であった。

【００６８】

【表６】

【００６９】

【表７】

【００７０】

【表８】

【００７１】

【表９】

【００７２】（実施例８）実施例６で用いた光ファイバ
のコアにＹｂ³⁺３０００ｐｐｍ，Ｐｒ³⁺１５００ｐｐｍ
をコドープし、かつΔｎ＝３．７％とした光ファイバ８
ｍを用いた光増幅器で、発振波長９８０ｎｍのレーザダ
イオードを励起光源として用いた時、励起光パワー１０
０ｍＷで１０ｄＢの利得が得られた。

【００７３】（実施例９）実施例６で用いた光ファイバ
のコアにＥｒ³⁺３０００ｐｐｍ，Ｐｒ³⁺１５００ｐｐｍ
をコドープし、かつΔｎ＝３．３％とした光ファイバ８
ｍを用いた光増幅器で、発振波長９８０ｎｍのレーザダ
イオードを励起光源として用いた時、励起光パワー１０
０ｍＷで１０ｄＢの利得が得られた。

【００７４】（実施例１０）実施例１で用いたガラス組
成をコアガラス組成として持つような光増幅用光ファイ
バを作製し、光増幅用の活性イオンとして、Ｎｄ³⁺，Ｅ
ｒ³⁺，Ｔｍ³⁺などの希土類元素イオンをドープした。作
製した光ファイバはΔｎ＝３．３％、コア直径２μｍで
あった。

【００７５】該光ファイバ１０ｍを用いて光増幅実験を
行ったところ、それぞれ１．３μｍ，１．５μｍ，１．
６５μｍ帯において光増幅を確認することができた。

【００７６】また、コアガラスを、ＺｒＦ₄ 系ガラス，
ＩｎＦ₃ 系ガラス，ＡｌＦ₃ 系ガラスなどのフッ化物ガ
ラスの他、石英系ガラス，ゲルマネートガラス，テルラ
イド系ガラス，リン酸系ガラスなど（泉谷敏郎監修、
“新しいガラスとその物性”、第１６章、経営システム
研究所発行、１９８４年、または、Ｔｏｍｏｚａｗａａ
ｎｄＰｏｒｅｍｕｓ編ＴｒｅａｔｉｓｅｏｎＭ
ａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ
ｎｏｌｙｇｙｖｏｌｕｍｅ２６，第４章、Ａｃａｄ
ｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，ＩｎＣ．１９８５等を参照）を
用いた場合においても光増幅を確認することができた。

【００７７】（実施例１１）表１０に示した多成分石英
系ガラスの組成を、コアおよびクラッドに用いて光ファ
イバを作製した。コア径は２μｍとし、非屈折率差Δｎ
＝３．３％のシングルモードファイバとした。このファ
イバコア部に光増幅用希土類イオンとして、Ｎｄ³⁺，Ｅ
ｒ³⁺，Ｔｍ³⁺の希土類元素イオンをドープした。この光
ファイバ１０ｍを用いて光増幅実験を行ったところ、そ
れぞれ１．３μｍ，１．５μｍ，１．６５μｍ帯におい
て光増幅を確認することができた。

【００７８】

【表１０】

【００７９】（実施例１２）実施例６で用いた光ファイ
バのコアにＹｂ³⁺３０００ｐｐｍ，Ｐｒ³⁺１５００ｐｐ
ｍをコドープし、かつΔｎ＝３．７％とした光ファイバ
８ｍを用いた光増幅器で、発振波長９８０ｎｍのレーザ
ダイオードを励起光源として用いた時、励起光パワー１
００ｍＷで１０ｄＢの利得が得られた。

【００８０】（実施例１３）実施例６で用いた光ファイ
バのコアにＥｒ³⁺３０００ｐｐｍ，Ｐｒ³⁺１５００ｐｐ
ｍをコドープし、かつΔｎ＝３．３％とした光ファイバ
８ｍを用いた光増幅器で、発振波長９８０ｎｍのレーザ
ダイオードを励起光源として用いた時、励起光パワー１
００ｍＷで１０ｄＢの利得が得られた。

【００８１】（実施例１４）コアガラスのガラス組成を
５０ＺｒＦ₄ −１５ＢａＦ₂ −３．５ＬａＦ₃ −１０Ｐ
ｂＦ₂ −２ＹＦ₃ −２．５ＡｌＦ₃ −１０ＬｉＦ−７Ｎ
ａＦ（ｍｏｌ％）とすると共にコアに１５００ｐｐｍの
Ｐｒ³⁺をドープし、かつΔｎ＝３．７％とした光ファイ
バ５ｍを用いた光増幅器の励起光パワーに対する信号光
利得を測定したことろ、図８に示すように１００ｍＷで
２０ｄＢ近くの利得が得られた。

【００８２】

【発明の効果】以上、実施例で示したように、本発明に
よれば光増幅用希土類イオンの配位子場をアルカリ金属
イオンを用いて制御した光増幅用ファイバが作製でき、
また光増幅用希土類元素イオンを高濃度にドープした光
増幅用ファイバが作製できるので、利得係数および実効
的な利得が向上し、実用化にとって必須である半導体レ
ーザ励起による光増幅器を構成することができる。従っ
て、本発明の光増幅用希土類ドープ光ファイバを用いれ
ば、光通信システムの低コスト化および高性能化を図る
ことができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】コアガラス組成を、５１ＺｒＦ₄ −２５ＢａＦ
₂ −４ＬａＦ₃ −２４ＡｌＦ₃−１８ＸＦ（ＸＨ；Ｌｉ
Ｆ，ＮａＦ，ＫＦ，ＲｂＦ，ＣｓＦ，ＦｒＦ）とし、光
増幅用希土類イオンとしてＰｒ³⁺を５００ｐｐｍドープ
した時の、アルカリ金属イオンと希土類元素イオンとの
距離を、パルスＥＳＲ法を用いて測定した結果を示した
図である。

【図２】本発明の光ファイバのガラス組成を５１ＺｒＦ
₄ −２５ＢａＦ₂ −４ＬａＦ₃-4AlF₃ −６ＮａＦ−１０
ＬｉＦ（ｍｏｌ％）とし、光増幅用希土類元素イオンと
してＰｒを１００ｐｐｍ〜１ｗｔ％までドープした時の
蛍光寿命の測定結果を示した図である。

【図３】コアガラス組成を５１ＺｒＦ₄ −ｘＢａＦ₂ −
（２５−ｘ）ＰｂＦ₂ −２．５ＡｌＦ₃ −２．５ＬａＦ
₃ −７ＮａＦ−１２ＬｉＦ（ｍｏｌ％）としたときのＰ
ｂＦ₂ 含有量（（２５−ｘ）ｍｏｌ％）に対する結晶化
温度（Ｔｘ）とガラス転移温度（Ｔｇ）との差（ΔＴ）
および屈折率の関係を示した図である。

【図４】図３と同じコアガラス組成を用い、コアに５０
０ｐｐｍのＰｒ³⁺をドープし、かつΔｎ＝３．７％（ｘ
＝１０）とした光ファイバ１０ｍを用いた光増幅器を作
製したときの励起光パワーに対する信号光利得を測定し
た結果を示す図である。

【図５】実施例１で用いたコアガラス組成のうち、Ｂａ
Ｆ₂ を５ｍｏｌ％ほどＢａＣｌ₂ に置換した組成を用い
て、Δｎ＝３．８％、Ｐｒ³⁺を５００ｐｐｍドープした
光増幅用光ファイバの利得の励起光強度依存性を示した
特性図である。

【図６】本発明の光ファイバのコアガラス組成を２５Ｉ
ｎＦ₃ −２５ＺｎＦ₂ −１５ＢａＦ₂ −５ＳｒＦ₂ −５
ＰｂＦ₂ −５ＧａＦ₃ −４ＹＦ₃ −６ＮａＦ−１０Ｌｉ
Ｆ（ｍｏｌ％）とし、光増幅用希土類元素イオンとして
Ｐｒ³⁺を１００ｐｐｍ〜１ｗｔ％までドープした時の蛍
光寿命の測定結果を示す図である。

【図７】図６のガラス組成をコアガラス組成として持
ち、かつ２０００ｐｐｍのＰｒ³⁺をドープしたΔｎ＝
３．７％の光ファイバを作製したときの励起光パワーに
対する信号光利得を測定した結果を示す図である。

【図８】本発明の光ファイバにおいて５０ＺｒＦ₄ −１
５ＢａＦ₂ −３．５ＬａＦ₃ −１０ＰｂＦ₂ −２ＹＦ₃
−２．５ＡｌＦ₃ −１０ＬｉＦ−７ＮａＦ（ｍｏｌ％）
とすると共に、コアに１５００ｐｐｍのＰｒ³⁺をドープ
し、かつΔｎ＝３．７％とした光ファイバ５ｍを用いた
光増幅器の励起光パワーに対する信号光利得を測定した
結果を示す図である。

【図９】励起光パワー１００ｍＷ当りの信号利得を示す
特性図である。

【図１０】励起光パワー１００ｍＷ当りの信号利得を示
す特性図である。

【図１１】ジルコニウム系フッ化物ガラスを母体とした
場合の ¹Ｇ₄ → ³Ｈ₅ 遷移による１．３μｍ蛍光寿命の
Ｐｒ³⁺濃度依存性を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── 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 // Ｃ０３Ｃ 3/32 (72)発明者藤浦和夫東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (72)発明者須藤昭一東京都千代田区内幸町１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】希土類元素イオンを含有する光増幅用希
土類ドープ光ファイバにおいて、前記光ファイバの少な
くともコア中にＬｉ⁺ ，Ｎａ⁺ ，Ｋ⁺ ，Ｒｂ⁺ ，Ｃｓ⁺
およびＦｒ⁺ のうち少なくとも１種類を含有することを
特徴とする光増幅用希土類ドープ光ファイバ。
【請求項２】請求項１に記載の光増幅用希土類光ファ
イバであって、前記希土類元素イオンが少なくともコア
中に２００ｐｐｍ以上ドープされ、コア−クラッド間の
比屈折率差Δｎが１．４％以上であり、かつコアに２５
ｍｏｌ％以下のＰｂＦ₂ を含有したことを特徴とする光
増幅用希土類ドープ光ファイバ。