JP2931694B2 - 光機能性ガラス - Google Patents

光機能性ガラス

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JP2931694B2
JP2931694B2 JP3134148A JP13414891A JP2931694B2 JP 2931694 B2 JP2931694 B2 JP 2931694B2 JP 3134148 A JP3134148 A JP 3134148A JP 13414891 A JP13414891 A JP 13414891A JP 2931694 B2 JP2931694 B2 JP 2931694B2
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弘雄 金森
正志 大西
隆司 向後
浩二 中里
義昭 宮島
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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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
等に使用される光機能性ガラス、光ファイバ、導波路素
子、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、ファイバレーザ等の光機能性装置
への応用が考えられている。具体的には、波長1.3μ
m付近で光増幅を実現する活性物質としてプラセオジム
イオン(Pr3+)を添加した光ファイバについての報告
等がなされている(OFC'91Post Deadline Papers(PD 2-
1))。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、Pr3+を添加
した光ファイバでは、増幅効率が極めて悪いといった問
題や、必要とされる波長1.017μm付近の励起光源
として半導体レーザ等の簡易な励起光源を入手できない
といった問題があった。
【0004】そこで、上述の事情に鑑み、本発明は、半
導体レーザ等の簡易な励起光源を用いて発生可能な波長
0.7〜0.9μmの励起光により、波長1.3μm帯
での光増幅を可能にする、或いはその増幅効率を高める
光機能性ガラスを提供することを目的としている。
【0005】また、本発明は、上記光機能性ガラスを用
いた光ファイバ及び導波路素子を提供することを目的と
する。
【0006】また、本発明は、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。
【0007】また、本発明は、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。
【0008】
【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、Pr3+を活
性物質として含む光機能性ガラスであって、波長1.3
μm帯での光増幅を可能にする、或いはその増幅効率を
高めるガラスを見出した。
【0009】本発明に係る光機能性ガラスは、第1の希
土類イオンであるPr3+と、第2の希土類イオンである
Yb3+と、Pr3+及びYb3+を除く第3の希土類イオン
とを活性物質としてホストガラス(マトリックスガラ
ス)に共添加することとしている。第3の希土類イオン
としては、例えばネオジムイオン(Nd3+)、ツリウム
イオン(Tm3+)、ホロミウムイオン(Ho3+)、プロ
メティウムイオン(Pm3+)、エルビウムイオン(Er
3+)等の使用が可能である。また、ホストガラスとして
は、弗燐酸塩ガラス、燐酸塩ガラス、ケイ酸塩ガラス、
カルコゲナイドガラス、弗化物ガラス、石英ガラス等の
使用が可能である。
【0010】上記の光機能性ガラスによれば、Pr3+
びYb3+とともに、Nd3+、Tm3+、Ho3+、Pm3+
Er3+等の第3の希土類イオンをホストガラスに添加す
ることにより、波長0.9μm以下の励起光を用いてP
3+を励起できることと、この結果波長1.3μm帯で
の光増幅に適したガラスを得ることができることとが後
述のように判明した。
【0011】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。
【0012】図1はこの仮説を説明するためのエネルギ
ー準位図である。活性物質として第1〜第3の希土類イ
オンを共添加した光機能性ガラスに導入された波長約
0.9μm以下の励起光は、第2の希土類イオンである
Yb3+の2準位 27/2 25/2 間のエネルギー差よ
りもわずかに大きいエネルギーを持つ。したがって、Y
3+を直接励起することはできない。しかし、第3の希
土類イオンとして適当な希土類イオンXを選定すれば、
この希土類イオンXを励起して準位X1 から準位X2
の電子遷移を発生させることができる。これらの準位間
のエネルギー差がYb3+の2準位 27/2 25/2
のエネルギー差よりもいくらか大きくなっているので、
希土類イオンXの励起エネルギーはその近くに存在する
Yb3+へ伝達され、Yb3+を励起して準位 27/2 から
準位 25/2 への電子遷移を発生させる。さらに、これ
らの準位間のエネルギー差が第1の希土類イオンである
Pr3+の2準位 34 14 間のエネルギー差に近似
しているで、Yb3+の励起エネルギーはその近くに存在
するPr3+へ比較的高い確率で伝達されることとなる。
つまり、励起電子はエネルギー伝達によってみかけ上準
位X2 から準位 25/2 をへて準位 14 に遷移する。
この結果、Pr3+の遷移 14 35 に対応する波長
1.3μm帯の輻射が可能になる。
【0013】このような光機能性ガラスでは、比較的入
手容易な波長0.9μm以下の励起光源をもってPr3+
を励起することができると考えられる。さらに、Yb3+
を添加しないで希土類イオンXで直接にPr3+を励起し
た場合に比較して増幅率が向上することが期待される。
これは、希土類イオンXの準位X2 とPr3+の準位1
4 との間にYb3+の準位 25/2 を介在させることによ
り、エネルギー伝達の確率がより高まるものと考えられ
るからである。
【0014】図2は上記希土類イオンXの選定について
説明した図である。
【0015】第3の希土類イオンとして例えばNd3+
共添加した光機能性ガラスを用いた場合、この光機能性
ガラスに導入された波長約0.88μmの励起光は、N
3+を励起して準位 49/2 から準位4 5/2 への電子
遷移を発生させる。その後、格子緩和により4 3/2
位に遷移する。この励起電子は、エネルギー伝達によっ
てNd3+の準位 43/2 からYb3+の準位 25/2 をへ
てPr3+の準位 14 に遷移する。この結果、Pr3+
遷移 14 35 に対応する波長1.3μm帯の輻射
が可能になる。
【0016】また第3の希土類イオンとして例えばTm
3+を共添加した光機能性ガラスを用いた場合、この光機
能性ガラスに導入された波長約0.79μmの励起光
は、Tm3+を励起して準位 36 から準位 34 への電
子遷移を発生させる。この励起電子は、エネルギー伝達
によってTm3+の準位 34 からYb3+の準位 25/2
をへてPr3+の準位 14 に遷移する。この結果、Pr
3+の遷移 14 35 に対応する波長1.3μm帯の
輻射が可能になる。
【0017】さらに第3の希土類イオンとして例えばH
3+を共添加した光機能性ガラスを用いた場合、この光
機能性ガラスに導入された波長約0.889μmの励起
光は、Ho3+を励起して準位 58 から準位 55 への
電子遷移を発生させる。この励起電子は、エネルギー伝
達によってHo3+の準位 55 からYb3+の準位 2
5/2 をへてPr3+の準位 14 に遷移する。この結果、
Pr3+の遷移 14 35 に対応する波長1.3μm
帯の輻射が可能になる。
【0018】さらに第3の希土類イオンとして例えばP
3+を共添加した光機能性ガラスを用いた場合、この光
機能性ガラスに導入された波長0.7〜0.8μmの励
起光は、Pm3+を励起して準位 54 から種々の準位 3
K、 5Sへの電子遷移を発生させる。この励起電子は、
エネルギー伝達によってPm3+の準位 3K、 5SからY
3+の準位 25/2 をへてPr3+の準位 14 に遷移す
る。この結果、Pr3+の遷移 14 35 に対応する
波長1.3μm帯の輻射が可能になる。
【0019】さらに第3の希土類イオンとして例えばE
3+を共添加した光機能性ガラスを用いた場合、この光
機能性ガラスに導入された波長0.79μmの励起光
は、Er3+を励起して準位 415/2から準位 49/2
の電子遷移を発生させる。この励起電子は、エネルギー
伝達によってEr3+の準位 49/2 からYb3+の準位 2
5/2 をへてPr3+の準位 14 に遷移する。この結
果、Pr3+の遷移 14 35 に対応する波長1.3
μm帯の輻射が可能になる。
【0020】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、ホストガラス中に、Pr3+及びYb3+とともに、
Nd3+等の第3の希土類イオンを活性物質として共添加
することにより、波長0.7〜0.9μmの励起光源を
用いてPr3+の1.3μm帯での発光・光増幅を可能に
する有望なガラスが得られた。
【0021】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帯の光機能性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光機能性装置
への応用が可能になる。
【0022】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。さ
らに、石英系ガラスをPr3+等の活性物質のホストガラ
スとする場合、VAD法、MCVD法、OVD法等の製
法を利用することができる。
【0023】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。
【0024】本発明のファイバ増幅器は、波長1.3μ
m帯の信号光を伝搬する上記光ファイバと、Nd3+等の
第3の希土類イオンを励起するため波長0.9μm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光学手
段とを備える。
【0025】上記のファイバ増幅器においては、光学手
段によりファイバ内に導入された波長0.9μm以下の
励起光によって第3の希土類イオンが励起され、さらに
エネルギー伝達によってYb3+が励起される。これに応
じてPr3+も励起され、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帯での光増幅が可能になる。
【0026】本発明のファイバレーザは、上記光ファイ
バと、励起光源と、光学手段とを備える。ここに、励起
光源は波長0.9μm以下の励起光を発生し、光学手段
は励起光を励起光源から光ファイバ内に入射させる。さ
らに、本発明のファイバレーザには、光ファイバ内から
の波長1.3μm帯又はその近傍の光を光ファイバにフ
ィードバックする共振器構造が形成されている。
【0027】上記のファイバレーザにおいては、光学手
段によりファイバ内に導入された波長0.9μm以下の
励起光によって第3の希土類イオンが励起され、さらに
エネルギー伝達によってYb3+が励起される。これに応
じてPr3+も励起され、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帯でのレーザ発光が可能になる。
【0028】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
等を構成することもできる。
【0029】また、上記光ファイバ又は導波路素子と適
当な励起光源とを組み合わせれば、光スイッチ等、各種
の光能動装置の実現が可能になる。
【0030】
【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。
【0031】まず、ZrF4 −BaF2 −LaF3 −A
lF3 −NaF等の弗化物ガラスの原料を準備し、これ
らと共にPr3+とYb3+とNd3+等の第3の希土類イオ
ンとを適当な比率で混合・溶解し、光機能性ガラスを作
製した。
【0032】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Nd3+等の第3の希土類イオンのみ
ならず、Pr3+及びYb3+も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
引きした。この結果、コア直径5μmで外径125μm
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、測定のため適当な長さの光ファイバ試
料に切り出された。
【0033】図3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、Pr3+
びYb3+とともにNd3+、Tm3+、Ho3+等の希土類イ
オンを共添加したコア30aと、コアよりも相対的に屈
折率が低くPr3+、Yb3+、Tm3+、Ho3+等の活性物
質を添加していないクラッド30bとを備える。
【0034】図4は、光ファイバ30を用いた1.3μ
m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
するコアに希土類が添加されたファイバ30と、波長
0.7〜0.9μm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
入射させるカプラ33とを備える。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39a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に漬浸される。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。
【0035】図4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、励起光源32からの波長0.7〜0.9μ
m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、Nd3+、Tm3+、Ho3+等の活性
物質を励起し、これからエネルギー伝達を受けたYb3+
をも励起する。さらに励起されたYb3+は、エネルギー
伝達によってPr3+も励起する。この励起されたPr3+
は信号光に誘導されて、遷移 14 35 に対応する
波長1.3μm帯の放射光を発生する。励起光及び信号
光が所定の強度を超えると、信号光は増幅されることと
なる。
【0036】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。
【0037】(例1)光ファイバ30として、コア30
aにPr3+、Yb3+及びNd3+をそれぞれ500ppm
添加したシングルモードファイバを準備した。その比屈
折率差は1.0%とし、その長さは10mとした。信号
光源31としては、波長1.30μmのLDを用いた。
レーザ光源32としては、波長0.8μm、パワー50
mWのLDを用いた。波長1.30μmの信号光に対す
る利得は20dBであった。
【0038】(例2)光ファイバ30として、コア30
aにPr3+、Yb3+及びTm3+をそれぞれ500ppm
添加したシングルモードファイバを準備した。その比屈
折率差は1.0%とし、その長さは10mとした。信号
光源31としては(例1)と同様のものを使用した。レ
ーザ光源32としては、波長0.79μm、パワー50
mWのLDを用いた。波長1.30μmの信号光に対す
る利得は18dBであった。
【0039】(例3)光ファイバ30として、コア30
aにPr3+、Yb3+及びHo3+をそれぞれ500ppm
添加したシングルモードファイバを準備した。その比屈
折率差は1.0%とし、その長さは10mとした。信号
光源31としては(例1)と同様のものを使用した。レ
ーザ光源32としては、波長0.89μm、パワー50
mWのLDを用いた。波長1.30μmの信号光に対す
る利得は15dBであった。
【0040】(例4)光ファイバ30として、コア30
aにPr3+、Yb3+及びEr3+をそれぞれ500ppm
添加したシングルモードファイバを準備した。その比屈
折率差は1.0%とし、その長さは10mとした。信号
光源31としては(例1)と同様のものを使用した。レ
ーザ光源32としては、波長0.79μm、パワー50
mWのLDを用いた。波長1.30μmの信号光に対す
る利得は15dBであった。
【0041】以上の測定例から明らかなように、Pr3+
とYb3+とNd3+等の第3の希土類イオンとを共添加し
たシングルモードファイバでは短波長、強励起の光源を
必要としないことが分かる。
【0042】図5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にはPr3+とYb3+とNd3+等の第3の希土
類イオンと添加されている。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0.7〜0.9μmの励起光を入射させる。励起光
のため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。
【0043】図5のファイバ増幅器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、L
D等の励起光源からの波長0.7〜0.9μm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、Nd3+等の第3の希土類イオンを励
起し、さらにYb3+を励起し、さらにPr3+を励起す
る。励起されたPr3+は信号光に誘導されて、遷移 1
4 35 に対応する波長1.3μm帯の放射光を発生
する。励起光が所定の強度を超えると、信号光は増幅さ
れることとなる。
【0044】第6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、レーザ光源32と、光学手段38とを備える。レー
ザ光源32として、波長0.7〜0.9μmの励起光を
発生するLDを使用する。光学手段38として、励起光
をレーザ光源32から光ファイバ30内に入射させるレ
ンズ等を使用する。また、光ファイバの出力端を適当な
鏡面に仕上げ、この出力端とレーザダイオードの端面と
で共振器構造を形成する。この場合、励起光が入射する
光ファイバの入出力端を適当な鏡面に仕上げ、この入出
力端から共振器構造を形成してもよい。更に、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。さらにリング状の共振器としたリングレーザ
を形成することも可能である。
【0045】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0.7〜0.9μmの励起光は、光学
手段38によって光ファイバ30内に導入される。励起
光は、光ファイバ30内のNd3+等の第3の希土類イオ
ンを励起し、さらにYb3+を励起し、さらにPr3+を励
起する。励起されたPr3+は自然放出光に誘導されて、
遷移 14 35 に対応する波長1.3μm帯の放射
光を発生する。励起光の出力が所定値を超えると波長
1.3μm帯でレーザ発振が生じる。
【0046】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る光機
能性ガラスによれば、Ybと、Pr及びYbを除く第3
の希土類元素との存在により、Prを波長0.9μm以
下の励起光で励起することができる。したがって、励起
されたPrの存在により、1.3μm帯での発光・光増
幅が可能になり、或いはその増幅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、レーザ等の光機能性装置に応用
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を波長0.7〜0.9μm帯の励起光で励
起する機構について説明した図である。
【図2】Pr等の希土類元素のエネルギー準位図を示し
た図である。
【図3】光ファイバの実施例を示した図である。
【図4】ファイバ増幅器の実施例を示した図である。
【図5】導波路素子増幅器の実施例を示した図である。
【図6】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 32…励起光源 33…光学手段であるカプラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01S 3/17 G02B 6/00 E (72)発明者 大西 正志 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 向後 隆司 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 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 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 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G02F 1/35 501 C03C 13/04 G02B 1/02 G02B 6/00 G02B 6/00 376 H01S 3/17

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ホストガラスに、Prと、Ybと、Pr
    及びYbを除く第3の希土類元素とを活性物質として含
    む光機能性ガラス。
  2. 【請求項2】 前記第3の希土類元素がNd、Tm、H
    o、Pm及びErの内少なくとも一種類の元素であるこ
    とを特徴とする請求項1記載の光機能性ガラス。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の光機能性ガラスからなる
    コアを備えた光ファイバ。
  4. 【請求項4】 波長1.3μm帯の信号光を伝搬する請
    求項3記載の光ファイバと、前記第3の希土類元素を励
    起するため波長0.9μm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
    に入射させる光学手段と、を備えるファイバ増幅器。
  5. 【請求項5】 請求項3記載の光ファイバと、前記第3
    の希土類元素を励起するため波長0.9μm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光学手段とを備え、前記
    光ファイバ内からの波長1.3μm帯又はその近傍の光
    を前記光ファイバにフィードバックする共振器構造が形
    成されていることを特徴とするファイバレーザ。
  6. 【請求項6】 請求項1に記載の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。
  7. 【請求項7】 波長1.3μm帯の信号光を伝搬する請
    求項6記載の導波路素子と、前記第3の希土類元素を励
    起するため波長0.9μm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
    に入射させる光学手段と、を備える導波路素子増幅器。
  8. 【請求項8】 請求項6記載の導波路素子と、前記第3
    の希土類元素を励起するため波長0.9μm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光学手段とを備え、前記
    導波路素子内からの波長1.3μm帯又はその近傍の光
    を前記導波路素子にフィードバックする共振器構造が形
    成されていることを特徴とする導波路素子レーザ。
  9. 【請求項9】 請求項3に記載の光ファイバと、前記第
    3の希土類元素を励起するため波長0.9μm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光学手段と、を備える
    光能動装置。
  10. 【請求項10】 請求項6に記載の導波路素子と、前記
    第3の希土類元素を励起するため波長0.9μm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に入射させる光学手段と、を備える
    光能動装置。
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