JP2857218B2 - Fiber laser medium and optical amplifier using the same - Google Patents
Fiber laser medium and optical amplifier using the sameInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、光ファイバ形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
るものである。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a fiber laser medium used as an optical fiber type light emitting device and an optical amplifier using the same.
（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することができ、電
磁誘導雑音対策が不要であり、高密度な情報を速く伝搬
できる等の利点があるので、徐々に他の通信システムに
代わりつつある。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
びに発光素子、受光素子、光増幅器等の光素子の開発が
盛んに進められている。特に最近のErドープファイバ光
増幅器の使用による伝送距離の飛躍的な拡大は、光通信
システムの発展に大いに貢献した。Erドープファイバ光
増幅器は、イン−ライン形の増幅器であり、偏波依存性
が無く、高利得が得られ、低雑音であり、温度変動によ
る利得変化がほとんど無く、また光ファイバとの結合損
失が小さい等、多くの長所を有している。今日の光通信
システムで用いられる1.3μｍ帯および1.55μｍ帯のう
ち、1.55μｍ帯の増幅器としての利用に限られるという
短所も有している。これはドープされた元素固有の発光
を用いるからで、Erには1.3μｍの発光は無いからであ
る。一方、1.3μｍ帯の光ファイバ形光増幅器には、Nd
の1.3μｍの許容発光遷移を利用したものが考えられて
おり、石英ガラス、リン酸ガラス、ボロン酸ガラス、フ
ッ化物ガラスにNdをドープしたものも作られている。し
かしながら、レーザ遷移の確率よりも、励起状態の電子
をさらに励起させるための吸収（励起吸収という）の確
率の方が大きいので、石英ガラスでは全く1.3μｍ帯の
増幅が期待できない。他のガラスの中でもフッ化物ガラ
スは、最も励起吸収の影響が小さく、1.3μｍ帯の増幅
が得られるが、非常に効率が悪かった。従って、フッ化
物ガラスで効率よく発光が得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の実現が要望されている。(Prior Art) In recent years, progress in optical communication systems using optical fibers has been remarkable. Optical communication systems have advantages such as a longer relay distance than other communication systems, no need for measures against electromagnetic induction noise, and the ability to quickly transmit high-density information. It is replacing the system. In the development of optical fibers used in such optical communications, in order to reduce light transmission loss, the development of core and cladding materials for optical fibers and the development of optical devices such as light emitting devices, light receiving devices, and optical amplifiers Is being actively promoted. In particular, the dramatic increase in transmission distance due to the recent use of Er-doped fiber optical amplifiers has greatly contributed to the development of optical communication systems. An Er-doped fiber optical amplifier is an in-line type amplifier, has no polarization dependence, has high gain, has low noise, has almost no gain change due to temperature fluctuation, and has a coupling loss with an optical fiber. Has many advantages, such as small size. Among the 1.3 μm band and the 1.55 μm band used in today's optical communication systems, there is also a disadvantage that the use as an amplifier in the 1.55 μm band is limited. This is because the intrinsic light emission of the doped element is used, and there is no light emission of 1.3 μm in Er. On the other hand, a 1.3 μm band optical fiber type optical amplifier has Nd
The use of the 1.3 μm allowable emission transition is considered, and quartz glass, phosphate glass, boronate glass, and fluoride glass doped with Nd have also been made. However, since the probability of absorption for exciting electrons in an excited state (referred to as excitation absorption) is larger than the probability of laser transition, amplification of 1.3 μm band cannot be expected with quartz glass at all. Among other glasses, fluoride glass has the smallest effect of excitation absorption and can obtain amplification in the 1.3 μm band, but has very low efficiency. Accordingly, there is a demand for a fiber laser medium capable of efficiently emitting light with fluoride glass and an optical amplifier using the same.
（発明が解決しようとする課題） 本発明は、レーザ光の発振波長が1.3μｍ帯であり、
しかも光通信用赤外光用ファイバと低結合損失で接続可
能な光ファイバ形状を有するファイバレーザ媒質および
これを用いた光増幅器を提供することにある。(Problems to be Solved by the Invention) According to the present invention, the oscillation wavelength of the laser light is in the 1.3 μm band,
In addition, it is an object of the present invention to provide a fiber laser medium having an optical fiber shape connectable to an optical fiber for optical communication with low coupling loss and an optical amplifier using the same.
（課題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して、鋭意
検討、研究を重ねた結果、NdをNd3+として、またEuをEu
3+として同時に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、現行の1.3μｍ光通信システム
に用いられている石英ガラスファイバ等の光ファイバに
高効率に発振、伝搬でき、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い出した。
すなわち本発明によると、コア部がNdとEuとを同時に含
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を提供できる。(Means for Solving the Problems) The present inventors have made intensive studies and studies to solve the above problems, and as a result, as a result, Nd is set to Nd 3+ and Eu is set to Eu.
When a fluoride glass fiber simultaneously contained as 3+ is used as a laser medium, it can oscillate and propagate with high efficiency to an optical fiber such as a silica glass fiber used in the current 1.3 μm optical communication system, and furthermore, the optical fiber can communicate with the optical fiber. It has been found that the connection is easy and that it can be used as an optical amplifier.
That is, according to the present invention, it is possible to provide a fluoride glass fiber laser medium characterized in that the core portion simultaneously contains Nd and Eu to obtain oscillation light having an infrared wavelength.
また本発明者らは、Eu3+を共ドープすることにより、
Nd3+の4I13/2準位から、それと同程度のエネルギー準位
にあるEu3+の7F5準位へのエネルギー移行が起こり、Nd
3+の4I13/2準位の寿命が短くなり、結果的に励起吸収よ
り1.3μｍの発振に関与する4F3/2→4I13/2遷移確率の方
が大きくなりることを見い出した。これにより高効率で
1.3μｍ帯の光を得ることが可能となる。Also, the present inventors, by co-doping Eu 3+ ,
The energy transfer from the 4 I 13/2 level of Nd 3+ to the 7 F 5 level of Eu 3+ at the same energy level occurs, and Nd
The lifetime of the 3+ 4 I 13/2 level is shortened, and consequently the 4 F 3/2 → 4 I 13/2 transition probability involved in 1.3 μm oscillation is larger than the excitation absorption. I found it. This allows for high efficiency
1.3 μm band light can be obtained.
（実施例） 以下図面により本発明の実施例を詳細に説明するが、
本発明はこれになんら限定されるものではない。(Example) Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The present invention is not limited to this.
第１図に本発明の光増幅器の一実施例の構成を示す。 FIG. 1 shows the configuration of an embodiment of the optical amplifier of the present invention.
図示の装置は、光信号であるレーザ光２を伝送する光
ファイバ３と、レーザ媒質１を励起する励起光４を伝送
するための光ファイバ５と、これらの光ファイバ３と光
ファイバ５を結合する合波器６と、合波器６の末端に当
接した本発明のファイバレーザ媒体１とを備えるもので
ある。本発明の実施例では合波器６として、0.8μm/1.3
μｍの波長分割多重型の光カップラが好適である。また
光信号であるレーザ光２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４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、励起光４を光
ファイバ５を通して合波器６に入力し、レーザ媒質１が
発振するように励起光４の出力を増加する。この励起光
４を、レーザ媒質１が発振し始める強度（しきい値）の
約95％にしておき、光信号であるレーザ光２を光ファイ
バ３を通して合波器６に入力する。合波器（カップラ）
６の波長依存性により、光信号であるレーザ光２は、レ
ーザ媒質１の連結されている出力端に出射する。このよ
うな操作により、レーザ媒質１から増幅された光信号を
取り出すことができる。The illustrated device includes an optical fiber 3 for transmitting a laser beam 2 as an optical signal, an optical fiber 5 for transmitting an excitation light 4 for exciting the laser medium 1, and a connection between the optical fiber 3 and the optical fiber 5. And a fiber laser medium 1 of the present invention in contact with the end of the multiplexer 6. In the embodiment of the present invention, 0.8 μm / 1.3
A μm wavelength division multiplexing type optical coupler is suitable. The laser light 2 as an optical signal is a laser light having the same wavelength as the laser light oscillated by the fiber laser medium 1 of the present invention. The excitation light 4 is a light source for exciting the fluoride glass laser medium 1 of the present invention. In order to amplify an optical signal using such an optical amplifier, first, the pumping light 4 is input to the multiplexer 6 through the optical fiber 5, and the output of the pumping light 4 is increased so that the laser medium 1 oscillates. I do. The excitation light 4 is set to about 95% of the intensity (threshold) at which the laser medium 1 starts oscillating, and the laser light 2 as an optical signal is input to the multiplexer 6 through the optical fiber 3. Coupler (coupler)
Due to the wavelength dependence of 6, the laser light 2 as an optical signal is emitted to the output end of the laser medium 1 to which the laser medium 1 is connected. By such an operation, an amplified optical signal can be extracted from the laser medium 1.
Nd3+にEu3+を含有させた本発明においては、Nd3+のみ
ドープしている場合と比較して1.3μｍ帯を蛍光強度が
高くなるので、大きい利得が得られる。その理由として
ファイバレーザ媒質に含有するNdとEuは、ファイバ中に
おいてそれぞれNd3+,Eu3+の形で存在し、Nd3+の４準位
系の電子励起準位間の遷移を促進するために、Nd3+のレ
ーザ終準位から、それと同程度のEu3+のエネルギー準位
へのエネルギー移行を利用して赤外線レーザ発振を効率
よく実現させているからである。すなわち第２図に示す
ように、適当な波長（エネルギー）の光源（本発明では
0.79μｍ程度の波長の高出力半導体レーザが望ましい）
により、Nd3+中の電子が高エネルギー状態に励起され、
格子振動を伴うエネルギー緩和による非放射過程によ
り、基底状態から11500cm-1高いエネルギー状態にある
レーザ始準位（4F3/2）へ緩和する。1.3μｍ帯光通信シ
ステムへの適用を考えた本発明においては、始準位か
ら、基底状態より約4000cm-1高いエネルギー状態のレー
ザ終準位（4I13/2）への1.3μｍ誘導放射に基づきレー
ザ発振をさせるものである。しかしながら、始準位を同
じくし、終準位が4I13/2より1500〜2000cm-1低い状態の
4I11/2への遷移（発光波長1.06μｍ）の方が、誘導放出
断面積が大きいので、競合する1.3μｍの発振は効率よ
く行われなかった。In the present invention containing Eu 3+ to Nd 3+, since fluorescence intensity 1.3μm band as compared with the case where doped only Nd 3+ is higher, greater gain is obtained. The reason is that Nd and Eu contained in the fiber laser medium exist in the fiber in the form of Nd 3+ and Eu 3+ , respectively, and promote the transition between the electronically excited levels of the four-level Nd 3+ system. For this reason, infrared laser oscillation is efficiently realized by utilizing the energy transfer from the laser end level of Nd 3+ to the energy level of Eu 3+ comparable thereto. That is, as shown in FIG. 2, a light source having an appropriate wavelength (energy) (in the present invention,
A high-power semiconductor laser with a wavelength of about 0.79 μm is desirable.)
By this, the electrons in Nd 3+ are excited to a high energy state,
The nonradiative process by energy relaxation with lattice vibrations, to relieve from the ground state to 11500cm laser start level is -1 higher energy state (4 F 3/2). In the present invention, which is considered to be applied to a 1.3 μm band optical communication system, 1.3 μm stimulated emission from a starting level to a laser final level ( 4 I 13/2 ) having an energy state higher than the ground state by about 4000 cm −1. Laser oscillation based on the However, in the same state, the end level is 1500-2000 cm -1 lower than 4 I 13/2
The transition to 4 I 11/2 (emission wavelength: 1.06 μm) has a larger stimulated emission cross-section, so that competing 1.3 μm oscillation was not performed efficiently.
本発明者らは、上記問題点に対して鋭意検討を重ねた
結果、Eu3+を共ドープすることにより、Nd3+の4I13/2準
位から、それと同程度のエネルギー準位にあるEu3+の7F
5、および7F4準位へのエネルギー移行が起こり、Nd3+の
4I13/2準位の寿命が短くなり、結果的に励起吸収より1.
3μｍの発振に関与する4F3/2→4I13/2遷移確率が大きく
なることを見い出した。これにより高効率で1.3μｍ帯
の光を得ることが可能となる。The present inventors have conducted intensive studies on the above problem, and as a result, by co-doping with Eu 3+ , the energy level of Nd 3+ was reduced from the 4 I 13/2 level to a similar energy level. Eu 3+ 7 F
Energy transfer to the 5 , and 7 F 4 levels occurs, and Nd 3+
The lifetime of the 4 I 13/2 level is shortened, resulting in 1.
It has been found that the transition probability of 4 F 3/2 → 4 I 13/2 involved in 3 μm oscillation increases. This makes it possible to obtain 1.3 μm band light with high efficiency.
本発明において、ファイバレーザ媒質としては、ZrF4
−BaF2−LaF3−AlF3系のフッ化物ガラスの材料を主成分
とする光ファイバが使用される。光ファイバの材料が石
英ガラスなどの材料を主成分とする場合においては、Nd
3+,Eu3+を含有させても、励起吸収の方が、レーザ遷移
に比べて支配的になるから好ましくない。In the present invention, ZrF 4
Optical fiber mainly composed of -BaF 2 -LaF 3 -AlF 3 based material fluoride glass is used. When the material of the optical fiber is mainly composed of a material such as quartz glass, Nd
Even if 3+ and Eu 3+ are contained, it is not preferable because excitation absorption becomes more dominant than laser transition.
本発明による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ZrF4−BaF2−LaF3−AlF3系のフ
ッ化物ガラスを主成分とする場合には、ZrF4＝50〜58mo
l％,BaF2＝33〜36mol％,LaF3＝３〜6mol％,AlF3＝２〜5
mol％であり、NdF3とEuF3とがともに1mol％以下であ
る。さらにこのフッ化物ファイバのコア径が5.5〜7.5μ
ｍ、クラッド径が125μｍであり、カットオフ波長が0.7
8〜0.80μｍであるようなシングルモードファイバが好
適である。When Preferred compositions of the fiber laser medium according to the present invention, mainly the ZrF 4 -BaF 2 -LaF 3 -AlF 3 based fluoride glass in fiber, ZrF 4 = 50~58mo
1%, BaF 2 = 33-36 mol%, LaF 3 = 3-6 mol%, AlF 3 = 2-5
mol%, and both NdF 3 and EuF 3 are 1 mol% or less. Furthermore, the core diameter of this fluoride fiber is 5.5 to 7.5μ.
m, cladding diameter is 125μm, cutoff wavelength is 0.7
A single mode fiber having a thickness of 8 to 0.80 μm is preferred.
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Ｌに、鋭利な刃物で切断し、この両断面に反射率が
90％程度になるようにAg,Au,Al等を蒸着し、その一方の
蒸着量を制御してハーフミラーとし、レーザ出力部を構
成する。このようなファイバを固定し、長さ方向に励起
光を照射してレーザ発振させることができる。励起光と
しては高出力AlGaAs半導体レーザ等が用いられる。As an oscillation method of the fiber laser using the infrared fiber laser medium of the present invention, a fiber laser medium is sharpened to a predetermined length L such that a laser oscillation wavelength λ satisfies L = (λ / 2) n. Cut with a blade, the reflectance on both sides
Ag, Au, Al, etc. are vapor-deposited so as to be about 90%, and the amount of one of the vapors is controlled to form a half mirror, thereby constituting a laser output section. By fixing such a fiber, laser light can be emitted by irradiating excitation light in the length direction. A high-power AlGaAs semiconductor laser or the like is used as the excitation light.
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場合に
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ればよい。この際、光
信号は反転分布が生じているレーザ媒質中を誘導放出を
伴いながら通過するので、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。The fiber laser medium described above can be used as an optical amplifier. When used as an optical amplifier, the intensity of the excitation light to be irradiated is set to 95 to
In this case, the optical signal having the same wavelength as the oscillation wavelength of the laser medium may be incident on the laser medium. At this time, since the optical signal passes through the laser medium having the population inversion with induced emission, a laser beam having the same wavelength and phase as the optical signal is generated. Therefore, an amplified signal can be extracted from the laser medium.
（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
有する光ファ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。(Effect of the Invention) As described above, the fiber laser medium of the present invention is a light emitting element for an optical fiber having an oscillation wavelength characteristic for reducing the transmission loss of the optical fiber, and is easily connected to the optical fiber. .
また本発明のファイバレーザ媒質は、1.3μｍ帯光通
信システム中での光ファイバの中継点で連結して光増幅
器としても利用することができるので、将来の光ファイ
バシステムとして有用なものである。Further, the fiber laser medium of the present invention can be used as an optical amplifier by being connected at a relay point of an optical fiber in a 1.3 μm band optical communication system, so that it is useful as a future optical fiber system.
第１図は本発明の光増幅器の一実施例の構成を示す概略
図、 第２図はLaF3結晶中におけるNd3+およびEu3+のエネルギ
ー準位を示す図である。 １……レーザ媒質、２……光信号（レーザ光） ３……光ファイバ、４……励起光 ５……光ファイバ、６……合波器（カップラ）FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of an embodiment of the optical amplifier of the present invention, and FIG. 2 is a diagram showing the energy levels of Nd 3+ and Eu 3+ in a LaF 3 crystal. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser medium, 2 ... Optical signal (laser light) 3 ... Optical fiber, 4 ... Excitation light 5 ... Optical fiber, 6 ... Coupler
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/17 H01S 3/07 H01S 3/10 G02F 1/35 501 G02B 6/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＣＡＰＬＵＳ（ＳＴＮ)────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01S 3/17 H01S 3/07 H01S 3/10 G02F 1/35 501 G02B 6/00 JICST file (JOIS) CAPPLUS (STN)
Claims (2)
ーロビウム）をともに含有し、赤外波長の発振光を得る
ことが可能なフッ化物ガラスファイバレーザ媒質におい
て、該ファイバレーザ媒質の組成がZrF4＝50〜58mol％,
BaF2＝33〜36mol％,LaF3＝３〜6mol％,AlF3＝２〜5mol
％であり、NdF3とEuF3とがともに1mol％以下であり、こ
のフッ化物ファイバのコア径が5.5〜7.5μｍ、クラッド
径が125μｍであり、かつカットオフ波長が0.8μｍ程度
であることを特徴とするファイバレーザ媒質。1. A fluoride glass fiber laser medium having a core portion containing both Nd (neodymium) and Eu (eurobium) and capable of obtaining oscillation light of an infrared wavelength, wherein the composition of the fiber laser medium is ZrF. 4 = 50-58 mol%,
BaF 2 = 33~36mol%, LaF 3 = 3~6mol%, AlF 3 = 2~5mol
%, Both NdF 3 and EuF 3 are 1 mol% or less, the core diameter of the fluoride fiber is 5.5 to 7.5 μm, the cladding diameter is 125 μm, and the cutoff wavelength is about 0.8 μm. Characterized fiber laser medium.
る手段と該光信号および励起光を伝搬する手段に接続す
る光学的合波器と、該光学的合波器の出力部に光増幅作
用を有する光ファイバを接続して構成される光増幅器に
おいて、励起光として波長0.78〜0.80μｍの半導体レー
ザを用いるととも、該光ファイバは赤外波長の光を効率
よく増幅する光増幅媒体であり、この光ファイバの組成
が請求項１に記載のファイバレーザ媒質の組成と同じで
あることを特徴とする光増幅器。Means for transmitting an optical signal, means for transmitting pumping light, an optical multiplexer connected to the means for transmitting the optical signal and the pumping light, and an output of the optical multiplexer. In an optical amplifier configured by connecting optical fibers having an optical amplification function, a semiconductor laser having a wavelength of 0.78 to 0.80 μm is used as pumping light, and the optical fiber efficiently amplifies infrared wavelength light. An optical amplifier, which is a medium, wherein the composition of the optical fiber is the same as the composition of the fiber laser medium according to claim 1.
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