JP3005074B2 - ファイバ増幅器、ファイバレーザ、導波路素子増幅器、及び導波路素子レーザ - Google Patents

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】希土類元素を活性物質として添加した光
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、ファイバセンサ及びファイバレーザそ
の他の光能動装置への応用が考えられている。例えば、
活性物質としてプラセオジムイオン（Ｐｒ³⁺）を添加し
た弗化物ガラスからなる光ファイバによって波長１．３
μｍ帯での光増幅を実現できるとの報告がなされている
（OFC '90 Post Deadline Papers(PD2-1) ）。

【０００３】

【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Ｐｒ³⁺を添加した弗化物ガラスらなる光ファイ
バでは、増幅効率が極めて悪いといった問題があった。

【０００４】

【０００５】

【０００６】

【０００７】そこで、本発明は、Ｐｒ³⁺を添加した光機
能性ガラスであって、波長１．３μｍ帯での高い効率の
発光・光増幅を可能にする光機能性ガラスを実現し、上
記光機能性ガラスを用いた光ファイバを備える光能動装
置を構成して、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。

【０００８】さらに、本発明は、上記光機能性ガラスを
用いた導波路素子を備える光能動装置を構成して、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。

【０００９】

【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１．３
μｍ帯でのＰｒ³⁺の光増幅効率を高め得る光機能性ガラ
スを見出した。

【００１０】本発明に用いられる光機能性ガラスでは、
プラセオジムイオン（Ｐｒ³⁺）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。この場合、
ホストガラスとして弗燐酸塩ガラス若しくは燐酸塩ガラ
スを用いる。

【００１１】上記の光機能性ガラスによれば、波長約
１．０μｍ以下の励起光によってホストガラス中のＰｒ
³⁺を励起することができるばかりでなく、この結果波長
１．３μｍ帯での発光、光増幅等に適したガラスを実現
できることが後述のように判明した。

【００１２】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。

【００１３】図１はＰｒ³⁺のエネルギー準位図である。
活性物質としてＰｒ³⁺を添加した光機能性ガラスに導入
された波長約１．０μｍの励起光は、Ｐｒ³⁺を励起して
準位³Ｈ₄ から準位 ¹Ｇ₄ への電子遷移を発生させる。
この結果、準位 ¹Ｇ₄ と準位³Ｈ₅ との間に反転分布が
形成され、遷移 ¹Ｇ₄ → ³Ｈ₅ に対応する波長１．３μ
ｍ帯の輻射が可能になる。この場合、ホストガラスとし
て弗燐酸塩ガラス若しくは燐酸塩ガラスを使用している
ので、ホストガラスとして弗化物ガラス等を使用した場
合に比較してＰｒ³⁺の存在するサイトの非対称性が増大
しているものと考えられる。したがって、上記の光機能
性ガラスでは、Ｐｒ³⁺のエネルギー準位の非対称性を増
大させることができ、本来禁制されている遷移 ¹Ｇ₄ →
³Ｈ₅ に対応する誘導放出断面積σを増大させることが
できるものと考えられる。よって、上記の光機能性ガラ
スでは、波長１．３μｍ帯光の存在によって誘導放出光
を効果的に発生させることができ、この帯域での発光・
光増幅の効率を高めることができるものと考えられる。

【００１４】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、弗燐酸塩ガラス若しくは燐酸塩ガラスをホストガ
ラスとしてこれにＰｒ³⁺を活性物質として添加すること
により、Ｐｒ³⁺による波長１．３μｍ帯での発光・光増
幅の効率を高める有望なガラスが得られた。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。

【００１８】本発明に用いられる光能動装置は、上記光
ファイバと、活性物質のＰｒ³⁺を励起するために波長約
１．０μｍ以下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。

【００１９】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約１．０μｍ以
下の励起光によってＰｒ³⁺が励起される。この励起され
たＰｒ³⁺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 ¹Ｇ₄ →
³Ｈ₅ に対応する放射光を高い効率で発生し、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
機能の発揮を容易にする。

【００２０】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。

【００２１】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約１．０μｍ
以下の励起光によってＰｒ³⁺が励起される。この励起さ
れたＰｒ³⁺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１．３
μｍ帯での光増幅が可能になる。

【００２２】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。

【００２３】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約１．０μｍ
以下の励起光によってＰｒ³⁺が励起される。この励起さ
れたＰｒ³⁺の一部又は多くは、これと同時に光ファイバ
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帯でのレーザ発振
が可能になる。

【００２４】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。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。

【００２６】まず、組成１６Ａｌ（ＰＯ₃ ）₃ −１０Ｌ
ｉ₂ Ｏ−４２ＬｉＦ−３２ＢａＦ₂ （ｍｏｌ％）に対応
する弗燐酸塩ガラスの原料を準備し、これらと共に活性
物質となるＰｒ₆ Ｏ₁₁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。

【００２７】また、組成ＺｒＯ₂ −４ＳｒＯ−１５Ｎａ
₂ Ｏ−１５Ａｌ₂ Ｏ₃ −６５Ｐ₂ Ｏ₅ （ｍｏｌ％）に対
応する燐酸塩ガラスの原料を準備し、これらと共に活性
物質であるＰｒ₆ Ｏ₁₁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。

【００２８】さらに比較のため、組成５３．５ＺｒＦ₄
−２０ＢａＦ₂ −３．５ＬａＦ₃ −３．０ＡｌＦ₃ −２
０ＮａＦ（ｍｏｌ％）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ＰｒＦ₃ 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。

【００２９】なお、Ｐｒ₆ Ｏ₁₁及びＰｒＦ₃ の混合量
は、上記３種の光機能性ガラス中のＰｒ³⁺の濃度が５０
０ｐｐｍとなるように調節してある。

【００３０】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３種の光機能性ガラスを棒状に成形し、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Ｐｒ³⁺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４μｍで、その外
径が１２５μｍで、比屈折率差が約０．６％のシングル
モードファイバが得られた。この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。

【００３１】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Ｐｒ³⁺を添加した弗燐酸塩ガラス若しくは燐酸塩
ガラスからなるコア３０ａと、コアよりも相対的に屈折
率が低くＰｒ³⁺を添加していないクラッド３０ｂとを備
える。

【００３２】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Ｐｒ³⁺を含んだ光ファイバ３０と、波長１．０
０７μｍ、波長１．０１７μｍ等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。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３８、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３
９ａ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。

【００３３】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Ｐｒ³⁺の電子を準位 ¹Ｇ₄ に励起する。この
状態のＰｒ³⁺は、信号光に誘導されて遷移 ¹Ｇ₄ → ³Ｈ
₅ に対応する波長１．３μｍ帯の放射光を効果的に発生
する。したがって、励起光が所定の強度を超えると、信
号光は効率よく増幅されることとなる。

【００３４】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。

【００３５】（例１）光ファイバ３０として、上記弗燐
酸塩ガラスからなる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、Ｔｉ−サファイアレーザを用
い、波長を１．００７μｍとし、励起光入力を１８０ｍ
Ｗとした。また、信号光源３１としては、レーザダイオ
オード（ＬＤ）を用い、波長を１．３１μｍ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１０ｄＢで、その効率は０．０５６ｄＢ
ｍ／ｍＷであった。

【００３６】（例２）光ファイバ３０として、上記燐酸
塩ガラスからなる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Ｔｉ−サファ
イアレーザを用い、その励起光入力を１８０ｍＷとし
た。また、信号光源３１としては、ＬＤを用い、波長を
１．３１μｍ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８ｄＢで、その
効率は０．０４５ｄＢｍ／ｍＷであった。

【００３７】（比較例）光ファイバ３０として、上記弗
化物ガラスからなる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Ｔｉ−サフ
ァイアレーザを用い、その励起光入力を１８０ｍＷとし
た。また、信号光源３１としては、ＬＤを用い、波長を
１．３１μｍ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６．５ｄＢで、
その効率は０．０３６ｄＢｍ／ｍＷであった。

【００３８】以上の比較例から明らかなように、ホスト
ガラスとして弗化物ガラスにかえて弗燐酸塩ガラス若し
く弗燐酸塩ガラスを使用することで、Ｐｒ³⁺の光増幅効
率を高め得ることがわかる。

【００３９】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Ｐｒ³⁺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１．００７μ
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。

【００４０】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、
Ｔｉ：サファイアレーザー等の励起光源からの波長１．
００７μｍ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
Ｐｒ³⁺を励起する。励起されたＰｒ³⁺は、信号光に誘導
されて遷移 ¹Ｇ₄ → ³Ｈ₅ に対応する波長１．３μｍ帯
の放射光を効果的に発生する。励起光が所定の強度を超
えると、信号光は効率よく増幅されることとなる。

【００４１】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、Ｔｉ：サファイアレーザー等からなるレーザ光源３
２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１．００７μｍ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。

【００４２】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１．００７μｍ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Ｐｒ³⁺を励起する。励
起されたＰｒ³⁺は、波長１．３μｍ帯の自然放射光に誘
導されて、遷移 ¹Ｇ₄ → ³Ｈ₅ に対応する波長１．３μ
ｍ帯の放射光を効果的に発生する。励起光の出力が所定
値を超えると波長１．３μｍ帯でレーザ発振が効率よく
生じることとなる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に用いられ
る光機能性ガラスによれば、活性物質であるＰｒを波長
約１．０μｍ以下の励起光で励起し、波長１．３μｍ帯
での発光・光増幅の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】Ｐｒ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 ３０ｂ…光ファイバのクラッド 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 (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 (56)参考文献 特開 昭63−184386（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−145881（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−21240（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−2025（ＪＰ，Ａ) 特公 昭39−3528（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 3/06 C03C 3/16 C03C 13/04 H01S 3/17 G02B 6/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｐｒが活性物質としてホストガラスに添
   加されるとともに、前記ホストガラスが弗燐酸塩ガラス
   若しくは燐酸塩ガラスである光機能性ガラスからなるコ
   アを備えた光ファイバと、Ｐｒを励起するため波長約
   １．０μｍ以下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
   起光結合手段とを有する光能動装置と、 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。
2. 【請求項２】 Ｐｒが活性物質としてホストガラスに添
   加されるとともに、前記ホストガラスが弗燐酸塩ガラス
   若しくは燐酸塩ガラスである光機能性ガラスからなるコ
   アを備えた光ファイバと、Ｐｒを励起するため波長約
   １．０μｍ以下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
   起光結合手段とを有する光能動装置と、 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。
3. 【請求項３】 Ｐｒが活性物質としてホストガラスに添
   加されるとともに、前記ホストガラスが弗燐酸塩ガラス
   若しくは燐酸塩ガラスである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と、Ｐｒを励起するため波
   長約１．０μｍ以下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有する光能動装置と、 波長１．３μｍ帯の信号光を前記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。
4. 【請求項４】 Ｐｒが活性物質としてホストガラスに添
   加されるとともに、前記ホストガラスが弗燐酸塩ガラス
   若しくは燐酸塩ガラスである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と、Ｐｒを励起するため波
   長約１．０μｍ以下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有する光能動装置と、 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。