JP2774963B2 - Functional optical waveguide medium - Google Patents

Functional optical waveguide medium

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JP2774963B2
JP2774963B2 JP1267106A JP26710689A JP2774963B2 JP 2774963 B2 JP2774963 B2 JP 2774963B2 JP 1267106 A JP1267106 A JP 1267106A JP 26710689 A JP26710689 A JP 26710689A JP 2774963 B2 JP2774963 B2 JP 2774963B2
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    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高い励起効率を得る機能性光導波媒体に関
する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a functional optical waveguide medium that obtains high excitation efficiency.

（従来の技術および問題点） 近年、Nd（ネオジウム）、Er（エルビウム）、Pr（プ
ラセオジウム）、Yb（イッテリビウム）などの希土類元
素を添加した光ファイバ（以下、希土類元素添加光ファ
イバと記す）をレーザ活性物質とした、単一モード光フ
ァイバレーザあるいは光増幅器が、光センサや光通信の
分野で多くの利用の可能性を有することが報告され、そ
の応用が期待されている。(Prior art and problems) In recent years, optical fibers doped with rare earth elements such as Nd (neodymium), Er (erbium), Pr (praseodymium), and Yb (ytterbium) (hereinafter referred to as rare earth element-doped optical fibers) have been developed. It has been reported that a single mode optical fiber laser or an optical amplifier as a laser active material has many potential uses in the field of optical sensors and optical communication, and its application is expected.

希土類元素添加光ファイバを用いた光ファイバレーザ
増幅器としては、Er添加した石英系光ファイバを、レー
ザ活性物質として用い、半導体レーザを励起光源とし
て、波長1.54μｍで光増幅を確認した例が、アール．ジ
ェー．メアーズなど（J.Mears他、Electron.Lett.,23,P
P1028〜1029,1987）によって報告されている。As an example of an optical fiber laser amplifier using a rare earth element-doped optical fiber, an Er-doped quartz-based optical fiber was used as a laser active material, and a semiconductor laser was used as an excitation light source to confirm optical amplification at a wavelength of 1.54 μm. . J. Mears etc. (J.Mears et al., Electron.Lett., 23, P
It has been reported by the P1028 ~ 1029,1987).

このようなレーザ活性物質を添加した光ファイバを効
果的に利用するためには、光学的に効率よく励起光を入
射させると共に、これらの励起光を効率的に利用する導
波構造が必要となる。In order to effectively use such an optical fiber doped with a laser active material, a waveguide structure that efficiently emits excitation light and efficiently uses the excitation light is necessary. .

光ファイバの入射効率を上げる手法としては、一般に
光ファイバのNA（開口数:NA＝nco 2−ncl 2）1/2、nco:フ
ァイバのコア屈折率、ncl:クラッドの屈折率）を大きく
する方法が知られている。すなわち、ncoとnclの屈折率
を大きくすることが効果的に入射効率を上げることにな
る。このため、たとえば、石英ガラスのコアに高濃度の
GeO2を添加し屈折率を大きくする方法がとられる。As a technique to improve the efficiency of incidence of the optical fiber are generally of the optical fiber NA (numerical aperture: NA = n co 2 -n cl 2) 1/2, n co: Core refractive index of the fiber, n cl: the refractive index of the cladding ) Is known. That is, increasing the refractive index of n co and n cl effectively increases the incident efficiency. For this reason, for example, a high-concentration
A method of increasing the refractive index by adding GeO 2 is used.

しかるに、コアに高濃度のドーピングを行なうとガラ
スの散乱損失が著しく増加するという問題があったた
め、効率的な機能性導波媒体が得にくいという問題があ
った。However, when the core is doped at a high concentration, there is a problem that the scattering loss of glass is remarkably increased, so that it is difficult to obtain an efficient functional waveguide medium.

第２図は、GeO2をコアに添加した単一モード光ファイ
バの散乱損失（波長１μｍ）とGeO2の添加濃度（比屈折
率差に対応）の関係を調べたものである。図に示される
ように、GeO2の添加濃度5mol％以上で急激な散乱損失の
増加が現われる。また、Al2O3を添加剤とした場合は、
一般に5mol％以上の添加でガラスの結晶体が生じる問題
があった。FIG. 2 shows the relationship between the scattering loss (wavelength: 1 μm) and the concentration of GeO 2 added (corresponding to the relative refractive index difference) of a single mode optical fiber having GeO 2 added to the core. As shown in the figure, a sharp increase in scattering loss appears when the concentration of GeO 2 added is 5 mol% or more. When Al 2 O 3 is used as an additive,
In general, there is a problem that a glass crystal is generated by adding 5 mol% or more.

一方、単一モード光ファイバに励起された光（ポンプ
光）を効率よく使用する方法として、第３図に示すよう
に、コアの中心部にのみレーザ活性物質（第３図の例で
はEr:エルビウム）を添加する手法が、B.J.Ainslieらに
よって報告されている（1988年欧州光通信国際会議、論
文予稿pp.62〜65,1988）。これは、単一モード光ファイ
バ内の伝搬光エネルギー（励起光）の強い部分（すなわ
ちコア中心部）でErを励起することにより、励起効率を
上げようとするものである。On the other hand, as a method of efficiently using the light (pump light) pumped by the single mode optical fiber, as shown in FIG. 3, a laser active material (Er: A method of adding erbium) has been reported by BJAinslie et al. (1988 European Optical Communication International Congress, Proceedings pp. 62-65, 1988). This is intended to increase the pumping efficiency by pumping Er at a portion where the propagation light energy (pumping light) in the single mode optical fiber is strong (that is, at the center of the core).

しかるに、第３図の構成では、励起効率は上がるが、
光エネルギーの強い部分とコアの高屈折率領域（すなわ
ち高い散乱損失領域）が光学的に重畳されるため、損失
が大きくなる問題があった。However, in the configuration of FIG. 3, although the excitation efficiency is increased,
Since the portion where the light energy is strong and the high refractive index region (that is, the high scattering loss region) of the core are optically superimposed, there is a problem that the loss increases.

さらに、上記例では、希土類元素を高濃度（数百ppm
以上）に添加しているため、希土類元素の高濃度添加効
果によって散乱損失が大きいという欠点があった。すな
わち、第４図は発明者らがErの添加濃度と1.2μｍにお
ける光ファイバの過剰損失（散乱損失）の関係を調べた
ものであるが、Erを150ppm以上に添加した場合、過剰損
失が急激に増加することを示すものである。このような
散乱損失の希土類元素添加濃度依存性は、屈折率調整用
の他のドーパント（例えばGeO2、Al2O3など）を共添加
した場合は、さらに顕著となる傾向がある。Further, in the above example, a high concentration of rare earth element (several hundred ppm)
), There is a disadvantage that the scattering loss is large due to the effect of adding the rare earth element at a high concentration. That is, FIG. 4 shows the relationship between the additive concentration of Er and the excess loss (scattering loss) of the optical fiber at 1.2 μm. When Er is added to 150 ppm or more, the excess loss increases sharply. It shows that it increases. Such a dependency of the scattering loss on the concentration of the added rare earth element tends to be more remarkable when another dopant for adjusting the refractive index (eg, GeO 2 , Al 2 O 3, etc.) is co-added.

（発明の目的） 本発明は上述の問題点に鑑みなされたものであり、散
乱損失を低減すると共にレーザ活性物質の効率を高め、
さらに高NAを保持しつつ低損失で高光エネルギ密度の機
能性光導波媒体を提供することを目的とする。(Objects of the Invention) The present invention has been made in view of the above problems, and reduces scattering loss and increases the efficiency of a laser active substance.
It is another object of the present invention to provide a functional optical waveguide medium having a low NA and a high optical energy density while maintaining a high NA.

（問題を解決するための手段） 本発明は、かかる問題点を解決するため、レーザ遷移
を有する希土類元素または遷移金属をコア部に添加して
なると共に、このコア外周に形成されて当該コアよりも
低屈折率のクラッドを備える石英系機能性光導波媒体で
あって、上記コアが互いに同心円状に配置され、当該コ
アの中心部に位置する第１のコアと、この外周に形成さ
れた第２のコアとからなる二重構造を成し、前記第１の
コアの純粋石英に対する比屈折率差 Δn1が ０≦Δn1≦0.5％ の範囲にあり、前記第２のコアの純粋石英に対する比屈
折率差Δn2が 0.7≦Δn2≦3.5％ の範囲にあって、前記希土類元素または遷移金属は、前
記第１のコア部にのみ添加されてなることを特徴とす
る。(Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, the present invention is to add a rare earth element or a transition metal having a laser transition to a core portion, and to be formed around the core to form a Is also a silica-based functional optical waveguide medium having a low refractive index clad, wherein the cores are arranged concentrically with each other, a first core located at the center of the core, and a second core formed on the outer periphery thereof. And a relative refractive index difference Δn1 of the first core with respect to pure quartz is in the range of 0 ≦ Δn1 ≦ 0.5%, and a relative refractive index of the second core with respect to pure quartz. The rate difference Δn2 is in a range of 0.7 ≦ Δn2 ≦ 3.5%, and the rare earth element or the transition metal is added only to the first core portion.

すなわち、コアの屈折率分布を、レーザ活性物質を添
加する相対的に低屈折率の第１のコア層と、より大きな
NAを得るための相対的に高屈折率の第２のコア層とから
なるように構成したものである。また、第１のコア層に
添加するレーザ活性物質の濃度を低く抑えることによっ
て散乱損失が小さく、クラスターの発生もなく、かつ屈
折率調整用のドーパント（GeO2、Al2O3、P2O5など）の
濃度も低く抑えているため、光学的に低損失のガラス層
となっている。That is, the refractive index distribution of the core is larger than that of the first core layer having a relatively low refractive index to which the laser active substance is added.
It is configured to be composed of a second core layer having a relatively high refractive index for obtaining NA. Further, by suppressing the concentration of the laser active substance added to the first core layer to be low, scattering loss is small, clusters are not generated, and dopants for adjusting the refractive index (GeO 2 , Al 2 O 3 , P 2 O) are used. 5 ) is low, resulting in an optically low-loss glass layer.

この結果、当該構造の光ファイバは、第２のコア層の
高屈折率層の効果によって極めて高い開口数（NA）を有
しながら、光エネルギー密度の高いコア中心部（第１の
コア層）ではドーパント総量を低く抑えているため散乱
損失が小さく、全体として低損失であり、しかもこの低
損失領域にのみレーザ活性物質が添加されているため、
該レーザ活性物質の励起効率が高く、かつ該レーザ活性
物質に作用する光エネルギー密度が高いのが特徴であ
り、極めて高効率の機能性光導波媒体（ファイバ）を提
供できる。As a result, the optical fiber having the above structure has a very high numerical aperture (NA) due to the effect of the high refractive index layer of the second core layer, and has a high optical energy density in the center of the core (the first core layer). Since the total amount of dopant is kept low, the scattering loss is small, the overall loss is low, and the laser active substance is added only to this low loss region.
It is characterized by a high excitation efficiency of the laser active substance and a high light energy density acting on the laser active substance, so that a highly efficient functional optical waveguide medium (fiber) can be provided.

このような構成の機能性光導波媒体は、例えば高増幅
度の光ファイバ増幅器、あるいは光ファイバレーザとし
て用いて好適である。The functional optical waveguide medium having such a configuration is suitable for use as, for example, a high-amplification optical fiber amplifier or an optical fiber laser.

第１図（ａ）は、本発明の機能性光ファイバの構造概
念図である。ここでΔn1、Δn2、Δn3は純粋石英に対す
る第一コア、第二コア、クラッドのそれぞれの比屈折率
である。また、noは純粋石英の屈折率である。FIG. 1A is a conceptual diagram of the structure of the functional optical fiber of the present invention. Here, Δn1, Δn2, and Δn3 are relative refractive indexes of the first core, the second core, and the clad with respect to pure quartz. “No” is the refractive index of pure quartz.

ここに、Δｎは、該光ファイバの比屈折率差で、 Δｎ＝Δn2＋Δn3 （１） である。 Here, Δn is a relative refractive index difference of the optical fiber, and Δn = Δn2 + Δn3 (1)

また、r1、r2はそれぞれ第１のコア層および第２のコ
ア層の半径であり、r1/r2は、効率の点から0.2〜0.4程
度が望ましい。R1 and r2 are the radii of the first core layer and the second core layer, respectively, and r1 / r2 is desirably about 0.2 to 0.4 from the viewpoint of efficiency.

第１図（ｂ）は、第１図（ａ）の屈折率分布をやや変
形させたもので、屈折率分布形状がステップ状からやや
滑らかな分布としている。第１図（ｂ）のような分布
は、ファイバ製造工程中におけるドーパントの熱拡散や
ガラス化工程でのドーパントの蒸発の利用によっても作
製できるが、精密な分布制御技術を用いても形成でき
る。FIG. 1 (b) is a slightly modified version of the refractive index distribution shown in FIG. 1 (a), and the refractive index distribution shape is a step-shaped rather smooth distribution. The distribution as shown in FIG. 1 (b) can be produced by utilizing the thermal diffusion of the dopant during the fiber production process or the evaporation of the dopant during the vitrification process, but can also be formed by using a precise distribution control technique.

すなわち、第１図（ｂ）のような分布も基本的に本発
明の光ファイバと同一機能を有することを付記する。本
発明で重要な点は、レーザ活性領域として極めて重要な
光エネルギー密度の高いコア中心部に、ドーパント量を
低く抑えた低損失にして高効率の第１のコア層を設け、
ファイバ全体の低損失化とレーザ活性領域（レーザ活性
物質添加領域）の高効率化を達成すると同時に、第２の
コア層を設けることによって、該ファイバの実効的開口
数（NA）を大きくし、結果として、第１のコア層のエネ
ルギー密度を著しく向上させ、これにより機能性光ファ
イバの励起効率を大幅に改善した点にある。That is, it is additionally noted that the distribution shown in FIG. 1B basically has the same function as the optical fiber of the present invention. An important point in the present invention is that a highly efficient first core layer having a low loss and a low dopant amount is provided in a central portion of a core having a high light energy density which is extremely important as a laser active region,
Achieving low loss of the whole fiber and high efficiency of the laser active region (laser active material added region), and at the same time, providing the second core layer increases the effective numerical aperture (NA) of the fiber, As a result, the energy density of the first core layer is significantly increased, and thereby the pumping efficiency of the functional optical fiber is greatly improved.

前述のように本発明による機能性光導波媒体の第一の
コアの純粋石英に対する比屈折率Δn1は０≦Δn1≦0.5
％である。第２図より明らかなように、光エネルギ密度
の高い第一コア層に低損失なガラス材料を適用するに
は、散乱損失の増加のほとんどない領域Δn1≦0.5％が
必須であるからである。As described above, the relative refractive index Δn1 of the first core of the functional optical waveguide medium according to the present invention with respect to pure quartz is 0 ≦ Δn1 ≦ 0.5.
%. As is clear from FIG. 2, in order to apply a low-loss glass material to the first core layer having a high light energy density, a region Δn1 ≦ 0.5% where there is almost no increase in scattering loss is essential.

また第二のコアの純粋石英に対する比屈折率Δn2は0.
7≦Δn2≦3.5％であることが必要である。本発明者らは
比較的低濃度のEr添加ファイバにおいて極めて高効率の
増幅が可能であることを見いだした。こうした光増幅器
においては、使用するファイバ長は少なくとも数十ｍ、
長い場合には数百ｍを要するため、高速の光信号（例え
ば数Gd/s以上）を伝送する際には、Er添加ファイバ自身
の分散も無視できなくなる。Er添加ファイバ増幅器を使
用する波長帯の1.53〜1.57μｍ帯で零分散の波長を実現
するかまたは極めて低分散値（0.1ps/Å・km以下）実現
するためには単一モード光ファイバの比屈折率差を少な
くとも0.7％以上必要である。Also, the relative refractive index Δn2 of the second core with respect to pure quartz is 0.3.
It is necessary that 7 ≦ Δn2 ≦ 3.5%. The present inventors have found that very high efficiency amplification is possible with a relatively low concentration of Er-doped fiber. In such an optical amplifier, the fiber length used is at least several tens of meters,
When the optical fiber is long, it takes several hundred meters, so that when transmitting a high-speed optical signal (for example, several Gd / s or more), the dispersion of the Er-doped fiber itself cannot be ignored. To achieve a zero-dispersion wavelength or an extremely low dispersion value (0.1 ps / Å · km or less) in the 1.53 to 1.57 μm wavelength band using an Er-doped fiber amplifier, the ratio of a single mode optical fiber is required. The difference in refractive index must be at least 0.7% or more.

前述のような第一のコアのホスト材料としては、例え
ば純粋石英ガラス（SiO2）、Al2O3−P2O5−SiO2系の石
英ガラスなどを使用することができる。As the host material of the first core as described above, for example, pure quartz glass (SiO 2 ), Al 2 O 3 —P 2 O 5 —SiO 2 system quartz glass, or the like can be used.

上記第一のコアに添加される希土類元素、遷移金属
は、上記Erのほか、他の希土類元素、例えばNd、Tm、H
o、Yb等およびTi、Ni、Cr等の遷移金属元素の一種以上
を例としてあげることができる。The rare earth element added to the first core, the transition metal, in addition to Er, other rare earth elements, for example, Nd, Tm, H
Examples include one or more of o, Yb and the like and transition metal elements such as Ti, Ni and Cr.

前記第一のコアの添加される物質の濃度Ｎは、好まし
くは、１〜150ppmである。150ppmを越えると、ガラスの
散乱損失が以上に増加するばかりでなく、増幅効率が著
しく劣化する恐れがあり、一方1ppm未満であると、最大
増幅゜をえるに必要なファイバ長は、1kgを越えてしま
う。これは小型のファイバ増幅器をえるなど、装置構成
上の障害になる恐れがあるからである。The concentration N of the substance added to the first core is preferably 1 to 150 ppm. If it exceeds 150 ppm, not only the scattering loss of the glass will increase further, but also the amplification efficiency may be significantly degraded.On the other hand, if it is less than 1 ppm, the fiber length required to obtain the maximum amplification will exceed 1 kg. Would. This is because there is a risk of obstructing the device configuration, such as obtaining a small fiber amplifier.

また、クラッドのホスツ材料としては例えば、フッ素
添加石英ガラス（Ｆ−SiO2）などを有効に使用すること
ができる。As the Hosutsu material of the cladding example, it can be effectively used such as fluorine-doped silica glass (F-SiO 2).

以下、具体的な実施例によって詳細に説明する。 Hereinafter, a specific example will be described in detail.

（実施例１） 第５図は本発明の第１の実施例の光ファイバの構造図
である。１は第１のコア層であって、ガラス材料はSiO2
−Er、Er添加量90ppmである。同部の屈折率はほぼ純粋
石英（SiO2）の屈折率に等しい（Δn1０）。２は第２
のコア層であって、ガラス材料はGeO2−SiO2、GeO2のド
プ量は、16.5mol％、Δn2＝1.6％であった。３はクラッ
ド層であり、ガラス材料はSiO2−Ｆ、Δn3は、0.6％
（純粋石英に対して−0.6％）であった。Embodiment 1 FIG. 5 is a structural diagram of an optical fiber according to a first embodiment of the present invention. 1 is a first core layer, and the glass material is SiO 2
-The amount of Er and Er added is 90 ppm. The refractive index of this part is almost equal to the refractive index of pure quartz (SiO 2 ) (Δn10). 2 is the second
The glass material was GeO 2 —SiO 2 , the doping amount of GeO 2 was 16.5 mol%, and Δn 2 = 1.6%. 3 is a cladding layer, the glass material is SiO 2 -F, and Δn3 is 0.6%
(-0.6% based on pure quartz).

同ファイバの作製は、以下の手順で行なった。まず、
VAD法により、直径56mmφの多孔質母材を作製し、これ
をErの揮発雰囲気中でガラス化し、直径20mmφの第１の
コア層用のEr添加石英ガラス母材を得た。これを火災に
より、近伸加工後、表面をエッチング処理し、VAD法に
より第２のコア層としてGeO2−SiO2多孔質体を外付け
し、ガラス化処理を行なった。得られたガラスロッドを
火災延伸後、該ロッド外周に、さらにSiO2の多孔質体を
形成し、これをフッ素雰囲気中でガラス化し、光ファイ
バ母材を得た。The fabrication of the fiber was performed in the following procedure. First,
A porous preform having a diameter of 56 mmφ was prepared by the VAD method, and vitrified in a volatile atmosphere of Er to obtain an Er-doped quartz glass preform for a first core layer having a diameter of 20 mmφ. This was subjected to near-drawing processing by a fire, followed by etching the surface, externally attaching a GeO 2 —SiO 2 porous body as a second core layer by a VAD method, and performing vitrification processing. After the obtained glass rod was drawn by fire, a porous body of SiO 2 was further formed on the outer periphery of the rod, and this was vitrified in a fluorine atmosphere to obtain an optical fiber preform.

ここに、フッ素添加クラッドガラスの外付け工程は合
計４図行ない、さらにこの外側に石英ガラス管を被覆
し、外径／コア径＝D/r2＝56の光ファイバ母材を得たr1
/r2は0.28であった。Here, a total of four steps of external attachment of the fluorine-doped clad glass were performed, and a quartz glass tube was further coated on the outside to obtain an optical fiber preform having an outer diameter / core diameter = D / r2 = 56.
/ r2 was 0.28.

得られた母材を、高純度カーボンヒータを有する光フ
ァイバ線引き装置を用いて線引きし、コア（2r2）2.23
μｍ、外径125μｍ、カットオフ波長0.89μｍの単一モ
ード光ファイバを得た。この光ファイバの損失は、波長
1.2μｍで、1.2dB/kmであった。The obtained base material was drawn using an optical fiber drawing device having a high-purity carbon heater, and a core (2r2) 2.23 was drawn.
A single mode optical fiber having a diameter of 125 μm, an outer diameter of 125 μm, and a cutoff wavelength of 0.89 μm was obtained. The loss of this optical fiber is the wavelength
At 1.2 μm, it was 1.2 dB / km.

該光ファイバの機能性を調べるため、第６図に示すよ
うな実験系を構成し、光ファイバ増幅器による光増幅実
験を行なった。In order to examine the functionality of the optical fiber, an experimental system as shown in FIG. 6 was constructed, and an optical amplification experiment using an optical fiber amplifier was performed.

第６図において、５は信号光源（被増幅信号）波長λ
ｓ＝1.537μｍのDFBレーザ、6,6′は波長λｐ＝1.485μ
ｍの励起光源、7,7′,7″,7はレーザの集光レンズ、
８はレーザ6,6′の２つの光束を偏波合成するための偏
波ビームスプリッタ、９は信号光源５と励起光源6,6′
を合成するためのダイクロイックミラー、10,10′は光
コネクタ、11,11′,11″,11は単一モード光ファイバ
コード、12,12′は偏波無依存光アイソレータ、13は上
記の作製したEr添加単一モード光ファイバ、14はフイル
タ、15はスペクトラムアナライザである。In FIG. 6, 5 is a signal light source (amplified signal) wavelength λ.
DFB laser with s = 1.537 µm, 6,6 'wavelength λp = 1.485 µ
m, excitation light source, 7,7 ′, 7 ″, 7 are laser focusing lenses,
Reference numeral 8 denotes a polarization beam splitter for combining two light beams of the lasers 6 and 6 'in a polarization manner, and 9 denotes a signal light source 5 and excitation light sources 6, 6'.
Dichroic mirrors for synthesizing optical fibers, 10, 10 'are optical connectors, 11, 11', 11 ", 11 are single-mode optical fiber cords, 12, 12 'are polarization-independent optical isolators, and 13 is made as described above. The Er-doped single mode optical fiber, 14 is a filter, and 15 is a spectrum analyzer.

ここに、Er添加ファイバの長さは250mであった。 Here, the length of the Er-doped fiber was 250 m.

第６図の実験系を以下の手順で動作させた、まず信号
光源５を点灯し、レンズ７″,7およびダイクロイック
ミラー９を介して、光ファイバ11に入射させた。このと
きのコネクタ10′での出力は、−54dBmであった。次い
で、励起光源6,6′を点灯し、偏波ビームスプリッタ
８、ダイクロイックミラー９、レンズ7,7′,7を介し
て、光ファイバ11に入射した。ここに、励起光のコネク
タ10′での出力は18mWであった。上記の合成された光を
コネクタ10″を介してEr添加光ファイバ13に入射、この
増幅特性をスペクトラムアナライザ15を用いて測定した
ところ、ネットの増幅度で43dBが得られた。The experimental system shown in FIG. 6 was operated in the following procedure. First, the signal light source 5 was turned on, and the light was incident on the optical fiber 11 via the lenses 7 ″ and 7 and the dichroic mirror 9. The connector 10 ′ at this time was used. Then, the excitation light sources 6, 6 'were turned on, and were incident on the optical fiber 11 via the polarization beam splitter 8, the dichroic mirror 9, and the lenses 7, 7', 7. Here, the output of the excitation light at the connector 10 'was 18 mW. The combined light was incident on the Er-doped optical fiber 13 via the connector 10 ", and the amplification characteristics were measured using a spectrum analyzer 15. As a result of the measurement, 43 dB was obtained in the degree of amplification of the net.

（比較例１） 比較のため、上記ファイバと同一の比屈折率差（2.2
％）を有するステップ形単一モード光ファイバを作製
し、第６図と同様の実験系で光増幅実験を行なった。た
だし、ここに製作した光ファイバ、ステッ状分布の光フ
ァイバのコア内にErが均一に分布しているもので、ガラ
ス組成は、GeO2−Er−SiO2であり、上記実施例と同一濃
度（90ppm）のErを含有している。Comparative Example 1 For comparison, the same relative refractive index difference (2.2
%), And an optical amplification experiment was performed using the same experimental system as in FIG. However, the optical fiber manufactured here has a uniform distribution of Er in the core of the stepped optical fiber, and the glass composition is GeO 2 -Er-SiO 2 , the same concentration as in the above example. (90 ppm) Er.

コア内のGeO2の添加濃度は第１の実施例と同じく16mo
l％、クラッドガラスはSiO2−Ｆ系のガラスであり、純
粋石英に対する比屈折率差は−0.62％、したがってコア
とクラッドの比屈折率差は2.22％であった。なお、ジャ
ケット層には純粋石英を用いた。また、同ファイバのコ
ア径は2.19μｍ、カットオフ波長は0.9μｍであった。
損失は、波長1.2μｍで5.6dB/kmであった。また、ファ
イバ長は、波長1.485μｍで、実施例と同一の吸収を与
える180mとした。The added concentration of GeO 2 in the core was 16mo as in the first embodiment.
l%, the cladding glass was a SiO 2 -F glass, and the relative refractive index difference with respect to pure quartz was -0.62%. Therefore, the relative refractive index difference between the core and the cladding was 2.22%. In addition, pure quartz was used for the jacket layer. The fiber had a core diameter of 2.19 μm and a cutoff wavelength of 0.9 μm.
The loss was 5.6 dB / km at a wavelength of 1.2 μm. The fiber length was set to 180 m at a wavelength of 1.485 μm and giving the same absorption as in the example.

上記ファイバの増幅特性の測定結果は、入射励起光量
18mWで32dBにとどまった。The measurement result of the amplification characteristics of the fiber
It stayed at 32dB at 18mW.

（比較例２） コアのガラス組成をGeO2−P2O5−Er−SiO2、クラッド
のガラス組成をSiO2−P2O5、Δｎ＝2.20％、コア全体に
ドープしたEr濃度90ppm、λｃ＝0.89μｍ、コア径2.2μ
ｍのステップ型単一モード光ファイバを作製し、上記と
同様の光増幅実験を行なったところ、Pp＝18mW増幅度は
28dBにとどまった。なお、この光ファイバの波長1.2μ
ｍでの損失は、7.8dB/kmと比較例１に比べてさらに大き
な値を示した。これはコアのGeO2の添加濃度が20mol％
と大きくなったことと、この高ドープ領域がコア全体に
わたっていることによるものである。(Comparative Example 2) The glass composition of the core was GeO 2 —P 2 O 5 —Er—SiO 2 , the glass composition of the cladding was SiO 2 —P 2 O 5 , Δn = 2.20%, the Er concentration doped in the entire core was 90 ppm, λc = 0.89μm, core diameter 2.2μ
m step-type single-mode optical fiber was fabricated, and the same optical amplification experiment as above was performed.
Stayed at 28dB. Note that the wavelength of this optical fiber is 1.2μ.
The loss at m was 7.8 dB / km, which was a larger value than Comparative Example 1. This is because the core concentration of GeO2 is 20mol%
And that the highly doped region extends over the entire core.

なお、上記実施例および比較例において、波長1.2μ
ｍで損失比較をしているのは、この波長近傍ではErの吸
収が伝送損失に与える影響がほとんどないので、導波構
造の効果を含めたガラスの損失を評価できるためであ
る。In the above Examples and Comparative Examples, the wavelength of 1.2 μm
The reason for comparing the loss with m is that since the absorption of Er has almost no effect on the transmission loss in the vicinity of this wavelength, the loss of the glass including the effect of the waveguide structure can be evaluated.

（実施例２） 第１図の構造図において、第１のコア層のガラス組成
をAl2O3−P2O5−Er−SiO2、第２のコア層のガラス組成
をGeO2−P2O5−SiO2、クラッド層のガラス組成をＦ−Si
O2、ジャケット層のガラス組成をSiO2（純粋石英）、Δ
n2＝2.5％、Δn1＝1.0％、Δn3＝0.6％の光ファイバを
作製した。作製方法は、実施例１とほぼ同様である。こ
こに、Δｎ＝Δn2＋Δn3＝3.1％であった。また、r1/r2
＝0.32、λｃ＝0.88μｍ、コア径＝1.85μｍであった。
損失は波長1.2μｍで3.1dB/kgであった。Example 2 In the structural diagram of FIG. 1, the glass composition of the first core layer was Al 2 O 3 —P 2 O 5 —Er—SiO 2 , and the glass composition of the second core layer was GeO 2 —P 2 O 5 -SiO 2 , the glass composition of the cladding layer is F-Si
O 2 , the glass composition of the jacket layer is SiO 2 (pure quartz), Δ
Optical fibers having n2 = 2.5%, Δn1 = 1.0%, and Δn3 = 0.6% were produced. The manufacturing method is almost the same as that of the first embodiment. Here, Δn = Δn2 + Δn3 = 3.1%. Also, r1 / r2
= 0.32, λc = 0.88 μm, core diameter = 1.85 μm.
The loss was 3.1 dB / kg at a wavelength of 1.2 μm.

上記第１のコアガラスのAl2O3添加量は2.6mol％、P2O
5は2.2mol％であり、Erの濃度は55ppmであった。なお、
ここにAl2O3の添加量を4.3mol％以上（比屈折率差で0.5
％以上）にすると、ガラス化時に一部結晶が現われ安定
なガラスは得られなかった。The amount of Al 2 O 3 added in the first core glass is 2.6 mol%, and the amount of P 2 O
5 was 2.2 mol%, and the concentration of Er was 55 ppm. In addition,
Here, the addition amount of Al 2 O 3 is set to 4.3 mol% or more (0.5% in relative refractive index difference).
% Or more), some crystals appeared during vitrification and a stable glass could not be obtained.

上記光ファイバを、第７図に示す光ファイバ増幅系を
構成し、光増幅実験を行なった。第７図において、16は
ファイバ延伸形のWPM（0.98μm/1.537μｍ）光ファイバ
カップラ、17,17′17″は10゜に斜め研磨されたジルコ
ニア製ファイバフェルール、８′は0.98μｍ帯用偏波ビ
ームスプリッタである。Erファイバの長さは全長77mで
あった。これを動作するには、第１の実施例と同様に、
まず信号光５（λｓ＝1.537μｍ）をカップラ16を介し
てErファイバ13に入射する。ここに、信号光の端子10′
での出力レベルは、−56dBmであった。An optical amplification experiment was conducted using the above optical fiber to constitute an optical fiber amplification system shown in FIG. In FIG. 7, 16 is a fiber-stretched WPM (0.98 μm / 1.537 μm) optical fiber coupler, 17, 17′17 ″ is a zirconia fiber ferrule obliquely polished to 10 °, and 8 ′ is a 0.98 μm band polarized light ferrule. The Er fiber had a total length of 77 m and was operated in the same manner as in the first embodiment.
First, the signal light 5 (λs = 1.537 μm) enters the Er fiber 13 via the coupler 16. Here, the signal light terminal 10 '
The output level at was -56 dBm.

次いで、励起光源6,6′（λｐ＝0.98μｍ）を点灯
し、同様にカップラ16に結合させる。ここに、端子17か
ら端子10′への波長1.537μｍの光の結合率は97％、端
子17から17′への波長0.98μｍの光の結合率は２％（1
7′→10′は98％）であった。また、カップラの光損失
は、0.98μｍで0.2dB、1.537μｍで、0.25dBであった。
また、励起光源である波長0.98μmLDのコネクタ10′で
の出力量は、11mWであった。これら合波された光は、コ
ネクタ10,10′を介してEr添加光ファイバ13に結合され
た。増幅された信号は、光ファイバ11′を介して、光ス
ペクトラムアナライザ15および光パワーメータ18に導か
れ、増幅度が測定された。Next, the excitation light source 6, 6 '(λp = 0.98 μm) is turned on, and is similarly coupled to the coupler 16. Here, the coupling ratio of light having a wavelength of 1.537 μm from the terminal 17 to the terminal 10 ′ is 97%, and the coupling ratio of light having a wavelength of 0.98 μm from the terminals 17 to 17 ′ is 2% (1%
7 '→ 10' is 98%). The optical loss of the coupler was 0.2 dB at 0.98 μm and 0.25 dB at 1.537 μm.
The output from the connector 10 'having a wavelength of 0.98 [mu] m LD, which is an excitation light source, was 11 mW. These multiplexed lights were coupled to the Er-doped optical fiber 13 via the connectors 10 and 10 '. The amplified signal was guided to the optical spectrum analyzer 15 and the optical power meter 18 via the optical fiber 11 ', and the degree of amplification was measured.

この結果、ネットの増幅度は励起光量11mWで46dBが得
られた。As a result, a net amplification of 46 dB was obtained at an excitation light amount of 11 mW.

（比較例３） 上記実施例の比較例として、Δｎ＝3.1％、コア径1.8
2μｍのEr添加光ファイバを作製した。Erはコア全体に
添加されている。コアのガラス組成は、GeO2−P2O5−Si
O2、クラッドガラスの組成は、Ｆ−SiO2である。Comparative Example 3 As a comparative example of the above example, Δn = 3.1%, core diameter 1.8
A 2 μm Er-doped optical fiber was manufactured. Er is added to the entire core. The glass composition of the core is GeO 2 -P 2 O 5 -Si
The composition of O 2 and the cladding glass is F—SiO 2 .

得られた光ファイバのコア径は1.85μｍ、Er濃度900p
pm、λｃ＝0.85μｍであった。また、損失（波長1.2μ
ｍ）は、120dB/kmで、実施例２に比較して極めて大きな
値を示した。The core diameter of the obtained optical fiber is 1.85μm, Er concentration 900p
pm and λc = 0.85 μm. The loss (wavelength 1.2μ)
m) was 120 dB / km, which was an extremely large value as compared with Example 2.

また、得られた最大増幅度（励起波長0.98μｍ、励起
光量11mW）は、22dBにとどまった。Further, the obtained maximum amplification degree (excitation wavelength: 0.98 μm, excitation light amount: 11 mW) was only 22 dB.

このように、実施例２に比較して増幅特徴が劣るの
は、本比較例ではコアの中心領域で、高濃度のGeO2とEr
3+のために散乱損失が著しく増加していること、および
Erの添加濃度が高すぎた結果クラスターが発生し、増幅
効率が劣化したためと結論できる。本発明者らの一連の
検討の結果、Er濃度が150ppm以下の石英ガラスでは、ク
ラスターの影響がほとんど現われないことが判明してい
る。一方、Er濃度が1ppm以下では、増幅に必要なファイ
バ長が数kmにも及ぶため、実用上不適切であり、機能性
光ファイバのEr添加濃度としては１≦Er濃度≦150ppmが
適切な値であった。As described above, the amplification characteristic is inferior to that of Example 2 in this comparative example in the central region of the core where high concentration of GeO 2 and Er
The scattering loss has increased significantly due to 3+ , and
It can be concluded that clusters were generated as a result of the excessively high concentration of Er, and the amplification efficiency was degraded. As a result of a series of studies by the present inventors, it has been found that cluster effects hardly appear in quartz glass having an Er concentration of 150 ppm or less. On the other hand, if the Er concentration is 1 ppm or less, the fiber length required for amplification reaches several kilometers, which is impractical in practice, and the Er concentration of the functional optical fiber is 1 ≦ Er concentration ≦ 150 ppm, which is an appropriate value. Met.

以上の実施例では、機能性光ファイバの応用例として
光ファイバ増幅器を取り上げ、本発明の有用性を説明し
たが、他の応用例、例えば光ファイバレーザなどに応用
できることは言うまでもない。また、他の希土類元素、
例えばNd、Tm、Ho、Yb等およびTi、Ni、Cr等の遷移金属
元素にも適用可能であることを付記する。In the above embodiments, the usefulness of the present invention has been described by taking the optical fiber amplifier as an application example of the functional optical fiber. However, it is needless to say that the present invention can be applied to other application examples such as an optical fiber laser. Also, other rare earth elements,
For example, it is noted that the present invention is also applicable to transition metal elements such as Nd, Tm, Ho, Yb and the like, and Ti, Ni, Cr and the like.

なお、第２のコア層のドープ量を比屈折率差に換算し
て3.5％以上にした場合、光ファイバ母材に応力による
割れが生じ、ファイバ化が困難となり、本発明の適用領
域として不適切な領域であることが判明した。If the doping amount of the second core layer is set to 3.5% or more in terms of the relative refractive index difference, cracks occur in the optical fiber preform due to stress, making it difficult to convert the optical fiber into a fiber. It turned out to be a suitable area.

さらに、クラッドガラスにＦ−SiO2系ガラスを用いる
利点については、同一のNAの光ファイバを得るに際し、
第２のコア層のドープ量を減少させることができるた
め、光ファイバの損失を低減できる効果がある。例え
ば、GeO2を第２のコア層のドーパントとした場合、６〜
7mol％GeO2の添加量を減少させる（すなわち、Ｆ−SiO2
の石英に対する比屈折率差−0.6〜−0.7％に相当する
分）ことができる。Further, regarding the advantage of using F-SiO 2 glass as the clad glass, when obtaining an optical fiber having the same NA,
Since the doping amount of the second core layer can be reduced, there is an effect that the loss of the optical fiber can be reduced. For example, when GeO 2 is used as a dopant for the second core layer, 6 to
The addition amount of 7 mol% GeO 2 is reduced (that is, F-SiO 2
(Corresponding to a relative refractive index difference of -0.6 to -0.7% with respect to quartz).

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の機能性光導波媒体（フ
ァイバ）によれば、単一モード光ファイバのコア部の構
造を、伝搬光エネルギー密度の最も高いコア中心部の第
１のコアと、これを取り囲む第２のコアとからなるよう
に構成し、第１のコア層のドーパント（屈折率調整用ド
ーパントGeO2、P2O5、Al2O3など、レーザ活性物質ドー
パントEr、Nd、Tiなど）の濃度（比屈折率差）を低く抑
えることにより散乱損失を低減すると共にレーザ活性物
質の効果を高め、さらに相対的に伝搬光エネルギー密度
の小さな第２のコア層のドープ量を高めることによりフ
ァイバのNAを大きくすると同時に、第２のコア層にはレ
ーザ活性物質を添加しない構造としているため、高NAで
ありながら高ファイバの低損失を保ちつつ極めて高い光
エネルギー密度が得られるばかりでなく、光エネルギー
密度が最も高くなる低損失のコア中心部においてのみレ
ーザ活性作用を行なわせることができるため、極めて高
効率の機能性導波媒体を提供できる利点がある。(Effect of the Invention) As described above, according to the functional optical waveguide medium (fiber) of the present invention, the structure of the core portion of the single mode optical fiber is changed to the first core portion having the highest propagation light energy density. 1 core and a second core surrounding the first core layer. The first core layer includes a dopant (a laser active material such as a refractive index adjusting dopant GeO 2 , P 2 O 5 , or Al 2 O 3). The concentration of the dopants (Er, Nd, Ti, etc.) (relative refractive index difference) is reduced to reduce the scattering loss and enhance the effect of the laser active material. In addition to increasing the NA of the fiber by increasing the doping amount, the second core layer has a structure in which a laser active substance is not added. Not only high density, but also laser activation can be performed only in the central part of the low-loss core where the light energy density is the highest, so that there is an advantage that a highly efficient functional waveguide medium can be provided. .

特に、本発明を光ファイバ増幅器に適用すれば、高性
能・高増倍率の光増幅器を提供できる利点がある。In particular, when the present invention is applied to an optical fiber amplifier, there is an advantage that an optical amplifier with high performance and high multiplication factor can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図は本発明の機能性光導波媒体の構造図、第２図は
単一モード光ファイバの散乱損失とGeO2ドープ量（比屈
折率差）との関係図、第３図は従来の機能性光ファイバ
の屈折率分布とその動作原理図、第４図はEr添加光ファ
イバのEr添加濃度と過剰損失の関係図、第５図は本発明
の光ファイバの構造例、第６図は本発明の光導波媒体を
応用した1.485μｍ励起光ファイバ増幅器の実験系、第
７図は本発明の光導波媒体を応用した0.98μｍ励起光フ
ァイバ増幅器の実験系である。 １……第一のコア層 ２……第二のコア層 ３……クラッド層 ４……ジャケット ａ……コアの屈折率分布 ｂ……コア内の光エネルギ密度 ｑ……SiO2の屈折率 ５……信号光源 ６、６′……励起光源 ７′、７″、７、７……集光レンズ ８……偏波ビームスプリッタ ９……ダイクロイックミラー 10、10′……光コネクタ 11、11′、11″、11……単一モード光ファイバコード 12、12′……偏波無依存光アイソレータ 13……Er添加単一モード光ファイバ 14……フィルタ 15……スペクトラムアナライザ 16……WPM 17、17′、17″……光ファイバフェルール 18……光パワーメータ。FIG. 1 is a structural diagram of a functional optical waveguide medium of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the scattering loss of a single mode optical fiber and the amount of doped GeO 2 (differential refractive index difference), and FIG. FIG. 4 is a diagram of the refractive index distribution of the functional optical fiber and its operating principle, FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the Er-doped concentration of the Er-doped optical fiber and excess loss, FIG. 5 is a structural example of the optical fiber of the present invention, and FIG. FIG. 7 shows an experimental system of a 1.485 μm pumped optical fiber amplifier to which the optical waveguide medium of the present invention is applied, and FIG. 7 is an experimental system of a 0.98 μm pumped optical fiber amplifier to which the optical waveguide medium of the present invention is applied. 1 ...... refractive index of the optical energy density q ...... SiO 2 of the first core layer 2 ...... the second core layer 3 ...... cladding layer 4 ...... internal refractive index distribution b ...... core jacket a ...... core 5 Signal light source 6, 6 'Excitation light source 7', 7 ", 7, 7 ... Condensing lens 8 ... Polarization beam splitter 9 ... Dichroic mirror 10, 10 '... Optical connector 11, 11 ′, 11 ″, 11… Single mode optical fiber code 12, 12 ′… Polarization independent optical isolator 13… Er-doped single mode optical fiber 14… Filter 15… Spectrum analyzer 16… WPM 17 , 17 ', 17 "... Optical fiber ferrule 18 ... Optical power meter.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】レーザ遷移を有する希土類元素または遷移
金属をコア部に添加してなると共に、このコア外周に形
成されて当該コアよりも低屈折率のクラッドを備える石
英系機能性光導波媒体であって、上記コアが互いに同心
円状に配置され、当該コアの中心部に位置する第１のコ
アと、この外周に形成された第２のコアとからなる二重
構造を成し、前記第１のコアの純粋石英に対する比屈折
率差 Δn1が ０≦ΔN1≦0.5％ の範囲にあり、前記第２のコアの純粋石英に対する比屈
折率差Δn2が 0.7≦ΔN2≦3.5％ の範囲にあって、前記希土類元素または遷移金属は、前
記第１のコア部にのみ添加されてなることを特徴とする
機能性光導波媒体。1. A quartz-based functional optical waveguide medium which is formed by adding a rare earth element or a transition metal having a laser transition to a core portion and having a cladding having a lower refractive index than the core formed around the core. The cores are arranged concentrically with each other, and form a double structure including a first core located at the center of the core and a second core formed on the outer periphery of the first core. The relative refractive index difference Δn1 of the second core with respect to pure quartz is in the range of 0 ≦ ΔN1 ≦ 0.5%, and the relative refractive index difference Δn2 of the second core with respect to pure quartz is in the range of 0.7 ≦ ΔN2 ≦ 3.5%, The functional optical waveguide medium, wherein the rare earth element or the transition metal is added only to the first core part. 【請求項２】前記第１のコア部に添加された希土類元素
又は遷移元素の添加濃度Ｎが １≦Ｎ≦150ppm の範囲にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の機能性光導波媒体。2. The functional material according to claim 1, wherein the concentration N of the rare earth element or the transition element added to the first core portion is in the range of 1 ≦ N ≦ 150 ppm. Optical waveguide medium.
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