JPS63184386A

JPS63184386A - 光ファイバと光ファイバ型発光体

Info

Publication number: JPS63184386A
Application number: JP19585087A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Nakamura; 中村　一則; Toshiaki Shibata; 柴田　俊昭; Kenichi Takahashi; 賢一高橋
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 1986-09-18
Filing date: 1987-08-05
Publication date: 1988-07-29

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）本発明は発光作用を有する活性層を含む光ファイバと、
その光ファイバを使用した光ファイバ型発光体とに関す
るものである。

（従来技術１）光通信用媒体として開発された石英系光ファイバの中に
、Ｎｄ３・やＥｒ３＋などの蛍光発生物質をドーピング
して、レーザ光もしくはレーザ光に近い発光を得ようと
する試みが近年検討されている（文献：昭和６２年巻重
子情報通信学会総合予稿集８８５）。このような光ファ
イバを各種レーザやクリプトンフラッシュランプなどで
光学的に励起し、ファブリペロ−型などの共振系を構成
することにより、光ファイバの特長である可撓性を生か
したファイバ型発光体が実現される。

上記文献によれば、次頁の表１のような仕様の石英系光
ファイバのコア部にＮｄ３・を１１００ｐｐドーピング
し、ファブリペロ−型光共振系を構成して、その一端よ
り発振波長０．８３ルｍの半導体レーザ光を励起光とし
て入力すると、波長ｇｍのレーザの光が発振効率　％で
発生すると報告されている。

この他にもＥｒ３＋　のドーピングにより波長１゜５５
ＪＬｍの発振光を観察した例がある。

表１Ｎｄ添加濃度　　　約１１００ｐｐカツトオフ波長　　１．０川ｍファイバ長　　　　５ｍ損失　　　　　　　１５００ｄＢ／Ｋｍ　　ａｔ　Ｏ，
８３ｇｍ損失　　　　　　　８．２ｄＢ／Ｋｍ　　　ａ
ｔ　１．０９　ＪＬｍ（従来技術？）ガラスレーザは蛍光特性を示すドープ材の濃度を比較的
自由にコントロールすることが可催であり、大きな材料
（ガラスロッド）も可能であるため大出力のレーザ媒体
として期待されている。

ガラスレーザ及び増幅器における一般的なポンビング方
法はＸｅやＫｒランプによる光ポンビングであるが、こ
のときランプからの発熱や、ランプの発光スペクトルが
広いためにガラス中で吸収されて発生する発熱により、
ガラスが温度上昇するという問題がある。

ガラスロッドが温度上昇した場合、径方向の屈折率分布
が生じ、レンズ効果となって光路が変化し、安定なレー
ザ発振の障害になる。更にガラス中に高強度な光が通過
すると非線形屈折率効果が生じ長手方向の屈折率が変化
し、やはり出力変動の原因となる。

一方、このようなレーザ活性なガラスの外側に低屈折率
の層を設けて、導波路構造として細径に紡糸するとファ
イバ形のレーザ媒体が出来る。ファイバ形にすると従来
ガラスレーザが持っていたいくつかの問題点を解決する
ことが可能となる。

すなわち径が小さいため光のポンビングが均一に行なわ
れ易くなり、温度上昇や光強度に基づく非線形屈折率効
果による出力不安定性についても、単一モードファイバ
にすることにより防止することができる。

（従来技術ｌの問題点）現在のところ従来技術１のようなファイバ型発光体の発
振波長は１ｇｍ帯の近赤外域か、それよりも短い波長域
に限られており、２ｇｍ以上の赤外域において発振する
ファイバ型発光体の例は無い。波長２ｇｍから４１Ｌｍ
の赤外域において発生する光は水に吸収され易く、加工
用或は医療用の光源として有用である他、将来は超低損
失、光通信系の光源としての可能性もあり、利用価値の
高い波長帯である。従ってそれらの波長の光を発生する
ファイバ及びファイバ型発光体かの実現が望まれている
。

（従来技術２の問題点）従来技術２のようにガラスロッドを紡糸してファイバ化
するためには、紡糸工程で熱処理を受けるため、ガラス
自体の材料としての安定性が問題となる。ガラスを形成
する化合物組成におけるガラス化範囲は広い組成の選択
が可能でも、ファイバ化する場合には狭い限られた範囲
でしか許容できない場合が多い。

（発明の目的）本発明の目的の一つは、２ＪＪ、ｍから４ＬＬ、ｍの赤
外域において発振可能で、且つ可撓性に富む光ファイバ
と光ファイバ型発光体を実現することにある。

本発明の他の目的は、レーザ活性媒体であり且つファイ
バ化が可能な組織を持つガラスを実現し、それを紡糸し
て光ファイバを得、又その光ファイバによりコンパクト
でフレキシブルな光ファイバ型発光体を実現することに
ある。

（問題点を解決するための手段）本発明のうち特許請求の範囲第１項の光ファイバは、ｚ
ｒ　Ｆ４及びＢａＦ２を主成分としたフッ化物ガラスフ
ァイバにおいて、そのコア部とクラッド部の両方もしく
はいずれか一方に発光物質を混入させたことを特徴とす
るものである。

本発明のうち特許請求の範囲第４項の光ファイバは、石
英ガラスにＧｅ　０２　、　Ｐ２０ｓ　、　Ｂ２０３、
Ａ１２０３　、Ｆなどをドープした石英系ガラス或いは
Ｚｒ　Ｆａ　、Ｂａ　Ｆを主成分とした多成分系フッ化
物ガラス或はフリントガラス等の多成分系ガラスなどに
Ｔｂ、Ｃｅ、ＰＩ　、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｅｒなどの蛍光特性
を持つ希土類元素を０．０．０５ｍｏｌ％から７ｍｏｌ
％ドープして光増幅やレーザ発光を行なわせるようにし
たレーザ用ガラスを用い、そのガラスを紡糸し且つ中心
部の屈折率を周囲部よりも高くして二重構造にしたもの
である。

本発明のうち特許請求の範囲第５項の光ファイバ型発光
体は、特許請求の範囲第１項の光ファイバを光共振系の
中に置き、共振系の一方より励起光を入力し、他方より
波長２ルｍから４ｇｍ帯の赤外光を出力させるようにし
たことを特徴とするものである。

本発明のうち特許請求の範囲第８項の光ファイバ型発光
体は、特許請求の範囲第４項の光ファイバを、Ｘｅ或は
Ｋｒランプによってポンピングさせ、共振構造を持たせ
たものである。

（実施例１）本発明のうち特許請求の範囲第１項及び第５項の実施例
を以下に説明する。

２Ｊｊ、ｍから４ＬＬｍ帯で発振するファイバ型発光体
の実現を妨げている要因は次の通りである。

■、光ファイバを形成する母材である石英系ガラスが、
波長２７Ｌｍ以長の赤外域で良好な透過性を示さず、ま
たファイバ状にしても数十ｃｍ以上の長さにおいてはほ
とんど透過できない波長域で　　。

あること。

■、加えてこのガラス中に微量だけ存在するＯＨ基によ
る吸収が２．８ｇ、ｍを中心とする波長帯に存在し、非
常に強い吸収を示すこと。

これらの理由により、ドーピングされた物質から発生す
る２ＬＬｍから４ＬＬｍ帯の光が大きな損失を受けて減
衰するためと考えられる。

一方、２ＬＬｍから４ｇｍ帯に良好な透明性を有する新
しいガラス材料としてｚｒ　Ｆ４を主成分としたフッ化
物ガラスがある。我々は多年の研究の結果第１図及び代
表例として次の表２に示すような安定なガラス組成範囲
を見出している。（特願昭５６−４９４３３）。

表２ｃｏｒｅ　ｇｌａｓｓ　　　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｇｌａ
ｓｓＺｒ　Ｈ４５４−９０５４，９０ＢａＦ２　１７．６５　　　２２．５５ＬａＦ３　　３
．９２　　　３．９２ＮａＦ　　　　１４．７１　　　１７．７１ＡＩＦ３　
　　３．７３　　　　３．７３１１１Ｆ３　　　０．１
９　　　　０．１９ＰｂＦ２　　４．０９　　　　− Ｎａ２　Ｓ　ｏ４　　　−　　　　　−Ｔｇ　　　　　
　２５６℃　　　２６６℃Ｔｘ　　　　　　３２８℃　
　　３４８℃α　　　１８９Ｘ１０−７　１８５Ｘ１０
−７ｎｄ　　　　　１．５１７　　　１．５０４これら
のガラスは可視光にも透過性を示すが第２図のように赤
外域の透過性も優れ、且つガラス作成時の雰囲気をフッ
素雰囲気に保つため、石英ガラスなどの酸化物系ガラス
と異なり、ＯＨ基が混入しにくいという特徴を持ってい
る。またこのガラスはＮ　ｄ３−やＥｒ３−などの希土
類イオンのドーピングが極めて容易であり、例えば上記
の表２に示したガラス組成中にはほとんどの希土類元素
イオンを数ｍｏｌ％までドーピングすることが可能であ
った。

また発光特性の評価では、例として表２の組成のガラス
中にＥｒ３＋を１６ｐｐｍ程ドーピングしてファイバ化
したフッ化ガラスファイバｌ（第３図ａ）にＸｅランプ
（キセノンランプ）の励起光を照射した結果、１．５）
Ｌｍから１．７ＪＬｍにかけての発光と、同じＥ「３゛
を同程度石英ガラス中にドーピングしたファイバでは観
察されなかった２−７ｐ、ｍ近傍の強い発光（第３図ｂ
）も見られ、共振系を構成し、レーザもしくはレーザに
近い発振も回部であった。

この発光は励起特性の評価からＥｒ３＋　：Ｉ’１１１
１２→’　Ｉ　１３／２の遷移に基〈ものと考えられる
。

２．７ｐＬｍの発光はＯＨ基の基本吸収が２．８ＪＬｍ
付近を中心とした波長域にあるため、被照射物質中の水
分に非常に良く吸収され熱に変化する。

このため医療用のレーザメス或は加工用の光源として既
に使用されている波長１０．６ＪＬｍのＣＯ２レーザと
同じか或はそれ以−にの効果が期待できる。

ＣＯ２レーザはやはり水分に良く吸収され、光パワーも
強いが気体レーザであるため、出力が変動し易く、ＧＯ
２ガスの劣化による経時変化も生ずる。またＣ０２レー
ザ光を任意の部位に導くための可撓性のある導光路も適
当なものがまだ無く、金属ハライド結晶であるＫＨ２−
５多結晶ファイバの利用も検討されているが、このファ
イバは木質的に可撓性に問題を持っており、結局は多関
節ミラー型の導光路を用いている。

これに対しＥｒ３−　をドープした本発明の光ファイバ
１（第４図）は、光源自体が可撓性を持ち、レーザメス
や機械加工への利用において操作性が優れている。また
必要に応じて第４図のように、発光体をドーピングして
いない単なるフッ化物ガラスファイバ３を導光路として
使用することも可能である。第４図において２はフッ化
物ガラスファイバ３のコア部、ｌは発光物質を混入させ
た光ファイバ１．４はフッ化物ガラスファイバ３のクラ
ッド部、５はレンズ、６は共振用ミラーであるまたフッ
化物ガラスファイバは可視域にも透過性を示すので、第
５図のように、Ｈｅ　　Ｎｅ　レーザなどの可視光を本
発明の光ファイバｌ内に通してガイド光として用いるこ
ともできる。第５図において５はレンズ、６は共振用ミ
ラー、７は光合波器である。

本発明においてドーピングするのはＥ、３゛以外のもの
でもよく、例えばＨ８３・　、Ｄ、３・　、Ｔ、３・、
　Ｎｄ３・　、Ｓ、３・　　ｐ−３−などでもよく、こ
れらによっても２ｇｍ〜４ＪＬｍ帯の発光があった。こ
れら希土類元素イオン以外にもＣ「３゛などの遷移金属
元素イオンや有機材料でも可１艶性がある。特にＨＯ”
”　　：　”　Ｆ　５→”　Ｉ　５の遷移、或はｐ、３
奎　：６Ｈ４１２→６ＨＩ３／２　（または’ＦＩＬ／
２→６ＨＩ３／２０　　　）の遷移によると考えられる
２２−４ｐ近傍の発光は、フッ化物系ガラスファイバの
最低損失波長に近く、将来の極超低損失光通信系の光源
として有望である。又Ｈ８３◆　：　５工６→５■７の
遷移と思われる２、８１Ｌｍ近傍の発光もＯＨ基の吸収
帯波長であり期待できる。

フッ化物ガラスは一般にルツボ中で原料を加熱融解して
作成するが、Ｅｒ３・などのドーピング材は加熱溶融の
前にルツボ中に原料と共に混入させる方法が簡易である
。ドーピングできる濃度としては４■Ｏ１％まで可能で
あった。あまり高い濃度にしてもドーピング材自身の吸
収が効き、発光には効果がない場合が多い。また発光物
質は光ファイバの中心部であるコア郁にドーピングする
だけでなく、その周囲層のクラッド部にドーピングする
こともできる。

光ファイバ側面からの励起はドープ材の吸収波長域と発
光波長が近い場合には有効である。

（実施例２）本発明のうち特許請求の範囲第４項及び第８項の実施例
として、Ｚｒ　Ｆ４を主成分としたフッ化物ガラスファ
イバを用いた例を示す。

このフッ化物ガラスファイバの組成範囲は実験の結果、
フッ化物ガラス組成の中でも極めて安定なガラスが作成
でき、多少の不純物を混入させた場合でもファイバ化が
可能であることがわかった更に我々はこの中にＮｄ　、
Ｅｒ　、Ｅｕ　、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｃｅの希土類元素をドー
プした結果、フッ化物ガラスは上記の希土類元素のドー
プが容易で０〜２０ｍｏｌ％程度までの広い範囲のドー
プ濃度を検討することができた。

次にこのガラスロッドを紡糸実験したところＯ〜７■ｏ
ｆ％のドープ濃度の範囲でファイバ化が可能であった。

フッ化物ガラスの中に１ないし３　ｍｏｌ％のドー　　
。

ブ量でＣｅ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｎｄを添加したときの蛍光特
性の実験例を第１図に示す。この図において励起光はＫ
ｒ′″レーザの３５６ｎｍの光を用い、入力パワーは約
０．３Ｗであった。

Ｎｄの蛍光特性は既にレーザガラスが作成されているよ
うに、強い蛍光強度が知られているが、第６図に見られ
るように他の希土類の中にもＮｄに匹敵し或はそれを上
回る蛍光強度を持つものがある。特にＴｂ、Ｃｅは強度
が大で紫外から近赤域のレーザ或は増幅器として十分に
利用可能である。なお第６図の右端に表示されているの
は波長１．０６ｇ、ｍにおける蛍光強度である。

コア、クラッド構造を持たせて、伝搬する光のモード数
を特定するような光ファイバを作成するためには、屈折
率が変化し且つ熱的性質の近いガラスを作る必要がある
。そのためにはＰｂ　、　Ｍｎなどを添加することで実
現できる。

フッ化物ガラスの代りに石英系ガラスを用いて同様にＣ
ｅ、Ｔｂ、Ｐｒ、Ｅｒ、Ｅｕ（７）添加実験も試みた。

石英系は一般に希土類の添加が難しく、多くのドープ量
を実現できないが、代りに熱的性質と透過特性が良好で
あった。

多成分系ガラスにおいても同様に行なったところ、フッ
化物ガラスと同等のドープ量が可能であることが判明し
た。

蛍光特性の面から評価すると、必ずしも希土類のドープ
量が多い方が蛍光強度が強いとは言えず、第６図（ｂ）
のＣｅの例に見るようにドープ量が３％以上では蛍光強
度は飽和している。

希土類元素の精製は一般に難しく、ドープ量を多くする
と各種の不純物が混入し、伝送損失特性を劣化させるこ
とになり、過度のドープ量はマイナスである。最も良い
条件は元素にもよるが、はぼＯ１５〜３ｍｏｌ％内であ
り、０．０５〜７ｍｏｌ％の範囲がそれに次いでいる。

これより下ではレーザ活性媒体としての作用が不十分で
あり、これより上ではファイバ化や伝送損失の面から問
題となる。

ガラス素材としての評価は、石英系ガラスがガラス材料
としては損失の小さいことや耐久性の面で優れているが
、ドープに時間がかかるなど作成は難しいという欠点が
ある。

フッ化物ガラスは耐熱性は低いがドープの容易さや透過
帯域の広さ、或は非線形屈折率効果の影響を受けにくい
などの特徴があり、望ましい材料の１つである。

ドープ材ではＴｂ　、Ｃｅ　、Ｎｄの蛍光効率が高く、
特にＴｂ、Ｃｅは紫外光の発生も可能で極めて有望であ
る。

本発明のファイバ型発光体を作るには第７図のように、
Ｋｒ或はＸｅランプ１１の周囲に上述のガラスで作成し
たコア／クラッド構造を持つファイバ１２を巻き、その
ファイバ１２の両端部にミラー１３を取り付けて共振系
を作る。これによりレーザ発振させることが可能となる
。

なお第７図において１４はキャビティ、１５はフラッシ
ュチューブである。

一方、近年になり光出力強度の大きい半導体レーザが実
現した。この半導体レーザも本発明のファイバ型発光体
の励起用光源として有用である。

半導体レーザはＫｒランプなどに比して、小型であり発
光方向の指向性に優れているため、ファイバ型発光体の
側面より半導体レーザの光を照射するよりも、ファイバ
型発光体の一方の端面から入力する方法が優れている。

この場合励起効率がＫｒ或いはＸｅランプの場合より高
いので、共振系を構成せずに単一通過型でも、発光が得
られる。

共振系を構成する場合は、共振系の中に半導体レーザを
含める場合と、半導体レーザ自体は共振系の外に置く方
法とがあり、前者では半導体レーザの出射端面を無反射
コーティングすることも有効な方法である。

（発明の効果）本発明の光ファイバ及び光ファイバ型発光体は次のよう
な効果がある。

（１）特許請求の範囲第１項の光ファイバ１は、ｚｒ　
ＦＡ及びＢａＦ２を主成分としたフッ化物ガラスファイ
バ３の、コア部２とクラッド部４の両方もしくはいずれ
か一方に発光物質を混入させたものであるため、２ｐｍ
から４ｇｍの赤外域において発振可能である。

（２、特許請求の範囲第４項の光ファイバｌは、蛍光特
性を有する希土類元素を０．０５〜７ｍｏｌ％ドープし
たガラスを用いて作るため、ファイバ化が容易であり、
レーザ活性媒体として使用できる。

（３）特許請求の範囲第５項の光ファイバ型発光体は、
光ファイバｌを使用するものであるため可撓性に富んだ
ものとなる。

（４）特許請求の範囲第８項の光ファイバ型発光体は、
蛍光特性を有する希土類元素を０１０５〜７ｍｏｌ％ド
ープしたガラスを用いて作った光ファイバを使用するも
のであるため、コンパクトで、低励起で、フレキシブル
なものとなり、レーザ応用に新しい分野を開拓すること
も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光ファイバに使用されるフッ化物系ガ
ラスの組成範囲の説明図、第２図はフッ化物系ガラスフ
ァイバの透過波長特性の説明図、第３図ａは本発明の光
ファイバを用いた共振系の説明図、第３図すは同図ａの
共振系における出カスベクトル図、第４図は本発明の光
ファイバと発光体をドーピングしていないフッ化物ガラ
スファイバとを用いた共振系の説明図、第５図は可視光
を本発明の光ファイバ内に通してガイド光として用いる
場合の説明図、第６図は本発明のフッ化物ガラス中の希
土類における蛍光特性の説明図、第７図は本発明のファ
イバレーザの一例を示す説明図である。ｌは光ファイバ２はコア部３はフッ化物ガラスファイバ４はクラッド部５はレンズ６は共振用ミラー７は光合波器１１はＫｒ或はＸｅランプ１２はファイバ１３はミラー

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＺｒＦ＿４及びＢａＦ＿２を主成分としたフッ化
物ガラスファイバ３において、そのコア部２とクラッド
部４の両方もしくはいずれか一方に発光物質を混入させ
たことを特徴とする光ファイバ。
（２）フッ化物ガラスファイバ３の主成分の組成が第１
図の範囲にあり、発光物質として希土類元素イオンが用
いられ、この希土類元素イオンを４ｍｏｌ％以下の濃度
で混入させたものである特許請求の範囲第１項記載の光
ファイバ。
（３）ファイバに混入される希土類元素イオンとしてＥ
ｒ＾３＾＋及びＨｏ＾３＾＋が用いられ、ファイバから
の発光波長がＯＨ基に基づく吸収帯域に含まれるもので
ある特許請求の範囲第２項記載の光ファイバ。
（４）石英ガラスにＧｅＯ＿２、Ｐ＿２Ｏ＿５、Ｂ＿２
Ｏ＿３、Ａｌ＿２Ｏ＿３、Ｆなどをドープした石英系ガ
ラス或いはＺｒＦ＿４、ＢａＦを主成分とした多成分系
フッ化物ガラス或はフリントガラス等の多成分系ガラス
などにＴｂ、Ｃｅ、Ｐｌ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｅｒなどの蛍光
特性を持つ希土類元素を０．０５ｍｏｌ％から７ｍｏｌ
％ドープして光増幅やレーザ発光を行なわせるようにし
たレーザ用ガラスを用い、そのガラスを紡糸し且つ中心
部の屈折率を周囲部よりも高くして二重構造にしたこと
を特徴とする光ファイバ。
（５）ＺｒＦ＿４及びＢａＦ＿２を主成分としたフッ化
物ガラスファイバ３のコア部２とクラッド部４の両方も
しくはいずれか一方に、発光物質を混入させた光ファイ
バ１を光共振系の中に置き、その光共振系の一方より励
起光を入力し、他方より波長２μｍから４μｍ帯の赤外
光を出力させるようにしたことを特徴とする光ファイバ
型発光体。
（６）フッ化物ガラスファイバ３の主成分の組成が第１
図の範囲にあり、発光物質として希土類元素イオンが用
いられ、この希土類元素イオンを４ｍｏｌ％以下の濃度
で混入させ光ファイバ１を用いるようにした特許請求の
範囲第５項記載の光ファイバ型発光体。
（７）希土類元素イオンとしてＥｒ＾３＾＋及びＨｏ＾
３＾＋が用いられ、それによる発光波長がＯＨ基による
基本吸収帯域に含まれるものである光ファイバを用いる
ようにした特許請求の範囲第６項記載の光ファイバ型発
光体。
（８）石英ガラスにＧｅＯ＿２、Ｐ＿２Ｏ＿５、Ｂ＿２
Ｏ＿３、Ａｌ＿２Ｏ＿３、Ｆなどをドープした石英系ガ
ラス或いはＺｒＦ＿４、ＢａＦを主成分とした多成分系
フッ化物ガラス或はフリントガラス等の多成分系ガラス
などにＴｂ、Ｃｅ、Ｐｌ、Ｎｄ、Ｅｕ、Ｅｒなどの蛍光
特性を持つ希土類元素を０．０５ｍｏｌ％から７ｍｏｌ
％ドープして光増幅やレーザ発光を行なわせるようにし
たレーザ用ガラスを用い、そのガラスを紡糸し且つ中心
部の屈折率を周囲部よりも高くして二重構造にした光フ
ァイバを、Ｘｅ或はＫｒランプ、或いは半導体レーザに
よってポンビングさせ、共振構造を持たせたことを特徴
とする光ファイバ型発光体。