JPS63112440A - フアイバレ−ザ媒質およびこれを用いた光増幅器 - 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 本発明は光フアイバ型の発光素子として用いられるファ
イバレーザ媒質およびこれを用いた光増幅器に関する。

従来の技術 近年、光ファイバを使用した光通信システムの進歩には
めざましいものがある。光通信システムは他の通信シス
テムに比べて中継距離を長くとれ、電磁誘導雑音対策が
不要であり、高密度な情報を遠く伝搬できる等の利点を
有しているため、徐々に他の通信システムにかわりつつ
ある。

このような光通信に用いられる光ファイバの開発におい
ても、光の伝送損失を低減するために、光ファイバのコ
アおよびクラッドの材料開発、ならびに発光、受光素子
、光増幅器等の光素子の開発がさかんに進められている
。

現在使用されている光通信システムに使用されている光
ファイバは石英ガラスを材料とし、光の波長は０．８５
μｍ帯の短波長帯と１．３μｍ帯の長波長帯である。

ところで、このような光ファイバ１′−の光損失は、ガ
ラス物質および不純物の光散乱や光吸収によるものであ
る。光の散乱による損失は、物質の種類にあまり影響さ
れず、使用する光の波長の４乗に逆比例することが知ら
れている。このため、紫外線等の短波長域において光フ
ァイバを使用することは困難であるとされている。

一方、使用する光の波長が長くなると散乱による損失が
急激に小さくなるが、逆に吸収損失が増す。このような
吸収損失は、光が物質に当たったときの分子の格子振動
によるものであるため、この損失を低減するには物質が
振動し難いように重い分子で構成されかつ弱い力で結合
されているような材料を使用することが好適である。

このような吸収損失の低い材料として、フッ化物ガラス
およびハライド結晶等が知られており、その理論的伝送
損失は特定波長域において現在使用されている石英ファ
イバの１００分の１と非常に小さい。特に、このフッ化
物ガラスが通信用赤外線光ファイバとして最も期待され
、多くの機関で研究されている。このような材料で光フ
アイバシステムを構成する場合、光源としては従来の石
英ガラス系光ファイバで使用した光源より長い波長の光
を発振するレーザ発振装置やその波長で動作する光増幅
器を使用する必要があり、その実現が要望されている。

このような光源として２．６　μｍ帯で発振するＣａＦ
２　：　Ｕ”固体レーザ、２．８μｍ帯で発振する）Ｉ
Ｆ気体レーザ等が提案されている。

発明が解決しようとする問題点 前記フッ化物ガラスからなる光フアイバ用の光源として
上記のような固体および気体レーザが知られている。

しかしながら、ＵをドープしたＣａＦ２固体レーザの場
合、２．６μｍ帯の光源としては適しているが、赤外線
ファイバとの接続が困難であり、接続による光損失が非
常に大きくなってしまうという欠点がある。一方、ＨＦ
気体レーザの場合、装置自体が大型となり、光源として
大がかりなものになってしまうという問題を有していた
。

そこで本発明の目的は、レーザ光の発振波長が２．５μ
ｍ以上であり、しかも、赤外光用ファイバと直接接続可
能な光フアイバ形状を有するファイバレーザ媒質および
それを用いた光増幅器を提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明者らは、上記問題点を解決するものとして、鋭意
検討・研究を重ねた結果、ＵをＵ３＋とじて含有したフ
ッ化物ガラスファイバをレーザ媒質として用いると、フ
ッ化物ガラス等の光ファイバに低伝送損失で光を発振、
伝播でき、しかも、光ファイバとの接続が容易で光増幅
器としても使用できることを見出した。

すなわち、本発明に従うと、コア部がＵを含有し、赤外
波長の発振光を得ることを特徴とするフッ化物ガラスフ
ァイバレーザ媒質が提供される。

さらに本発明に従うと、光信号を伝播する手段と、励起
光を伝播する手段と、該光信号および励起光を伝播する
手段に接続する光学的合波器と、１端部はミラーを介し
て該光学的合波器の出力部に接続し、出力部を形成する
他端部にミラーを備えた光ファイバとを具備する光増幅
器であって、該光ファイバは、コア部がＵを含有し、赤
外波長の発振光を得ることを特徴とする光増幅器が提供
される。

本発明において、ファイバレーザ媒質に含有するＵは、
ファイバ中においてＵ３＋の形で存在し、Ｕ３−の４準
位系の電子励起状態間の遷移（Ｕ３゛のレーザ発振は、
ＣａＦ２結晶中の（Ｊ　３　゛で表わすと、基底状態よ
り４４３６ｃ＋ｃ’高いエネルギー状態にある準安定状
態ＣＩ、□７□）から、基底状態より６０９ｃｍ−２高
いエネルギー状態にある最低励起状態（’Ｉ９／。）へ
の電子遷移に伴なう誘導放射λ＝２．６１３０μｍによ
る）に基づいて赤外線レーザ発振をさせることを目的と
するものである。従って、本発明において、レーザ発振
用元素であるＵは、３価の化合物の形で、特に、ＵＦ３
としてファイバレーザ媒質に含有させるのが好ましい。

本発明において、ファイバレーザ媒質としては、ＺｒＦ
、−Ｂａ、Ｆ２−ＬａＦ：＋等のフッ化物ガラスなどの
材料を主成分とする光ファイバが使用される。

光ファイバの材料が石英系ガラスなどの材料を主成分と
する場合においては、Ｕを含有させてもガラス状態を維
持し難いため好ましくない。また本発明の目的からして
も、特に、赤外線領域における光の伝送損失の少ないフ
ッ化物ガラスが好適である。

さらに、上記のようなフッ化物ガラスの主成分に対して
、屈折率を変えるための成分または結晶化を防ぐための
成分をファイバレーザ媒質に添加することが好ましい。

このような成分としては、ＨｆＦ４、ＡｌＦ３　、Ｎａ
Ｆ、ＰｂＦ２、ＬｉＦから選ばれる少なくとも１種が好
ましい。

本発明に従うファイバレーザ媒質の好ましい組成として
は、ファイバに前記のＺｒＦａ　−ＢａＦ２−ＬａＦ３
系フッ化物ガラスを主成分として使用する場合は、（ｚ
ｒ　Ｆ　４　＋　ＨｆＦ　＜　）　＝４７〜５０ｍｏｌ
％、ＢａＦ２＝２３〜２６ｍｏｌ％、　ＬａＦ３　＝２
〜４　　ｍｏｌ％、　ＡｌＦ、　　＝２　〜５ｍｏｌ％
、（Ｌ＋Ｆ　＋ＮａＦ）　＝１７〜２０ｍｏｌ％及びＵ
Ｆ３が２ｍｏｌ％以下である。特に、ＵＦ３が２ｍｏｌ
％を超えると、ファイバ母材はガラス化組成領域からは
ずれ、ガラス化せず結晶化してしまうため好ましくない
。

これらの組成の範囲内において、コアとクラッドにおけ
る屈折率をＨｆＦ４、ＮａＦ等により適宜調整して所定
の伝送モードになるようにする。伝送モードとしては、
本発明の場合、シングルモードが好適である。

本発明の光フアイバレーザを製造する方法としては、以
下のようなビルトインキヤスティング法を用いる。まず
、コアおよびクラッド用の原料として、それぞれＨｆＦ
４、ＺｒＦ４、ＢａＦ２、ＬａＦ３、ＡＩ　Ｆ、　、Ｌ
ｉＦ　、　ＮａＦおよびＵＦ３を所定の量になるように
調製し、混合する。これらのコア用およびクラッド用混
合物につき各々、混合物全重量に対して半分量の重量の
フッ化水素アンモニウムを混合した後、金ルツボに投入
し、Ａｒガス中で９００℃で９０分程度溶融し、その後
温度を６５０℃まで下げる。クラッド用の溶融液を鋳型
にそそぎ、すぐに鋳型をさかさまにし、中央部の固まっ
ていない部分を流しだし、そこにコア用の溶融液を流し
込む。

このようにしてファイバプリフォームが得られ、これを
線引きして本発明のファイバレーザに接続する光ファイ
バのコア径と合わせることで本発明のファイバレーザ媒
質が得られる。

本発明の赤外線ファイバレーザ媒質を用いたファイバレ
ーザの発振方法としては、ファイバレーザ媒質を、レー
ザ発振波長λがＬ＝（λ／２）ｎを満足するような所定
の長さしに、カミソリ等により切断し、この両断面に反
射率が９０％程度になるように銀を蒸着し、その一方の
蒸着量を制御してハーフミラ−とし、レーザ出力部を構
成する。

このようなロッドを固定し、側面から励起光を照射して
レーザ発振させることができる。励起光としてはキセノ
ン、水銀ランプなどが用いられる。

また、以上説明したファイバレーザ媒質は光増幅器とし
て使用できるものである。光増幅器として使用するには
、照射する励起光強度をレーザ発振のしきい値の９５〜
９８％程度にしておき、レーザ媒質に該レーザ媒質の発
振波長と同じ波長の光信号を入射すばよい。この際、光
信号は反転分布が生じているレーザ媒質中をレーザ放射
現象を伴いながら通過するため、該光信号と同じ波長お
よび位相のレーザ光を発生させる。このためレーザ媒質
から増幅した信号を取り出すことができる。

作用 光ファイバの伝送損失を低減させるために、現在使用さ
れている石英ガラス系の光ファイバに代わるフッ化物ガ
ラス系の材料の光ファイバの実用化が期待されている。

しかしながら、このようなフッ化物ガラス系の光ファイ
バの伝送損失が低減する光の波長領域は、石英ガラス系
の光ファイバに用いられる光源の波長（λ＝〜１，５μ
ｍ）よりも遠赤外側（理論的にはλ＝４．５μｍ付近）
にある。このため、これまでよりも長波長側で発振する
レーデ光源が必要であり、これに応えるものとして本発
明は、フッ化物ガラス系の光ファイバと直接接続が可能
なファイバレーザ用のレーザ媒質およびこのレーザ媒質
を用い、上述のような光ファイバの中継点における光増
幅器を提供するものである。

本発明のファイバレーザのレーザ媒質はフッ化物ガラス
を主成分とし、それにＵを含有したものである。ファイ
バ中のしは、Ｕ３゛の形で存在し、ＩＪ　３　＋特有の
４準位系の電子励起状態間の遷移によリレーザ発振を行
なう。

すなわち、第２図のＷ、　Ａ、　　ハーグリーブスらに
よって示されたＣａ　Ｆ　２結晶中におけるＵ３＋のエ
ネルギー準位図において、（Ｉ！ｌ、　Ａ、　Ｈａｒｇ
ｒｅａｖｅｓ　ｅｔ　ａｌ　。

Ｐｈｙｓ、　Ｒｅｖ、　Ｌｅｔｔ、ｖｏｌ、８．７．　
　ｐ２６９〜２７２　（１９６２）〕基底状態にあるＵ
３　＋原子は励起光源によって’　Ｉ　Ｉｓ／２あるい
は第４イオン化ポテンシヤルを有するエネルギ一連続状
態に励起され、そこからすぐに無輻射遷移で’Ｉ１１／
２で示された準安定状態に遷移する。この準安定状態と
それより低エネルギー側にある４■９７□のターミナル
状態の間で反転分布が生じ、それらの間で’Ｉｌｌ／２
→’Ｉ９／２遷移がレーザ輻射を伴って起こる。

このような４準位系の電子励起状態間の遷移により、本
発明に用いられるファイバレーザの発振波長は決まる。

ただし、第２図のエネルギー準位図はＣａＦ２結晶中に
おける［Ｊ　３　＋のエネルギー準位であって、不発明
においては、Ｕ３−はフッ化物ガラス中に存在している
ために、ＣａＦ２結晶の配位子場がＩＪ　３　＋に与え
る摂動エネルギーに対して、該ガラスは結晶性がなく、
Ｕ３＋の環境がファイバ中で均一でないために、Ｕ３＋
に与える摂動エネルギーに幅をもつ。そのために、本発
明のファイバ中のＵ　３　＋のレーザ発振波長λ＝２．
６１３０μｍをほぼ中心として発振波長の不均一な拡が
りを有する。このような発振波長の拡がりは、ファイバ
中のＵ　３４の濃度および拡散度、他のドープされた元
素様に依存する。従って、発光素子として用いるには、
所望の発振波長が得られるよづにレーザ媒質長を適切に
選択することが必要である。

本発明のＵを含有したファイバレーザ媒質は、上記のよ
うに低伝送損失の光ファイバに接続する光源として好適
である。

さらに、本発明のファイバレーザ媒質は接続すべく光フ
ァイバと同径であるため、このファイバレーザ媒質を用
いた光増幅器は、光ファイバとの連結が容易であり、光
ファイバの中継点に連結して伝播される光信号を増幅す
るのに適当である。

実施例 次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発
明はこれらに何等限定されるものではない。

実施例１ 本発明のファイバレーザ媒質の製造を目的とし、まずコ
ア用の原料として、ＺｒＦ４、ＢａＦ２、ＬａＦ３、Ｎ
ａＦ　、八１Ｆ３およびＵＦ３をそれぞれモル上ヒで４
９．５＋２５．５　：３．５　：２．５　＋１８．０＋
１．０となるように調製し、容器に入れて混合した。

一方、クラッド用の原料として、ＺｒＦ４、ＨｆＦ４、
ＢａＦ２、ＬａＦ３　、八ＩＦ３、ＮａＦおよびｔＪＦ
３をそれぞれモル比で２４．２　：２３．８　：　２．
５　：　４．５　＋　２０．０：１．５になるように調
製し、容器に入れて混合した。

次に、これらの原料と、各々の全原料の半分の重量のフ
ッ化水素アンモニウムとをそれぞれの原料ごとに金ルツ
ボに投入した。これら２つの金ルツボをＡｒガス雰囲気
中で、フタをして約９００℃で９０分間溶融した後、６
５０℃まで温度を下げた。次に、このうちクラッド用の
溶融液をとりだし白金線で攪拌しながら、２６０℃に予
熱した内径８φの鋳型にそそぎ、すぐに鋳型を逆転させ
て中央部の凝固していない部分を流し出し、さらに、そ
こにコア用の溶融液を流し込んだ。その後、これを冷却
させることでファイバプリフォームを得た。

このようにして得られたプリフォームについて、ファイ
バレーデ媒質となるように、まず気泡のない部分を選び
コア径が約１３μｍとなるように線引きし、約５Ｑｃｍ
の長さとなるように両端をカミソリできすをつけて、フ
ァイバの長軸に対して垂直な切断面が得られるように切
断した。そして、両端面に、銀を、反射率が少な（とも
約９０％になるように蒸着させ、一方蒸着量を制御して
ハーフミラ−とし、他方を全反射ミラーとして、レーザ
発振に必要な共振器を作製した。

第１図は、このようにして得られた本発明のファイバレ
ーザ媒質を使用したレーザ装置の構成を示す。ファイバ
レーザ媒質１の両側に励起光源として水銀ランプ２を備
え、その周囲に水銀光が該媒質１に集光するように半円
筒形の反射鏡３を備える。さらにファイバレーザを中心
として、２つの水銀ランプを結ぶ線に直交する方向に２
つの冷却管４を備える。冷却管４には液体窒素温度程度
に冷却された液体酸素を流す。この冷却は、レーザ媒質
を冷却するためのものであり、該媒質１中におけるＵ３
゛の４準位系のエネルギー分布を安定化するためのもの
である。

このようなレーザ発振装置を使用して、所定の波長のレ
ーザ光を発振させるには、まず水銀ランプ２による励起
光を反射鏡３を使ってファイバレーザ媒質１に集光させ
る。ここで水銀ランプ２の光照射強度については、本発
明のファイバレーザ媒質１のレーザ発振のしきい値を超
える程度の照射光強度が必要であり、いったんレーザ発
振が始まると光フアイバレーザに必要なレーザ光強度と
なるように適宜照射強度を調節すればよい。

上記のように水銀ランプ２を照射することで、ファイバ
レーデ媒質ｌ中の［Ｊ”が励起され、輻射を伴った遷移
で発光する。その発光スペクトルのうち、共振器長、す
なわち、ハーフミラ−および全反射ミラーの間隔て決定
される関係を満足する波長だけが選択的に増幅され、レ
ーザ発振し、ハーフミラ−を通してレーザ出力される。

実施例２ 実施例１の原料組成の代わりにコア用の原料としてＺｒ
Ｆ、　　、ＢａＦ２、ＬａＦ３、ＡｌＦ３、ＬｉＦ、Ｉ
ｎＦ３およびｔＪＦ、をそれぞれモル比で４９：２５：
３．５：２．５　：１３：　１　：　１となるように調
製し、またクラッド用の原料として、ｌｒ　Ｆ　４、Ｂ
ａＦ２、ＬａＦ、、、ＡｌＦ３、ＬｉＦＳＮａＦ　、　
ＩｎＦ、　′Ｊ６よびＵ　Ｆ　ｙをそれぞれモル比で５
０，６　：２４．７　：２．６　：３．７　：１０．４
：　５．４　：　１　：１．６となるように調製し、実
施例１と同様にして溶融し鋳型に流し込み、ファイバプ
リフォームを得た。

このようにして得られたファイバプリフォームについて
実施例１と同様にして、加工し、本発明のファイバレー
ザ媒質を得、該ファイバレーザ媒質を用いてレーザ共振
器を作製した。

実施例３ 次に、実施例１または実施例２で得られた本発明のファ
イバレーザ媒質を使用した光増幅器を説明する。

第３図は、本発明の光増幅器の一具体例を示す概略図で
ある。

図示の装置は、光信号であるレーザ光５を伝送する光フ
ァイバ６と、レーザ媒質１を励起する励起光７を伝送す
るための光ファイバ８と、それらの光ファイバ６．８を
結合する合波器９と、該合波器９の末端に当接した本発
明のファイバレーザ媒質１とを備えるものである。レー
ザ媒質１は、共振用にその両端面に誘電体ミラー１０．
１０′　を備える。また光信号であるレーザ光５は、本
発明のファイバレーザ媒質１により発振するレーザ光と
同じ波長のレーザ光である。また励起光７は本発明のフ
ッ化物ガラスレーザ媒質１を励起するための光源である
。

このような光増幅器を用いて光信号を増幅するためには
、まず、レーザ光７を光ファイバ８を通して合波器９に
人力し、レーザ媒質１が発振するようにレーザ光７の出
力を増加する。このレーザ光７を、レーザ媒質１が発振
をはじめる強度（しきい値）の約９５％にしておき、光
信号を光ファイバ６を通して合波器９に人力する。この
ような操作により、レーザ媒質１の末端のミラー１０′
　　を介して増幅された光信号を取り出すことができる
。

発明の効果 以上、説明してきたように、本発明のファイバレーザ媒
質は光ファイバの伝送損失を低減する発振波長特性を有
する光フアイバ用発光素子であり、光ファイバとの接続
も容易である。

また、本発明のファイバレーザ媒質は光ファイバの中継
点で連結して光増幅器としでも利用することができるた
め、将来の光フアイバシステムとして有用なものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のレーザ媒質を使用してレーザ装置を
構成したー具体例である。 第２図は［ｄＦ２結晶中における１１”のエネルギー準
位図である。 第３図は、本発明の光増幅器の１例の概略図である。 （主な参照番号）

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）コア部がＵを含有し、赤外波長の発振光を得るこ
   とを特徴とするフッ化物ガラスファイバレーザ媒質。
2. （２）上記ファイバレーザ媒質がＺｒＦ＿４−ＢａＦ＿
   ２−ＬａＦ＿３系のフッ化物ガラスを主成分とすること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のフッ化物ガラ
   スファイバレーザ媒質。
3. （３）上記ファイバレーザ媒質がＺｒＦ＿４−ＢａＦ＿
   ２−ＬａＦ＿３系のフッ化物ガラスに、さらに、ＨｆＦ
   ＿４、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＡｌＦ＿３から選ばれる少なく
   とも１種を添加したものであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項または第２項記載のフッ化物ガラスファ
   イバレーザ媒質。
4. （４）上記ファイバレーザ媒質の組成が、 （ＺｒＦ＿４＋ＨｆＦ＿４）＝４７〜５０ｍｏｌ％、Ｂ
   ａＦ＿２＝２３〜２６ｍｏｌ％、ＬａＦ＿３＝２〜４ｍ
   ｏｌ％、ＡｌＦ＿３＝２〜５ｍｏｌ％、（ＬｉＦ＋Ｎａ
   Ｆ）＝１７〜２０ｍｏｌ％及びＵＦ＿３が２ｍｏｌ％以
   下であることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第
   ３項のいずれか１項記載のフッ化物ガラスファイバレー
   ザ媒質。
5. （５）光信号を伝播する手段と、励起光を伝播する手段
   と、該光信号および励起光を伝播する手段に接続する光
   学的合波器と、１端部はミラーを介して該光学的合波器
   の出力部に接続し、出力部を形成する他端部にミラーを
   備えた光ファイバとを具備する光増幅器であって、該光
   ファイバは、コア部がＵを含有し、赤外波長の発振光を
   得ることを特徴とする光増幅器。
6. （６）上記光ファイバは、ＺｒＦ＿４−ＢａＦ＿２−Ｌ
   ａＦ＿３系のフッ化物ガラスを主成分とすることを特徴
   とする特許請求の範囲第５項記載の光増幅器。
7. （７）上記光ファイバは、ＺｒＦ＿４−ＢａＦ＿２−Ｌ
   ａＦ＿３系のフッ化物ガラスに、さらにＨｆＦ＿４、Ｌ
   ｉＦ、ＮａＦ、ＡｌＦ＿３から選ばれる少なくとも１種
   を添加したものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第５項または第６項記載の光増幅器。
8. （８）上記光ファイバの組成が、 （ＺｒＦ＿４＋ＨｆＦ＿４）＝４７〜５０ｍｏｌ％、Ｂ
   ａＦ＿２＝２３〜２６ｍｏｌ％ＬａＦ＿３＝２〜４ｍｏ
   ｌ％、ＡｌＦ＿３＝２〜５ｍｏｌ％、（ＬｉＦ＋ＮａＦ
   ）＝１７〜２０ｍｏｌ％及びＵＦ＿３が２ｍｏｌ％以下
   であることを特徴とする特許請求の範囲第５項乃至第７
   項のいずれか１項記載の光増幅器。