JP2003512735A - 遷移金属を含むガラスセラミック利得媒体 - Google Patents

遷移金属を含むガラスセラミック利得媒体

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Abstract

(57)【要約】 光増幅器又はレーザ発振器に使用される利得媒体が開示される。前記利得媒体は、結晶相とガラス相とを有する遷移金属がドープされたガラスセラミック材料を含む。前記結晶相は前記ガラス相内で形成され、前記遷移金属は、ガラス相内から結晶相内へと優先的に分配される。前記結晶相は、５０ｎｍよりも小なる大きさを有するように形成され、前記結晶相中の遷移金属イオンは、略９００ｎｍから３０００ｎｍ範囲内の波長でレージングが可能である。更に、増幅器及びレーザ発振器構成も開示されている。前記装置内のガラスセラミック利得媒体は、様々な構成に適用される。更に信号光を増幅する方法も開示されている。前記方法において、ガラスセラミック利得媒体は遷移金属イオンを励起するような光エネルギーによりポンプされ、前記遷移金属イオンが励起されている間に、前記信号光は利得媒体を伝送し、その結果、前記信号光は増幅される。更に、レーザ発振器の製造方法も開示されている。当該方法において、ガラスセラミック利得媒体は、レーザキャビティを含み、遷移金属を励起するように光エネルギーによってポンプされ、その結果による放射光は、フィードバック用の反射表面の使用によって発振するように焦点が合わせられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【本出願に関する関連文献】
１９９９年１０月１８日に出願された“α−及びβ−ケイ酸亜鉛鉱をベースと
したガラスセラミック（GLASS-CERAMICS BASED ON ALPHA-AND BETA-WILLEMITE）
”（発明者リンダ アール ピクニー氏（Linda R.Pinckney）による米国仮出願
番号第６０／１６０，１３８号）という名称の出願（当該出願は本出願と同一の
譲受人に譲り受けられている）は、ほとんど透明な、α−及びβ−ケイ酸亜鉛鉱
のガラスセラミックに関する。当該ガラスセラミックには、光学活性を与えられ
るように、遷移金属がドープされ得る。
【０００２】 １９９９年１０月１８日に出願された“透明なオルトケイ酸塩（リチウム、亜
鉛、マグネシウム）のガラスセラミック（TRANSPARENT (LITHIUM,ZINC,MAGNESIU
M) ORTHOSILICATE GLASS-CERAMICS）”（発明者ジョージ エイチ．ビオール氏
（George H. Beall）及び発明者リンダ アール．ピンクニ氏（Linda R. Pinckn
ey）による米国仮出願番号第６０／１５９，９６７号）という名称の出願（当該
出願は本出願と同一の譲受人に譲り受けられている）は、遷移金属がドープされ
たガラスセラミック材料に関する。当該ガラスセラミック材料は、光増幅器又は
レーザポンプの利得媒体として適当な特性を示す。
【０００３】 １９９９年１０月１８日に出願された“ガラスセラミックファイバとその製造
方法（GLASS-CERAMIC FIBER AND METHOD）”（発明者ジョージ エイチ．ビオー
ル氏（George H. Beall）、発明者リンダ アール．ピンクニ氏（Linda R. Pinc
kney）、発明者ウイリアム ヴォクロス氏（William Vockroth）及び発明者ジー ワング氏（Ji Wang）による米国仮出願番号第６０／１６０，０５２号）とい
う名称の出願（当該出願は本出願と同一の譲受人に譲り受けられている）は、ナ
ノサイズの結晶（ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ）を含み且つ遷移金属がドープされ
ているガラスセラミック材料、及び光ファイバの形状に当該ガラスセラミックを
形成する方法に関する。
【０００４】 １９９９年１０月１８日に出願された“透明で且つ半透明の苦土カンラン石の
ガラスセラミック（TRANSPARENT AND TRANSLUCENT）”（発明者ジョージ エイ
チ．ビオール氏（George H. Beall）による米国仮出願番号第６０／１６０，０
９３号）という名称の出願（当該出願は本出願と同一の譲受人に譲り受けられて
いる）と、同じ表題を有し且つ１９９９年１２月３０日に発明者ジョージ エイ
チ．ビオール氏（George H. Beall）により出願された追加仮出願番号第６０／
１７４，０１２号がある。
【０００５】 本発明は、１９９９年１０月１８日出願の“遷移金属を含むガラスセラミック
利得媒体（TRANSITION-METAL GLASS-CERAMIC GAIN MEDIA）”（発明者ジョージ エイチ．ビオール氏（George H. Beall）、発明者ニコラス エフ．ボレリ氏
（Nicholas F. Borrelli）、発明者エリック ジェイ．モズディ（Eric J. mozd
y）及び発明者リンダ アール．ピンクニ氏（Linda R. Pinckney）による米国仮
出願番号６０／１６０，０５３号）という名称の出願の利益を主張するものであ
る。
【０００６】
【発明の属する技術分野】
本発明は、利得媒体となるガラスセラミックに関し、より詳細には、遷移金属
ドーパントを至る所に含み、且つ光増幅器又はレーザポンプに使用されるような
利得媒体として適切な特性を示すガラスセラミック材料に関する。本明細書中で
使用される“利得媒体”という用語は、光学蛍光を生成し且つ当該光学蛍光と同
一の波長範囲内の光信号を増幅することができる光学部品のことを指す。
【０００７】
【技術背景】
過去２，３０年に亘って、光ファイバシステムは、長距離通信の標準になって
いる。このように優位な状況にあるのは、光ファイバリンクが、従来の、つまり
金属をベースにしたリンクを上回る幾つかの利点を有することによる。この利点
とは、損失がより低いこと、情報容量がより大であること、チャンネル当りのコ
ストが低いこと、クロストーク及び電気的干渉がないこと、及び物理的な大きさ
がより小さいこと、を含んでいる。現在、光ファイバシステムは、１０００ｋｍ
よりも長い距離に亘って１秒当り数百テラビットを伝送する。たとえこれが金属
をベースとしたリンクの容量を超える大きさであっても、地球規模での通信の要
求によって、システム容量は毎年２倍に押し上げられている。
【０００８】 単一チャンネルの光ファイバ通信リンクは、送信機、光ファイバ及び受信機を
必ず必要とする。送信機は、変調された光源（レーザ等）により、電気的情報を
光信号に変換する。レーザは、直接変調されることが可能であり、また情報は、
外部変調器によりレーザの連続出力に組み込まれることが可能である。その後、
送信機からの光は、受信機（光信号を元の電気信号に変換する半導体）によって
最終的に検出されるように、光ファイバに沿って伝搬される。
【０００９】 通信距離が長くなると、信号を強めるようにリンク中の所定の位置に、増幅器
が含まれなければならない。初期の段階の光ファイバ通信においては、光信号を
電気的信号へと早い段階で変換し、情報を電気的に増幅し、その後にファイバに
沿って増幅された信号を再送信することが要求されていた。大陸を横断するよう
な距離を達成するには、非常にコストがかかる電気的増幅器が数多く必要とされ
ていた。そのうえ、帯域幅に対する絶え間のない要求のために、単一チャンネル
リンクは、より高いビットレートが強要されていた。かかる状況は、光信号をよ
り高速に変調することを、根本的に必要としていた。
【００１０】 エルビウムがドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の発明により、光ファ
イバリンクの性質は、大幅に変更された。まず、増幅が、データ伝送形式に依存
せず且つ信号変換を必要とすることなく、光学的に行われるようになった。ＥＤ
ＦＡのその他の重要な意義は、光伝送波長のかなりの範囲に対して等しいリンク
利得を提供する可能性であった。
【００１１】 この発明によって、波長分割多重化技術（ＷＤＭ）が全世界でも有力な伝送形
式になった。かかる形式は、複数の単一チャンネル送信機及び受信機を使用して
、単一の光ファイバリンクに様々な波長を伝送することと概念的に等しい。この
方法において、リンクの容量は、増幅器（又は当該増幅器が改善されると、ファ
イバ）の全ての光学帯域幅、及び隣接するチャンネルを分離する最小の光学帯域
幅によってのみ制限される。
【００１２】 望ましくないことに、通信に対する要求によって、現在の高容量ＷＤＭリンク
でさえもが極限まで使用されており、且つ研究は、ＥＤＦＡの波長帯域幅を広げ
ることを現在の目標としている。一般的なＥＤＦＡは、略３２ｎｍの従来から使
用されている帯域幅（１５３０から１５６２ｎｍ）を有している。最新の研究に
よれば、長波長帯域（略１５７０ｎｍから１６１０ｎｍ）の増幅器がある。しか
しながら、この改良の範囲を超ると、Ｅｒ3+ドーパントの光学遷移に基づく物理
的特性によって、ほとんど改良出来なくなる。その結果、新しい材料によって、
より短波長範囲（つまり１５００ｎｍ及びそれより小なる範囲）に移行すること
が要求されている。他の希土類ドーパント（ホルミウム及びプラセオジムを含む
）が、光増幅器として使用されるように研究されているが、しかし大なる波長帯
域幅に亘って利得を提供するという成果は、わずかである。
【００１３】 利得を大なる波長帯域幅に亘って提供する光増幅器の１つの可能性としては、
ラマン増幅器がある。なぜならば当該増幅器が３００ｎｍに至るまでの帯域幅を
提供することが可能であるからである。しかしながら、ラマン増幅器は、大なる
ポンプパワー（１００ｍよりも短いファイバに対して１Ｗよりも大のパワー）を
必要とし、かかる事項が通信システムに課題となる。
【００１４】 遷移金属が、結晶性ホスト中で光学活性ドーパントとして使用されている。な
ぜならば、遷移金属が近赤外領域（１０００から１５００ｎｍ）中に蛍光を発し
、その一方でそれに対応するような大なる帯域幅を有しているからである。例え
ば、１．３μｍ近くでレージングが可能なＣｒ4+をドープした結晶は、アルファ
ノ氏（Alfano）らによる米国特許第４，９８７，５７５号に開示されている。他
の例として、略６５０から１１００ｎｍの範囲に光学利得を提供するチタンドー
プサファイア（Ｔｉ：Ａｌ2Ｏ3）がある。
【００１５】 多くの遷移金属ドーパントの有効な波長範囲及び波長帯域幅を与えると、長距
離通信へそれらを応用することが、そのまま使用される。しかしながら、主要な
長距離通信媒体がガラスをベースにした光ファイバである故に、米国特許第４，
９８７，５７５号の結晶性ホストに遷移金属を含む技術は、当該装置には、適合
しない。当然な流れとして、遷移金属ドーパントの含有物をガラス中に存在させ
ることが考えられるが、含有物の特性（特にそれらの効率）が結晶場の強さが単
一結晶ホストよりも非常に小さい非晶質ホスト中で減衰されるということが、残
念ながら発見された。
【００１６】 その他の方法が、アルファノ氏（Alfano）らにより考えられ、米国特許第５，
７１７，５１７号に記載されている。当該明細書によれば、レーザ活性であるＣ
ｒ4+（若しくはＶ3+）をドープした結晶が、複数の粒子として製造され、当該粒
子が、“気体ではない”媒体中に分散される。この方法によれば、ドーパントは
結晶性ホスト内でレーザ活性状態を維持し、一方、大なる、囲繞する媒体は、光
ファイバ技術に適合する。上記した混合媒体からの光学損失を最小にするために
は、粒子の大きさと、囲繞する媒体からの屈折率の差と、が小でなければならな
い。これらの要求事項は、米国特許第５，７１７，５１７号中に認めらており、
その結果、粒子の大きさは０．０５μｍから５００μｍの間であると明記され、
屈折率の差は、０．１よりも小であると明記された。
【００１７】 アモルファス媒体中に結晶性粒子を分散させる考えは有効であるが、当該技術
は、難しい欠点を幾つか有する。その第１の問題は、微細な粒子の製造である。
確かに、損失は、粒子の大きさに従い減少する。故に、最小の粒子（０．０５μ
ｍ）が望まれる。材料の粉砕によって、１μｍよりも小である粒子を製造するこ
とは一般的に難しく、且つ苦土カンラン石を生成するゾル−ゲル法でさえも、こ
の大きさよりも小なる粒子を得ることは困難である。幾つかの技術が、０．５μ
ｍの大きさの粒子を得ているが、より小なるオーダー（桁）の大きさが最適であ
る。
【００１８】 たとえ０．０５μｍの最小粒子が製造可能であるとしても、散乱損失の簡単な
解析によって、当該技術の他の主要な欠点が示される。ランダムに分配された粒
子からのレイリー散乱は、以下の式で計算される。
【００１９】
【数１】 上記式の散乱されたパワーは、入射パワーとの比として記載され、λは光の波
長を、Ｖは散乱粒子の体積を、Ｎは散乱粒子の数を、ｍは粒子の屈折率と囲繞す
る媒体の屈折率との比（すなわち屈折率の不整合比）を、各々示す。例えば、媒
体全体の２５％がＣｒ4+がドープされた苦土カンラン石の粒子（０．０５μｍの
大きさにされている）を用いて形成された場合、上記式による損失は、屈折率差
分が０．０００５よりも大である場合に、１．３μｍの波長において１０ｄＢ／
ｍよりも大である。
【００２０】 更に、全てのカンラン石（苦土カンラン石を含む）は、複屈折性（異なる軸を
有する結晶が異なる屈折率を有することを意味する）を有している故に、当該結
晶は、全ての方向において屈折率を整合することはない。苦土カンラン石の場合
において、屈折率の不整合は、その結果、０．０３にされ、損失は３００ｄＢ／
ｍよりも大になる。苦土カンラン石に関する公表された光学定数を用いると、２
５％の結晶性粒子を含む材料に対して達成可能な利得（完全な反転分布）の最大
値は、わずか略２４０ｄＢ／ｍである。かかる内容は、利得が、苦土カンラン石
及び米国特許第５，７１７，５１７号の技術を用いてでさえも得られないことを
証明している。本明細書に使用される“ｄＢ”という用語は、１０×ｌｏｇ10（
Ｐout／Ｐin）として規定される標準光学用語である。
【００２１】 前述の材料と技術の欠点を克服するために、本発明は新規の種類の材料につい
て言及している。ここで当該新規材料は、遷移元素がドープされたガラスであり
、非常に小さな結晶相が内部で核を形成している。内部で核形成する工程によっ
て、ガラスセラミックと呼ばれる材料が形成される。当該工程で、結晶部分は、
５０ｎｍより小なる大きさにされ、当該ガラス中に均一に分配されている。当該
結晶は、元々のガラス溶融体の組成材料から形成され、米国特許第５，７１７，
５１７号に開示されている如き新規材料が混合されることによるものではない。
更に、遷移金属ドーパントは、媒体の全体に混合され、結晶部分のみに含まれる
ものではない。セラミック形成（ceramming）の工程によって、ドーパントが混
合された結晶部分を形成するので、遍在する遷移金属ドーパントが簡単に活性化
される。
【００２２】 このドープされたガラスセラミック材料は、既に記載した遷移金属がドープさ
れた材料を上回る幾つかの利点を示す。例えば、２つの相を有するガラスセラミ
ック材料内の結晶相が母材ガラスの核形成を調整して形成される故に、結晶部分
は、他の外部で形成する技術により得られるものよりも、より小なる大きさと、
より均一な分配性を有する。これは、光散乱損失を最小にする（上記の式による
と、０．０１までの屈折率の不整合に対して５０ｄＢ／ｍより小の損失である）
。更に、ガラスセラミック材料は、ガラスをベースとしている故に、それらを核
形成の前に所定の形状に形成することが可能であり、且つ石英ガラスファイバに
容易に継ぎ足され得る。本明細書中に開示されている遷移金属ガラスセラミック
利得媒体は、今日の長距離通信において関心があると考えられる全ての波長に亘
って利得を提供できるという点において、有利である。故に、上述の媒体は、万
能な利得媒体であることを意味しており、あらゆる波長範囲に対して光ファイバ
長距離通信システムの増幅器部分に使用することが可能である。
【００２３】 本発明の目的は、光増幅器若しくはレーザ発振器として有用な特性を示す、遷
移金属がドープされたガラスセラミック利得媒体を提供することである。 本発明の他の目的は、９００から３０００ｎｍの波長範囲にわたって光学利得
を提供できるガラスセラミック利得媒体を提供することである。 本発明の更なる目的は、ガラスセラミック利得媒体を、光ファイバ、平面導波
路構造、バルク状の利得媒体又はその他の長尺にされたコアの形状に形成するこ
とである。
【００２４】 本発明の更なる目的は、ガラスセラミック利得媒体を、光ファイバ、平面導波
路構造若しくはバルク状の利得媒体のコアに形成することである。 本発明の更なる目的は、ガラスセラミック利得媒体を、光ファイバ若しくは平
面導波路構造のクラッディングに形成することである。 本発明の更なる目的は、ラマン増幅器よりも低いポンプパワーで同じ量の利得
を生成することが要求されているガラスセラミック利得媒体を形成することであ
る。
【００２５】 本発明の更なる目的は、受動損失（すなわち散乱及び寄生的吸収）が２００ｄ
Ｂ／ｍよりも小であり、且つ結晶部分内の特定の遷移金属ドーパントの最大の達
成可能な利得よりも小である、ガラスセラミックの利得媒体を形成することであ
る。 本発明の更なる目的は、連続波（ＣＷ）若しくはパルス信号光の何れか一方を
増幅するガラスセラミック利得媒体を形成することである。
【００２６】 本発明の更なる目的は、レーザの発振器として形成された場合に、連続波（Ｃ
Ｗ）又はパルス（モードロックパルス、Ｑスイッチパルス又はその組合わせ）出
力放射光の何れかを生成するセラミック利得媒体を形成することである。 本発明の他の目的は、非晶質ガラス母材の内部で核形成された結晶相を含む、
均一に遷移金属がドープされたガラスセラミック利得媒体を形成することであり
、結晶部分が５０ｎｍよりも小である大きさを有することである。遷移金属ドー
パントは、構成要素のガラス全体に加えられ、且つガラスセラミック媒体の両方
の相に存在し得る。それは結晶相でのみ活性され、且つ略９００から３０００ｎ
ｍの範囲内の波長に利得を提供する能力がある。
【００２７】
【発明の概要】
本発明は、光増幅器又はレーザ発振器内の利得媒体に関するものである。当該
利得媒体は、２００ｄＢ／ｍよりも小なる受動的損失を有する遷移金属がドープ
されたガラスセラミック材料を含み、且つ結晶相とガラス相とを含んでいる。前
記結晶相は、前記ガラス相内に形成され、且つ５０ｎｍよりも小なる大きさを有
している。前記結晶相中の前記遷移金属ドーパントは、略９００から１７００ｎ
ｍの範囲内の波長で、レージングが可能である。
【００２８】 本発明は、長尺にされたコアと、前記長尺にされたコアを軸方向に囲繞し且つ
前記コアよりも低い屈折率を有するクラッディングと、を有する利得媒体からな
る光学信号装置に関するものである。前記コア、前記クラッディング又はその両
方は、２００ｄＢ／ｍよりも小である受動損失を伴う遷移金属がドープされたガ
ラスセラミック材料からなり、ガラス相内で均一に分散されて形成された結晶相
を有している。前記結晶相は、５０ｎｍよりも小なる大きさを有している。前記
装置は、前記遷移金属イオンを励起するように、前記遷移金属がドープされたガ
ラスセラミック材料をポンピングするような手段を更に含んでいる。
【００２９】 本発明は、（ａ）長尺にされたコアと、前記長尺にされたコアを軸方向に囲繞
している前記コアの材料よりも低い屈折率を有するクラッディングと、を有し、
且つ前記長尺にされたコア又は前記クラッディング又はその両方が、遷移金属が
ドープされた２００ｄＢ／ｍよりも小である受動損失を有するガラスセラミック
材料からなる、利得媒体を提供するステップと、（ｂ）前記遷移金属イオンを励
起するために、前記コア、前記クラッディング又はその両方のガラスセラミック
材料をポンピングするステップと、からなるレーザ放出光による信号光を発生す
る方法、又は当該発生した信号光を増幅する方法であって、前記利得媒体は、結
晶相及びガラス相を有し、前記結晶相は、前記ガラス相内に形成され、且つその
中で均一に分配され、前記結晶相は５０ｎｍよりも小なる大きさを有し、前記結
晶相内に少なくとも１部の前記遷移金属ドーパントが混合され、前記結晶相内の
前記遷移金属ドーパントは所望の光信号波長でレージングが可能である、ことを
特徴とする方法である。
【００３０】
【発明の実施の形態】
本発明の利得媒体として使用されるガラスセラミック材料は、ガラス母材の内
部で核形成され、且つ均一に配置された（等間隔で）結晶相を含む、複数相の固
体である。ガラスセラミック材料は、特定のプレカーサガラスに仕上げられる適
当な熱処理手段によって、プレカーサガラスの核形成と結晶形成とを制御して形
成される。一般的には、ガラスセラミック材料を形成する方法は、プレカーサガ
ラス成分を溶融するステップと、溶融物を少なくとも溶融物の変態範囲温度以下
に冷却し、それと同時に溶融物を所望の形状のガラス体に形成するステップと、
結晶を内部に形成するように前記ガラス体の変態範囲を超える温度に制御された
方法で前記ガラス体を加熱するステップと、を含む。通常、当該ガラス体は、２
段階の加熱処理に曝される。１つは核形成段階であり、核形成を促進するように
十分な時間の間、変態範囲温度に、若しくはそれより僅かに高い温度に、ガラス
が加熱される。次は成長段階であり、予め形成された核に結晶部分を成長させる
ようなガラスの軟化点に近づくか又はそれを超えるレベルに温度が上昇される。
【００３１】 内部の核形成により形成された結晶相は、５０ｎｍよりも小であり、好ましく
は、１０から３０ｎｍ程の大きさにあり、この大きさでは、光学的に透明なガラ
スセラミック材料となる。さらに、内部で核形成された結晶部分は、非常に狭い
粒子サイズ分布を有し、ガラス相の至る所に非常に均一に分散されている。 その結果、ガラスセラミック材料中の結晶部分内の遷移金属は、光学的に活性
である。一般に、結晶構造内に光学的に活性な遷移金属の含有を促進する結晶は
、ガラスセラミック材料の結晶相として使用されるように企図されている。結晶
相として好ましい結晶は、カンラン石（Ｍｇ2ＳｉＯ4）、モンティセライト（Ｃ
ａＭｇＳｉＯ4）、α−及び（又は）β−ケイ酸亜鉛鉱（Ｚｎ2ＳｉＯ4）、ＹＡ
Ｇ（イットリウムアルミニウムガーネット、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12）、ゲルマニウム酸リ
チウム、オルトケイ酸リチウム−マグネシウム及びオルトケイ酸リチウム−亜鉛
である。
【００３２】 プレカーサガラス組成は、遷移金属が核形成の間に結晶内に優先して分配され
るように、つまりガラス相中に残されることに反するように、調整される。“遷
移金属を含むガラスセラミック（Transition Metal Glass-Ceramics）”（発明
者ジョージ エイチ．ビオール氏（George H. Beall）らによる）、 “α−及び
β−ケイ酸亜鉛鉱をベースとした透明ガラスセラミック（Transparent Glass-Ce
ramics Based on Alpha and Beta-Willemite）”（発明者リンダ アール.ピン
クニ氏（Linda R. Pinckney）による）、“透明な苦土カンラン石のガラスセラ
ミック（Transparent Forsterite Glass-Ceramics）”（発明者ジョージ エイ
チ.ビオール氏（George H. Beall）による）、 “透明なオルトケイ酸リチウム
−亜鉛−マグネシウムガラスセラミック（Transparent Lithium Zinc Magensium
Orthosilicate Glass-Ceramics）”（発明者ジョージ エイチ．ビオール氏（G
eorge H. Beall）及び発明者リンダ アール．ピンクニ氏（Linda R. Pinckney
）による）という名称の出願（現在米国特許庁に継続している）があり、これら
は、全て本出願の譲受人に譲り受けられ、本発明の利得媒体として有用な遷移金
属がドープされたガラスセラミック材料を形成する構成及び方法が詳細に記載さ
れている。これらの開示は、本明細書に完全に組み込まれたものとする。
【００３３】 ガラスセラミック利得媒体内に使用されるように企図された光学的に活性な遷
移金属ドーパントは、結晶ホスト内にある場合に、略９００から略３０００ｎｍ
までの範囲内の波長に利得又はレージングを提供できる遷移金属である。光学活
性遷移金属は、Ｖ3+，Ｃｒ3+，Ｃｒ4+，Ｃｏ2+，Ｆｅ2+，Ｎｉ2+及びＴｉ3+の遷
移金属イオンの群から選択されることが好ましい。特に有用なガラスセラミック
材料、つまり光増幅器内で利得媒体として使用されるような潜在的に適切な特性
を示すセラミック材料は、光学活性イオンとしてＣｒ4+を伴う苦土カンラン石、
モンティセライト、ケイ酸亜鉛鉱からなる結晶部分を含む。変形例として、結晶
部分はゲルマニウム酸リチウムが使用可能であり、且つＣｒ3+が光学活性イオン
として使用可能である。
【００３４】 遷移金属がドープされたガラスセラミック材料は、長尺にされたコアを用いた
装置の様々な形態に利得媒体として使用可能である。当該材料に対する１つの有
用な且つ魅力的な形状は、光増幅器及びファイバ型レーザで用いられる光ファイ
バの形状にすることである。その他の形状は、例えば平面導波路及びバルク状の
利得媒体を含み、光増幅器及びレーザ発振器にも使用される。
【００３５】 バルク状の利得媒体は、例えば１×１０-12ｍ2よりも大なる断面積と１から１
０００ｍｍの長さとを有する遷移金属がドープされたガラスセラミックの長尺に
された試料である（を含む）。 光ファイバ及び平面導波路は、例えば長尺にされたコアと、当該コアを軸方向
に囲繞するコアよりも相対的に低い屈折率を有するクラッディング又はカバーと
、である（を含む）。当該構造の長さ及びその中のコア及びクラッディングの直
径は、使用される用途に依存する。適当な長さは、略１ｃｍから略１００ｍまで
の範囲とすることが可能であり、一方、適当なコアの直径は略１μｍから略１０
０μｍまでの範囲とすることが可能である。
【００３６】 光ファイバ及び平面導波路の場合は、利得媒体の構成に幾つかの形態を更に有
することができる。１つの形態として、長尺にされたコアは、遷移金属がドープ
されたガラスセラミックからなり、より低い屈折率のガラス又はガラスセラミッ
クからなるクラッディングを伴っている。他の形態では、遷移金属がドープされ
たガラスセラミックを光ファイバのクラッディング中に配置し、コアはドープさ
れないで形成される。この後者の構造は、クラッディング−ポンピング（claddi
ng-pumping）技術を利用することが可能であり、最良の出力パワーを提供する多
くの場合に見られる。大なるクラッディングは、多くの商業用の高出力パワーポ
ンプレーザの大領域出力に良く適合させることが可能である。第３の形態は、遷
移金属がドープされたガラスセラミックをコア及びクラッディングの双方に含ん
でなり、このような場合でも当該２つの領域間の屈折率差は、導波路として動作
するのに十分である。
【００３７】 例えばプレカーサガラスコアを線引きし、それが所定の形状のファイバが得ら
れるまで両立可能なガラス材料で覆われることによって、光ファイバが形成され
得る。その後、プレカーサガラスコアおよびクラッッディングは、当該材料中に
所望の結晶部分を形成するように、特定のガラス組成に調整される熱処理工程に
かけられる。平面導波路は、平面コア及びクラッディング構造を製造する、蒸着
、エッチング又は放射線による書込み（radiation-writing）技術を用いて形成
され得る。その後、当該構造は、所望の材料内で所望の結晶部分を形成するよう
に熱処理工程にかけられる。この熱処理工程は、試料全体の熱処理、又は焦点が
合わせられた放射光により当該構造の特定部分を選択的に過熱する処理を含む。
【００３８】 長尺にされたコア及び上述したこれらの変形構造は、光増幅器又はレーザ発振
器の利得媒体として有効に使用される。これら２つの装置（光増幅器又はレーザ
発振器）は、以下に記載されている。 光増幅器は、長尺にされたコアガラスセラミック利得媒体と、結晶部分内の活
性遷移金属イオンを励起するように媒体内で結晶相をポンピングするような手段
と、を含む。ポンピングする手段として、半導体レーザ、固体レーザ、気体レー
ザ、色素レーザー又はフラッシュランプとされ得る光源が一般的に含まれる。当
該光源は、遷移金属ドーパントの吸収領域内の波長に光（放射光）を放出する。
【００３９】 増幅器は、バルク状の光学部材又は他の導波路構造等の長尺にされたコア構造
に、信号及びポンプ光の両方を結合する幾つかの手段（例えばカプラ等）を更に
含む。ポンプ光は、コア又はクラッディング内、つまり光ファイバの好ましい光
学的活性部分を伝搬する。遷移金属イオンにより放出された光は、ファイバコア
を通って伝送され、それによって、ファイバを伝搬する信号に利得を与える。信
号光は、パルス波又は連続波（ＣＷ）の何れかにされ得る。
【００４０】 レーザ発振器は、ガラスセラミック利得媒体と、結晶部分内の活性遷移金属イ
オンを励起するように媒体内の結晶相をポンピングする手段と、レーザ発振の発
生するためのフィードバック機構と、を含む。ポンピングする手段は、半導体レ
ーザ、固体レーザ、気体レーザ、色素レーザ又はフラッシュランプとされ得る光
源を一般的に含む。当該光源は、遷移金属ドーパントの吸収領域内の波長で光（
放射光）を放出する。フィードバック機構は、レーザ発振を生じさせるように利
得媒体からの放出光を当該利得媒体へ再度戻すことを繰返す反射表面を含む。レ
ーザキャビティは、多くの場合、レンズ又は曲線状の反射表面からなる焦点合わ
せ用の部材も含む。変形例として、当該焦点合わせ用の部材は、利得媒体そのも
のからなることが可能であり、当該部材は、多くの場合、かなりの量のポンピン
グを伴う熱レンズとして作用する。反射表面は、バルクミラーを含む。当該バル
クミラーは、信号波長よって反射率を変更することが可能であり、且つキャビテ
ィの全利得を全損失よりも高く維持するのに十分な光を反射する。変形例として
、反射表面は、長尺にされたコア利得媒体そのものの劈開された表面又は研磨さ
れた表面からなる。レーザ放出光（出力光）は、不完全な反射（１００％よりも
小なる反射）が生じる反射表面又は焦点合わせ用の表面の何れかからレーザキャ
ビティを出射する。
【００４１】 レーザ発振器は、連続波（ＣＷ）形態で動作され、レーザキャビティから放出
された放射光は、動作時において常にほとんど一定である。 変形例として、レーザ発振器は、モードロック形態で動作される。レーザキャ
ビティの複数の縦モードは相固定され、その結果、レーザキャビティを通過する
光の往復伝搬時間により所定の時間で分割される反復性のパルスの出力が、発生
する。当該モードロッキングは、能動型の技術及び受動型の技術を含む幾つかの
方法により達成される。能動型の技術は、音響光学（ＡＯ）変調、電気光学変調
、及び同期ポンピングである。一方、受動型の技術は、カーレンズモードロッキ
ング（ＫＬＭ）、再生モードロッキング、衝突パルスモードロッキング及び付加
パルスモードロッキングである。
【００４２】 変形例として、レーザは、Ｑスイッチ形態で操作される。キャビティの損失は
、ポンプからのエネルギーが所定の期間の間に利得媒体内に蓄積されるように制
御され、そのあと、蓄積されたエネルギーは、短い間隔の時間に亘って放出され
る。その結果、レーザは、エネルギーの蓄積及び放出を繰り返して行う周期的な
時間によって分割された、高エネルギー出力パルスを生成する。Ｑスイッチ機構
は、飽和可能な吸収媒体と、電気光学変調器と、音響光学変調器と、発振バルク
光学体と、を含む。
【００４３】 変形例として、レーザは、上記の形状（ＣＷ、モードロック、Ｑスイッチ）の
任意の組合わせにより動作される。 略９００ｎｍから１７００ｎｍまでのスペクトル領域の所望の波長で蛍光を発
生する遷移金属がドープされたガラスセラミック材料の実施例に対する放出スペ
クトルが、図１から図３に示されている。
【００４４】 図１は、Ｃｒ4+がドープされた苦土カンラン石のガラスセラミックの吸収及び
放出スペクトルである。図２は、Ｃｒ4+がドープされたケイ酸亜鉛鉱の吸収及び
放出スペクトルである。スペクトルから明確に示される如く、Ｃｒ4+がドープさ
れた苦土カンラン石は、略１１５０ｎｍにピーク放出光を伴う略９００ｎｍから
略１４００ｎｍまでの範囲の波長光を放出する。一方、Ｃｒ4+がドープされたケ
イ酸亜鉛鉱は、略１１００ｎｍから略１７００ｎｍまでの範囲の波長を放出する
。これらの放出光は、１５３０〜１５６０ｎｍの従来から使用されている波長帯
域を包含し、且つ短波長帯域（すなわち１５００ｎｍより小なる帯域）の範囲に
広い帯域放出を示している。これらスペクトルから、以下のことが明白になる。
すなわち、Ｃｒ4+ドーパントを含むガラスセラミック材料が、１１００から１７
００ｎｍ（現在のエルビウムを用いた技術による帯域幅を１桁増加させたことに
相当する）の利得の窓を開けることが可能である。例えばＣｒ4+がドープされた
ケイ酸亜鉛鉱は、１２００〜１６５０ｎｍの波長範囲を単独でカバーする。その
上、Ｃｒ4+吸収帯域が略８００ｎｍから略１１５０ｎｍまで広がるので、Ｃｒ4+ がドープされたガラスセラミック材料を組み込んだ光増幅器は、様々な標準レー
ザポンプ（標準９８０ｎｍレーザダイオード及びネオジウムがドープされたファ
イバレーザポンプを含む）を使用してポンプされることが可能である。加えて、
これら材料の吸収帯域が、現在の高パワーレーザダイオード光源が放出する波長
のほとんどをカバーする故に、Ｃｒ4+がドープされたガラスセラミックは、他の
有用な波長を出力する標準レーザダイオードに変わる新しいポンプ源として使用
可能である。
【００４５】 図３は、他のガラスセラミック材料であるＣｒ3+がドープされたゲルマニウム
酸リチウムに対する吸収及び放出スペクトルを示している。スペクトルに示され
る如く、これら材料は、現在最も一般的なエルビウム増幅器のポンプ波長である
９８０ｎｍの辺に中心を有する広い帯域放出特性を示す。その結果、上記材料は
、コスト的に有効な８１０ｎｍＧａＡｓダイオードポンプレーザを用いてポンプ
され、且つエルビウム増幅器用の９８０ｎｍのファイバをベースとしたポンプと
して機能することが可能である。それによって、９８０ｎｍ波長におけるコスト
的に効果的なポンプレーザが提供される。
【００４６】 本発明は、１又はそれより多い好ましい実施例に関連して記載されたが、本発
明は、当該実施例に限定されないことは、理解され得る。それどころか、本発明
は、全ての変形、変更、及び特許請求の範囲の精神並びにその範囲内に含まれ得
るものと同等のもの、を含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｃｒ4+がドープされた苦土カンラン石のガラスセラミックに対する吸
収及び放出スペクトルを示す図である。
【図２】 Ｃｒ4+がドープされたケイ酸亜鉛鉱のガラスセラミックに対する吸収
及び放出スペクトルを示す図である。
【図３】 Ｃｒ4+がドープされたゲルマニウム酸リチウムのガラスセラミックに
対する吸収及び放出スペクトルを示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＧ，Ａ Ｌ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｄ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ Ｓ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 モズディ エリック ジェイ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14905 エルミラ コールマンアヴェニュー 551 (72)発明者 ピンクニ リンダ アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14830 コーニング ケイトンロード 1564 Ｆターム(参考） 4G062 AA06 AA11 CC01 DA02 ED02 EE02 HH08 NN19 NN20 NN26 QQ06 QQ07 QQ08 5F072 AB20 AK01 AK03 AK06 PP01 PP07 SS06

Claims (40)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光増幅器又はレーザ発振器に使用される利得媒体であって、 ２００ｄＢ／ｍより小なる受動損失を伴い、且つ結晶相とガラス相とを含む遷
    移金属がドープされたガラスセラミック材料を含み、 前記結晶相は前記ガラス相の内に形成され且つ５０ｎｍよりも小である大きさ
    を有し、 前記結晶相の前記遷移金属は略９００ｎｍから１７００ｎｍまでの範囲内の波
    長でレージングが可能である、ことを特徴とする利得媒体。
  2. 【請求項２】 前記受動損失が２０ｄＢ／ｍよりも小であることを特徴とする請
    求項１記載の利得媒体。
  3. 【請求項３】 前記受動損失が２ｄＢ／ｍよりも小であることを特徴とする請求
    項１記載の利得媒体。
  4. 【請求項４】 前記結晶相は、Ｖ3+，Ｃｒ3+，Ｃｒ4+，Ｃｏ2+，Ｆｅ2+，Ｎｉ2+ 及びＴｉ3+からなる群から選択される遷移金属イオンを含むことを特徴とする請
    求項１記載の利得媒体。
  5. 【請求項５】 前記結晶相は、Ｃｒ4+ドーパントを含むことを特徴とする請求項
    ４記載の利得媒体。
  6. 【請求項６】 前記Ｃｒ4+がドープされた結晶相は、苦土カンラン石、モンティ
    セライト、ケイ酸亜鉛鉱、オケルマナイト、クロム透輝石、ＹＡＧ及びオルトケ
    イ酸リチウム−亜鉛−マグネシウム（ｌｉｔｈｉｕｍ−ｚｉｎｃ−ｍａｇｎｅｓ
    ｉｕｍ ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅｓ）からなる群に属することを特徴とする
    請求項５記載の利得媒体。
  7. 【請求項７】 前記結晶相は、Ｃｒ3+ドーパントを含むことを特徴とする請求項
    ４記載の利得媒体。
  8. 【請求項８】 前記Ｃｒ3+がドープされた結晶相は、Ｃｒ3+がドープされたゲル
    マニウム酸リチウムであることを特徴とする請求項７記載の利得媒体。
  9. 【請求項９】 （ａ）（１）長尺にされたコアと、（２）前記長尺されたコアを
    軸方向に囲繞し且つ前記コアよりも低い屈折率を有するクラッディングと、を有
    し、（３）且つ前記コア又は前記クラッディング又はその両方が、２００ｄＢ／
    ｍよりも小なる受動損失を有する遷移金属がドープされたガラスセラミック材料
    からなる、利得媒体と、 （ｂ）前記遷移金属イオンを励起するように前記遷移金属がドープされたガラ
    スセラミック材料をポンピングする手段と、からなる光学信号装置であって、 前記ガラスセラミック材料は、ガラス相内で形成され且つ均一に分散された結
    晶相を有し、 前記結晶相は、５０ｎｍよりも小なる大きさを有し、 前記ガラスセラミック材料中の前記遷移金属ドーパントは、信号光と同一の波
    長でレージングすることが可能である、ことを特徴とする光学信号装置。
  10. 【請求項１０】 前記光学信号装置は、光信号を増幅する増幅器であることを特
    徴とする請求項９記載の光学信号装置。
  11. 【請求項１１】 前記光学信号装置は、コヒーレント光の信号を発生するレーザ
    発振器であることを特徴とする請求項９記載の光学信号装置。
  12. 【請求項１２】 前記利得媒体の前記長尺にされたコアは、遷移金属がドープさ
    れたガラスセラミック材料からなることを特徴とする請求項９記載の光学信号装
    置。
  13. 【請求項１３】 前記利得媒体の前記長尺にされたコアを囲繞する前記クラッデ
    ィングは、遷移金属がドープされたガラスセラミック材料からなることを特徴と
    する請求項９記載の光学信号装置。
  14. 【請求項１４】 前記利得媒体の前記長尺にされたコアとそれを囲繞する前記ク
    ラッディングの両方は、遷移金属がドープされたガラスセラミック材料からなる
    ことを特徴とする請求項９記載の光学信号装置。
  15. 【請求項１５】 前記遷移金属ドーパントは、Ｖ3+，Ｃｒ3+，Ｃｒ4+，Ｃｏ2+，
    Ｆｅ2+，Ｎｉ2+及びＴｉ3+からなる群から選択されることを特徴とする請求項９
    記載の光学信号装置。
  16. 【請求項１６】 前記遷移金属ドーパントは、Ｃｒ4+であることを特徴とする請
    求項１５記載の光学信号装置。
  17. 【請求項１７】 前記Ｃｒ4+がドープされた結晶相は、苦土カンラン石、モンテ
    ィセライト、ケイ酸亜鉛鉱、オケルマナイト、クロム透輝石、ＹＡＧ及び混合さ
    れたオルトケイ酸リチウム−亜鉛−マグネシウムからなる群に属することを特徴
    とする請求項１６記載の光学信号装置。
  18. 【請求項１８】 前記遷移金属ドーパントは、Ｃｒ3+であることを特徴とする請
    求項１５記載の光学信号装置。
  19. 【請求項１９】 前記Ｃｒ3+がドープされた結晶相は、Ｃｒ3+がドープされたゲ
    ルマニウム酸リチウムであることを特徴とする請求項１８記載の光学信号装置。
  20. 【請求項２０】 前記信号光は、パルス信号であることを特徴とする請求項１０
    記載の増幅器。
  21. 【請求項２１】 前記信号光は、連続波信号であることを特徴とする請求項１０
    記載の増幅器。
  22. 【請求項２２】 前記信号光は、略９００から３０００ｎｍの範囲内に波長を有
    することを特徴とする請求項１０記載の増幅器。
  23. 【請求項２３】 前記ポンピングする手段は、前記遷移金属イオンの吸収範囲で
    光を放出し、且つ半導体レーザ、固体レーザ、気体レーザ、色素レーザ又はフラ
    ッシュランプからなることを特徴とする請求項１０記載の増幅器。
  24. 【請求項２４】 前記出力放射光は、連続波信号であることを特徴とする請求項
    １１記載のレーザ発振器。
  25. 【請求項２５】 前記出力放射光は、周期的に連続しているモードロックパルス
    信号であることを特徴とする請求項１１記載のレーザ発振器。
  26. 【請求項２６】 前記出力放射光は、周期的に連続しているＱスイッチパルス信
    号であることを特徴とする請求項１１記載のレーザ発振器。
  27. 【請求項２７】 前記出力放射光は、周期的に連続しているモードロックされた
    Ｑスイッチパルス信号であることを特徴とする請求項１１記載のレーザ発振器。
  28. 【請求項２８】 前記出力放射光は、略９００から３０００ｎｍの範囲内に波長
    を有することを特徴とする請求項１１記載のレーザ発振器。
  29. 【請求項２９】 前記ポンピングする手段は、前記遷移金属イオンの吸収範囲で
    光を放出し、且つ半導体レーザ、固体レーザ、気体レーザ、色素レーザ又はフラ
    ッシュランプからなることを特徴とする請求項１１記載のレーザ発振器。
  30. 【請求項３０】 レーザ放出光により光信号を発生するか、又は発生した前記信
    号光を増幅する方法であって、 （ａ）長尺にされたコアと前記長尺にされたコアを軸方向に囲繞するクラッデ
    ィングとを有し、且つ前記コアの材料よりも低い屈折率特性を有する前記クラッ
    ディングの材料を有し、且つ前記長尺にされたコア又は前記クラッディング又は
    その両方が遷移金属でドープされたガラスセラミック材料からなる、利得媒体を
    提供するステップと、 （ｂ）前記遷移金属イオンを励起するように前記コア又は前記クラッディング
    又はその両方の前記ガラスセラミック材料をポンピングするステップと、からな
    り、 前記遷移金属がドープされた前記ガラスセラミック材料は、２００ｄＢ／ｍよ
    りも小である受動損失を有し、且つ結晶相とガラス相とを有し、 前記結晶相は、前記ガラス相内に形成され、且つガラス相内で均一に分散され
    、 前記結晶は５０ｎｍよりも小である大きさを有し、 前記遷移金属ドーパントの少なくとも一部は前記結晶相に混合され、 前記結晶相内の前記遷移金属ドーパントは、所望の光信号波長でレージングが
    可能である、ことを特徴とする方法。
  31. 【請求項３１】 前記遷移金属イオンが励起状態にある間に、前記ガラスセラミ
    ック材料を介して前記信号光を伝送することにより光信号を増幅することを特徴
    とする請求項３０記載の方法。
  32. 【請求項３２】 レーザ放出光により信号光を発生するステップを含む方法であ
    って、 （ａ）レーザキャビティの利得全体が損失全体を十分に上回るように、光放出
    用のフィードバック機構を前記利得媒体の両側部に提供するステップとを有し、
    前記フィードバック機構は、利得媒体からの放出光を前記利得媒体へ再度戻すこ
    とを繰返す反射表面となる、（１）鏡等のバルク状の光学体、又は（２）利得媒
    体の劈開された面又は研磨された面、からなっており、 前記方法は更に、（ｂ）前記放出光を閉じ込めて且つキャビティの安定性を維
    持するようにレーザキャビティ内で焦点を合わせる部材となる、（１）レンズ等
    のバルク状の光学体、又は（２）熱レンズ等の処理を介する利得媒体そのもの、
    を光学的に形成するステップを有し、 前記利得媒体の前記放出光は、前記キャビティの任意の部分反射表面を介して
    レーザ放出を刺激する、ことを特徴とする請求項３０記載の方法。
  33. 【請求項３３】 前記遷移金属ドーパントは、Ｖ3+，Ｃｒ3+，Ｃｒ4+，Ｃｏ2+，
    Ｆｅ2+，Ｎｉ2+及びＴｉ3+からなる群から選択されることを特徴とする請求項３
    ０記載の方法。
  34. 【請求項３４】 前記信号光は、パルス信号であることを特徴とする請求項３０
    記載の方法。
  35. 【請求項３５】 前記信号光は、連続波信号であることを特徴とする請求項３０
    記載の方法。
  36. 【請求項３６】 前記信号光は、略９００から３０００ｎｍの範囲内に波長を有
    することを特徴とする請求項３０記載の方法。
  37. 【請求項３７】 前記ポンピングする手段は、前記遷移金属イオンの吸収範囲で
    光を放出し、且つ半導体レーザ、固体レーザ、気体レーザ、色素レーザ又はフラ
    ッシュランプからなることを特徴とする請求項３０記載の方法。
  38. 【請求項３８】 前記方法は、周期的に連続しているモードロックパルス信号と
    なる信号光を発生するステップを含むことを特徴とする請求項３２記載の方法。
  39. 【請求項３９】 前記方法は、周期的に連続しているＱスイッチ信号となる信号
    光を発生するステップを含むことを特徴とする請求項３２記載の方法。
  40. 【請求項４０】 前記方法は、周期的に連続しているモードロックされたＱスイ
    ッチ信号となる信号光を発生するステップを含むことを特徴とする請求項３２記
    載の方法。
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