JPH077215A - 光増幅用光ファイバ - Google Patents

光増幅用光ファイバ

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JPH077215A
JPH077215A JP14360393A JP14360393A JPH077215A JP H077215 A JPH077215 A JP H077215A JP 14360393 A JP14360393 A JP 14360393A JP 14360393 A JP14360393 A JP 14360393A JP H077215 A JPH077215 A JP H077215A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光増幅用光ファイバの中に含有する希土類元
素の蛍光寿命を延ばし、増幅効率を向上させる。 【構成】 フッ化物ガラス光ファイバ組成のうちのAl
3 の含有量を1.5mol%以下にする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、低損失で効率の高い光
増幅用フッ化物光ファイバに関するものである。
【0002】
【従来の技術】周知のように、フッ化物系ガラスを構成
材料としたフッ化物光ファイバは、フッ化物系ガラスが
低いフォノンエネルギーを持つことから、レーザや光フ
ァイバ増幅器用の良好なホスト媒体として注目されてい
る。発光イオンのホスト媒体としての適用において、光
ファイバ増幅器の高効率化を図るには、(1)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すること、
(2)ホスト媒体自身がもつフォノンエネルギーを小さ
くし、光増幅用の発光イオンの蛍光寿命を長くするこ
と、(3)ドープした発光イオンの配位子場を制御し
て、発光イオンの励起順位の蛍光寿命を長くすることが
有効とされている。
【0003】これらの方法のうち、(1)の比屈折率差
(Δn)を大きくすることに関しては、特願平3−21
3568号明細書に記載されているように、従来のZr
4系フッ化物ガラス製光ファイバにおいて、PbF2
をコアガラスに添加することによって、コア、クラッド
間の比屈折率差(Δn)を大きくする方法がなされてお
り、Δnを3.7%に上げることによって、Prドープ
光ファイバ増幅器で0.2dB/mWの利得係数が達成
されている。しかし、この光ファイバでは、これ以上の
高Δn化は困難で、たとえ高Δn化しても、利得係数の
大幅な向上は期待できないという問題があった。
【0004】また、(2)については、従来のZrF4
系フッ化物ガラス製光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、ドープされた発光イオ
ンの励起順位での蛍光寿命が制限され、光増幅用発光イ
オンの量子効率が小さくなるとされていた。この点につ
いては、特願平4−157058号明細書に記載されて
いるような、フォノンエネルギーの小さいInF3 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
善することが試みられているが、ガラスの熱安定に問題
があって、ファイバの損失が高く、光増幅の高効率化は
まだ実現していない。
【0005】さらに、(3)については、従来のフッ化
物ガラス製光ファイバにおいては、光増幅用にドープさ
れた発光イオンはガラス中のさまざまなサイトに分布し
ており、そのサイト(配位子場)に応じた価数状態をと
っている。したがって、ガラス中において発光イオンは
異なる蛍光寿命をもって存在しており、例えば、希土類
元素を発光イオンとして高濃度にドープした場合、長い
蛍光寿命を持った希土類イオンと、短い蛍光寿命を持っ
た希土類イオン間の相互作用(大石泰丈他、OQE91
−112、p61参照)のために、光増幅にあずかる希
土類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、低濃度ドープに比べ、効率が悪くなると
いう問題が指摘されていた。この点に関しては、特願平
5−20121号明細書に記載されているように、アル
カリフッ化物によって配位子場の制御が試みられてお
り、これによって高濃度の希土類イオンドープにおいて
も蛍光寿命の低下(濃度消光)が小さくなるので、利得
係数の低下が防げるとされている。しかし、このアルカ
リフッ化物による配位子場の制御においては、増幅効率
は、高濃度ドープでは改善されるが、低濃度で実現され
る利得係数の最大値そのものの改善効果はほとんどな
い、という欠点があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
の問題と欠点を解決した、低損失で高効率な光増幅用光
ファイバを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記欠点を解決するため
に、本発明の光増幅用光ファイバは、コアとクラッドを
有し、コアを構成するガラスが発光イオンを含むフッ化
物系ガラス系であり、そのコアガラスに含有されるAl
3 が1.5mol%以下であることを特徴としてい
る。
【0008】かかる構成において、コア母相を、ZrF
4 とHfF4 よりなる群から選ばれた少なくとも1種を
45〜63mol%、SrF2 、BaF2 、およびPb
2をそれぞれ、10mol%以下、6〜35mol
%、および25mol%以下、かつ、BaF2 +SrF
2 +PbF2 を17〜35mol%、LaF3 、GdF
3 、LuF3 をそれぞれ8mol%以下、ScF3 、Y
3 、GaF3 、InF3 をそれぞれ6mol%以下、
ThF4 を10.5mol%以下、LiF、NaF、K
F、RbF、CsFをそれぞれ25mol%以下、Al
3 を1.5mol%以下含有し、かつそれらの合計が
100mol%であるフッ化物ガラスより構成してもよ
い。
【0009】また、前記構成において、クラッド母相
を、ZrF4 とHfF4 よりなる群から選ばれた少なく
とも1種を45〜63mol%、SrF2 、BaF2
およびPbF2 をそれぞれ、10mol%以下、6〜3
5mol%、および25mol%以下、かつ、BaF2
+SrF2 +PbF2 が17〜35mol%、La
3、GdF3 、LuF3 をそれぞれ8mol%以下、
ScF3 、YF3 、GaF3、InF3 をそれぞれ6m
ol%以下、ThF4 を10.5mol%以下、Li
F、NaF、KF、RbF、CsFをそれぞれ25mo
l%以下、AlF3 を6mol%以下、BeF2 を10
mol%以下含有し、かつそれらの合計が100mol
%であるフッ化物ガラスより構成してもよい。
【0010】本発明においては、図1に示すように、光
増幅用光ファイバのコアガラスに含有されるAlF3
1.5mol%以下にすることによって、ドープされた
発光イオンの励起順位での蛍光寿命が伸びるため、光フ
ァイバ増幅器に応用した場合、量子効率が改善され、光
増幅の高効率化が図れる。
【0011】従来の光増幅用ZrF4 系フッ化物ガラス
製の光ファイバは、2.5−6mol%のAlF3 を含
有していた。このAlF3 は、Al−Fの結合による6
00cm-1近傍の高いエネルギーのフォノン振動を持つ
が、主成分のZrF4 に比べ、低濃度であるため、ドー
プされたPr等の発光イオンの励起順位での蛍光寿命に
影響を与えるとは考えられておらず、蛍光寿命は、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によって、規定されるとさ
れていた。しかしながら、本発明によって、即ち光増幅
用フッ化物ガラス光ファイバのコアに含有されるAlF
3 を1.5mol%以下にすることによって、ドープさ
れた発光イオンの励起順位での蛍光寿命が従来のZrF
4 系フッ化物ガラスホスト中より伸びることから、光増
幅用発光イオンとしてドープされた希土類元素等の発光
イオンはAlF3 の近傍のサイトに選択的に入ることが
示唆される。したがって、従来のフッ化物ガラスホスト
においては、発光イオンの蛍光寿命はAlF3 のフォノ
ン振動による制限を受けていたと考えられ、本発明はそ
の制限を除去するので、上述した(1)と(2)の効果
により、蛍光寿命が伸び、したがって、光増幅の高効率
化が実現できる。
【0012】具体的には、本実施例のガラスをコアに用
いたファイバでPrドープファイバ光増幅器を構成した
場合、図1に示すように、蛍光寿命が20−25%伸び
るため、従来のAlF3 成分を持つ光ファイバに比べ、
同一の駆動条件では、利得が20−25%向上する(例
えば、20dB(100倍)の利得であれば24−25
dB(250−300倍)となる)。また、一定の利得
が必要な場合には、駆動条件をゆるく設定できるので
(例えば、励起光源に用いるレーザーダイオードの注入
電流を75−80%に低下できる)、光増幅器の大幅な
長寿命化が図れる。
【0013】なお、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)、沃素(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。
【0014】また、本発明のコアガラスを用いて、Δn
の高い、低損失ファイバを作製するには、クラッドとし
て熱安定性が高く、屈折率の低いガラスが必要となる
が、これには(i) 上述したコア用ガラス組成の中から低
屈折率のものを選ぶか、(ii)上述したコア用ガラス組成
に6mol%以下のAlF3 を添加した低屈折率ガラス
を用いるか、(iii) 上述したコア用ガラス組成に10m
ol%以下のBeF2 を添加した低屈折率ガラスを用い
ることにより、実現できる。即ち、クラッド用のガラス
組成として、ZrF4 とHfF4 よりなる群から選ばれ
た少なくとも1種を45〜63mol%、SrF2 、B
aF2 、およびPbF2 をそれぞれ、10mol%以
下、6〜35mol%、および25mol%以下、か
つ、BaF2 +SrF2 +PbF2 が17〜35mol
%、LaF3 、GdF3 、LuF3 をそれぞれ8mol
%以下、ScF3 、YF3 、GaF3 、InF3 をそれ
ぞれ6mol%以下、ThF4 を10.5mol%以
下、LiF、NaF、KF、RbF、CsFをそれぞれ
25mol%以下、AlF3 を6mol%以下,BeF
2 を10mol%以下含有し、かつその合計が100m
ol%であるフッ化物ガラスを、用いればよい。
【0015】本発明の光増幅用光ファイバのコアにドー
プされる発光イオンとしては、1.3μm帯の用途に対
しては、Pr、Pr−Yb、Pr−NdおよびPr−E
rからなる群から選ばれた一種を使用することができ
る。また、これ以外にもPr、Yb、Nd、Ho、E
r、Tm等の希土類元素の発光イオンや、Cr等の遷移
金属元素の発光イオンをドープすることにより、種々の
波長においての光増幅の高効率化が可能になるので、光
通信システムの高性能化・経済化を図ることができる。
【0016】次に本発明を詳細に説明する。
【0017】
【実施例】以下、本発明を実施例によって説明するが、
本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【0018】(実施例1)図2は、本発明のコアガラス
の組成を、54.5ZrF4 −15.5BaF2−12
PbF2 −3.5LaF3 −2YF3 −2.5InF3
−10CsF(mol%)にするとともに、光増幅用発
光イオンとしてPrを100〜5000ppmドープし
たときの、 14 レベルの蛍光寿命を測定した結果を示
すグラフである。500ppmのPr濃度の蛍光寿命
は、135μsecとなっており、次の比較例1に示す
AlF3 成分を持つ従来のガラス中の110μsecに
比べ、約20%蛍光寿命が伸びていることが明白に分か
る。このコア用ガラスを化学分析した結果、AlF3
混入は0.5mol%以下であり、また、他の成分の組
成ずれも0.5mol%以下であった。
【0019】(実施例2)後出の表1,表2,表3のガ
ラス組成(mol%)に対し、光増幅用発光イオンとし
てPrを500ppmドープした時の 14 レベルの蛍
光寿命を測定した結果、寿命は130〜140μsec
であった。これらの表のガラス組成は配合組成である。
比較例1に示す2.5mol%以上のAlF3 成分を持
つ従来のガラス中に比べ、20%以上蛍光寿命が伸びて
いることが明白に分かる。表1〜表3のコアガラスを化
学分析した結果、AlF3 の混入は、すべてのガラスに
おいて0.5mol%以下であり、また、他の成分の組
成ずれも0.5mol%以下であった。したがって、本
実施例から長寿命化が実現されるガラス組成範囲は、Z
rF4 とHfF4 よりなる群から選ばれた少なくとも1
種が45〜63mol%、SrF2 、BaF2 、および
PbF2 がそれぞれ、10mol%以下、6〜35mo
l%、および25mol%以下、かつ、BaF2 +Sr
2 +PbF2が17〜35mol%、LaF3 、Gd
3 、LuF3 がそれぞれ8mol%以下、ScF3
YF3 、GaF3 、InF3 がそれぞれ6mol%以
下、ThF4 が10.5mol%以下、LiF、Na
F、KF、RbF、CsFをそれぞれ25mol%以下
で、かつその合計が100mol%であることが表1〜
3から分かる。また図1を考慮すると、この組成に1.
5mol%以下のAlF3 を加えても同様の長寿命化が
図れる。
【0020】(比較例1)後出の表4の2.5mol%
以上のAlF3 を含有する従来の光増幅用フッ化物ファ
イバのコアガラス組成(mol%)に対し、光増幅用発
光イオンとしてPrを500ppmドープした時の 1
4 レベルの蛍光寿命を測定した結果、寿命は105〜1
10μsecであった。ガラス組成は配合組成である。
前の実施例1,2に示す本発明の光ファイバのガラスに
比べ、蛍光寿命が短いことが明白に分かる。表2のコア
ガラスを化学分析した結果、AlF3 の組成ずれはすべ
て0.5mol%以下であり、また、他の成分の組成ず
れも0.5mol%以下であって、配合通りの組成にな
っていることが分かった。
【0021】(実施例3)コア、クラッド組成をそれぞ
れ、56ZrF4 −15.5BaF2 −13.5PbF
2 −3.5LaF3 −2YF3 −2.5InF3 −7L
iF、47.5ZrF4 −23.5BaF2 −2.5L
aF3 −2YF3 −4.5AlF3 −20NaF(mo
l%)とし、コアに500ppmのPrをドープした、
コア径1.8μm、外径125μmの光ファイバを作製
した。得られた単一モード光ファイバのΔnは3.7%
であり、カットオフ波長は0.99μmで、損失は50
dB/km(波長1.2μm)であった。このファイバ
の40mと発振波長1.017μmのレーザーダイオー
ドを励起光源に用いた光増幅器で、0.28dB/mW
の高い利得係数が得られるとともに、図3に示すよう
に、励起光パワー100mWで25dBの高利得が得ら
れた。これらの値は、従来の、2.5〜4.5mol%
のAlF3 と500ppmのPrをコアに含有するZr
4 系フッ化物ガラス光ファイバを用いた光増幅器での
利得係数0.20dB/mWと、励起光パワー100m
Wでの利得19dBより、大幅に大きく、増幅効率が改
善されたことが明らかに分かる。
【0022】(実施例4)後出の表5に示す組成をコア
およびクラッドのガラス組成として持ち、かつ光増幅用
発光イオンとしてPrを500ppmドープした光増幅
用の高Δn(>3.6%)単一モード光ファイバを作製
した。得られた光ファイバの損失値は、波長1.2μm
で40−80dB/kmと低損失であった。該光ファイ
バと発振波長1.017μmのレーザーダイオードを励
起光源に用いた光増幅器においては、すべて0.26〜
0.30dB/mWの高い利得係数と、励起光パワー1
00mWで23〜28dBの利得を得た。
【0023】(実施例5)コア、クラッド組成をそれぞ
れ、56HfF4 −14BaF2 −12PbF2−5L
aF3 −3YF3 −10CsF、38HfF4 −14.
5BaF2 −8.5SrF2 −2.5LaF3 −2YF
3 −4.5AlF3 −10BeF2 −10NaF−10
CsF(mol%)とし、コアに3000ppmのYb
と500ppmのPrをともにドープした、コア径1.
7μm、外径125μmの光ファイバを作製した。得ら
れた単一モード光ファイバのΔnは3.8%であり、カ
ットオフ波長は0.93μmで、損失は60dB/km
(波長1.2μm)であった。該光ファイバの20m
と、発振波長980nmのレーザーダイオードとを励起
光源に用いた光ファイバ増幅器において、励起光パワー
100mWで16dBの高利得を得た。なお、該コアに
2.5mol%のAlF3 を添加したファイバで構成し
たファイバ増幅器では、励起光パワー100mWで10
dBと、利得は6dB(約1/2)低下した。
【0024】(実施例6)コア、クラッド組成をそれぞ
れ、56ZrF4 −18BaF2 −11PbF2−3.
5LaF3 −2YF3 −2.5InF3 −7LiF、4
8HfF4 −23BaF2 −2.5LaF3 −2YF3
−4.5AlF3 −3.5LiF−16.5NaF(m
ol%)とし、コアに3000ppmのYbと500p
pmのPrをともにドープした、コア径1.6μm、外
径125μmの光ファイバを作製した。得られた単一モ
ード光ファイバのΔnは3.9%であり、カットオフ波
長は0.91μmで、損失は60dB/km(波長1.
2μm)であった。該光ファイバ20mと、発振波長9
80nmのレーザーダイオードを励起光源に用いた光フ
ァイバ増幅器において、励起光パワー100mWで15
dBの高利得を得た。なお、該コア中のInF3 に変え
て2.5mol%のAlF3 を用いたファイバで構成し
たファイバ増幅器では、励起光パワー100mWで9d
Bと、利得は6dB(約1/2)低下した。
【0025】(実施例7)コア、クラッド組成をそれぞ
れ、54.5ZrF4 −22.5BaF2 −5BaCl
2 −3.5LaF3 −2YF3 −2.5InF3 −10
LiF、38.5HfF4 −15BaF2 −7.5Sr
2 −2.5LaF3 −2YF3 −4.5AlF3 −1
0BeF2 −10NaF−10CsF(mol%)と
し、コアに500ppmのPrをドープした、コア径
1.7μm、外径125μmの光ファイバを作製した。
得られた単一モード光ファイバのΔnは3.8%であ
り、カットオフ波長は0.94μmで、損失は60dB
/km(波長1.2μm)であった。該光ファイバの2
0mと、発振波長980nmのレーザーダイオードとを
励起光源に用いた光ファイバ増幅器において、励起光パ
ワー100mWで26dBの高利得を得た。
【0026】(実施例8)実施例1のガラスに、光増幅
用の活性イオンとして、Nd、Er、Ho、Tm、Cr
の発光イオンを単独にドープし、蛍光寿命を測定したと
ころ、2.5mol%のAlF3 を含有するガラス5
4.5ZrF4 −15.5BaF2 −12PbF2
3.5LaF3 −2YF3 −2.5AlF3 −10Cs
F(mol%)中に比べ、それぞれ1.3μm、1.5
μm、2μm、1.6μm、1.3μm帯での蛍光の寿
命が20%以上伸びた。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】
【表3】
【0030】
【表4】
【0031】
【表5】
【0032】
【発明の効果】以上の実施例に示したように、本発明に
よれば、光ファイバ増幅器の利得係数が向上し、実用化
にとって必須である半導体レーザー励起による光増幅器
を容易に構成することができる。したがって、Pr、N
d、Er等の発光イオンをドープすることにより種々波
長において、光増幅の高効率化が可能になることから、
光通信システムの低コスト化および高性能化が図れると
いう利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】54.5ZrF4 −15.5BaF2 −12P
bF2 −3.5LaF3 −(4.5−X)YF3 −XA
lF3 −10CsF(mol%)ガラスに500ppm
のPrをドープした場合の 14 レベルの蛍光寿命とA
lF3 濃度Xの関係を示すグラフである。
【図2】本発明の実施例1において、コア用ガラスに光
増幅用発光イオンとしてPrを100〜5000ppm
ドープした時の蛍光寿命の測定結果を示すグラフであ
る。
【図3】本発明の実施例3の、コアに500ppmのP
rを含有する光ファイバを用いた増幅器の利得特性を示
すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 照沼 幸雄 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 (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コアとクラッドを有し、前記コアを構成
    するガラスが発光イオンを含むフッ化物系のガラスであ
    り、該コアガラスに含有されるAlF3 が1.5mol
    %以下であることを特徴とする光増幅用光ファイバ。
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CN107735409B (zh) * 2015-07-06 2020-08-11 三菱瓦斯化学株式会社 树脂组合物、使用该树脂组合物的预浸料或树脂片以及使用它们的层叠板和印刷电路板

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