JPH012025A

JPH012025A - 燐酸塩レ−ザ−ガラス単一モ−ドファイバ−

Info

Publication number: JPH012025A
Application number: JP62-157416A
Authority: JP
Inventors: 俊晴山下; 天野　壮; 田島　英身; 勲増田; 泉谷　徹郎
Original assignee: ホ−ヤ株式会社
Filing date: 1987-06-24
Publication date: 1989-01-06
Anticipated expiration: 2010-11-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はｆＩ４酸塩レーザーガラス単一モードファイバ
ーに関する。本発明のｖ４酸塩レーザーガラス単一モー
ドファイバーは光フアイバー通信、光フアイバー計測等
のファイバーシステムの光源に使用するのに適している
。

［従来の技術］エレクトロニクス　レターズ、１９８５年８月１５日発
行、第２１巻第１７号（ＥＩ８ＣｔｒＯｎｉＣ３ｌｅｔ
ｔｅｒｓ　１５ｔｈ　Ａｕｇｕｓｔ　１９８５　ｖｏｌ
、　２１　Ｎｏ　１７）の７３８−７４０頁に見られる
ように、レーザーガラス単一モードファイバーとしては
、すでに石英光ファイバーにレーザー活性イオンとして
希土類元素を添加したものが知られている。これを用い
たファイバーレーザー発振器装置は上記石英レーザーフ
ァイバーの両端面に励起光を通し発振光に対し反射率を
有する二色性装置を有し、レーザーダイオード、Ａｒレ
ーザー等のレーザー光源で端面励起されるものである。

ガラスファイバーレーザーは、形状を自由に選ぶことが
できるというガラスレーザーの特徴を生かし、単一モー
ドファイバー化することにより、狭いファイバーコアー
内に光を閉じ込め大きなパワー密度を得ている。その結
果、レーザー発振閾値が非常に小さくなり、またレーザ
ーによる波長選択励起かつファイバ一端面励起も手伝っ
て高効率動作する。ここで発振ａｍが低く高効−１ｉｉ
動作であるというのは同じ入力に対しより高い出力が期
待できるので重要である。さらにファイバー化すること
により、その体積に対する表面積の割合が大きいため、
冷却効率は上がり、結果として冷却装置がなくても長時
間安定動作する。また他のファイバーとの結合が容易で
あるためファイバーシステム内の高出力・波長可変光源
として適している。

しかしながら石英ガラス単一モードファイバーレーザー
は、レーザー活性イオンの添加量が９００ｔｌＤ−以下
と少なく、また材料としては石英レーザーガラスである
ため、その誘導放出断面積が小さく、ψ位長さ当りの利
得が小さいという欠点がある。このため、石英ガラスフ
ァイバーの利点である低損失°性を利用しファイバー長
を長くとることにより利得をかせぎ、ファイバー長３．
２ｍでレーザー発振閾値２．６ＴｒＬ賛、微分効率３３
％というレーザー特性を得たことがエレクトロニクスレ
ターズ１９８６年２月１３日発行、第２２巻第４号（Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　１ｅｔｔｅｒｓ　１３ｔｈ　Ｆ
ｅｂｒｕａｒｙ　１９８６ｖｏ１．２２　　Ｎｏ、４）
の１９８〜１９９頁に記載されている。

［発明が解決しようとする問題点］前記したように従来の石英ガラス単一モードファイバー
レーザーは良好な発揚特性を得るのにファイバー長を長
くする必要があった。これはレーザー活性イオンの添加
量を多くすることができないこと、また材料自体が誘導
放出断面積が小さい等レーザー特性がよくないためであ
る。

一方、燐酸塩レーザーガラスは石英レーザーガラスに比
べてレーザー特性はいいものの、熱膨張張係数が大きく
、温度に対する粘性の変化が急峻であるため、ファイバ
ーの線引きがむずかしく、今迄これをファイバーとした
公知例は見い出されていない。

本発明はこのような問題点を解決すべ（なされたもので
あり、レーザー特性の優れた燐酸塩レーザーガラスを用
い、短ファイバー長であってもより優れたレーザー発振
特性を示すレーザーガラスファイバーを効率良く得るこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段］本発明者らは、上述の目的を達成すべく検討を加えた結
果、（１）　　誘導放出断面積が石英ガラスより大きく、ま
たレーザー活性イオンの高濃度添加が可能でしかもそう
しても蛍光の１ｆｆｔ消光が起りにくい特性のため、＾
利得である等優れたレーザー特性を有するａＩＩＩ塩ガ
ラスをコアガラスとし、これより屈折率の低い燐酸塩ガ
ラスからなるクラッドガラスで被覆した単一モードファ
イバーが、単位長さ当りの利得が高く、従って短ファイ
バー長でも優れた特性を示すこと、及び（り　被覆用のクラッドガラスとして、熱的性質（線膨
張係数、転移温度、粘性）がコアの燐酸レーザーガラス
のそれに近い＊酸ｓガラスを用いることにより、燐酸塩
レーザーガラスのファイバー化が可能となり、光学的品
質が良好で長尺な燐酸塩レーザーガラスファイバーを量
産することができることを見い出し、この知見に基づい
て本発明を完成した。

即ち、本発明は、モル表示でＰ２Ｏ５４５〜７０％、Ａ
１２Ｏ３４〜２Ｏ％、Ｒ″Ｏ（ＭＱＯ。

Ｃａｂ、Ｂａｄ、ＰｂＯ，ＳｒＯ及びＺｎＯの１種又は
２種以上を指す。以下同じ）０〜３５％、Ｒ’２Ｏ　（
Ｌ　ｉ２Ｏ．Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの１種又は２種以上を
指す。以下同じ）０〜３０％、Ｒ“Ｏ＋　Ｒ’２Ｏ　４
〜４５％、Ｎｄ２Ｏａ　０．１〜６％を含有する燐酸塩
レーザーガラスをコアガラスとし、このコアガラスより
屈折率が低く、モル表示でＰ２Ｏ５４５〜７０％、Ａ１
２Ｏ３４〜２Ｏ％、Ｒ“００〜３５％、Ｒ’２Ｏ　０〜
３０％、Ｒ“Ｏ＋Ｒ’２Ｏ　４〜４５％を含有する燐酸
塩ガラスで、前記のコアガラスを被覆したファイバーで
あって、レーザー発振波長１．０５４μｍにおいて単一
モードファイバーであることを特徴とするレーザーガラ
スファイバーである。

上記コアガラスは、上記必須成分に加えて、任意成分と
して、Ｓ　ｉ　０２を２Ｏ％以下、Ｙ２Ｏ３　。

Ｌａ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ＋、Ｎｂ２Ｏ５及びＴａ
２Ｏ５の１種又は２種以上を１５％以下含有していても
よい。

また上記クラッドガラスは、上記必須成分に加えて、任
意成分として、５１０２を２Ｏ％以下、Ｂ２Ｏ３を１３
％以下、Ｙ２Ｏ３　、Ｌａ２Ｏ３。

Ｔ　ｉ　０２　、ＺｒＯ２，Ｎｂ＋　Ｏｓ及びＴａ２ｏ
ｓの１種又は２種以上を５％以下含有していても良い。

すなわち、本発明のｇ４酸塩レーザーガラス単一モード
ファイバーは、下記の４種のファイバーを好ましい態様
として包含する。

ファイバーエコアガラス及びクラッドガラスが下記の必須成分からな
る。

Ｐ２Ｏ５４５〜７０％　４５〜７０％　　　ゝＡｌ２Ｏ
３４〜２Ｏ％　　４〜２Ｏ％Ｒ″ｏ　　　　　　０〜３５％　　Ｏ〜３５％Ｒ’２Ｏ
　　　　　　０〜３０％　　０〜３０％Ｒ″Ｏ＋Ｒ′２
Ｏ　４〜４５％　　４〜４５％Ｎｄ２Ｏａ　　　　０．
１〜６％　　　−ファイバー■ クラッドガラスはファイバーエのクラッドガラス組成に
含まれるが、コアガラスがファイバーエのコアガラス組
成に下記成分（１）　、　（２ａ）の少なくとも１種を
添加したものである。

（１）　　ＳｉＯ２５２Ｏ％（２ａ）　　Ｙ２Ｏ３　、Ｌａ２Ｏａ　、ＴｉＯ２゜Ｚ
ｒＣ）＋　、Ｎｂ２Ｏ５及び ’ｌ’−ａ２Ｏｓの１種又は２種以上　　　　　　　　　　　　≦１５％ファイバー■ コアガラスはファイバー■のコアガラス組成に含まれる
が、クラッドガラスがファイバーＩのコアガラス組成に
下記成分（１）　、　（２ｂ）、　（３）の少なくとも
１種を添加したものである。

（１）　　Ｓ　ｉ　０２　　　　　　　　　　　５２Ｏ
％（２ｂ）　　Ｙ２Ｏ３　、Ｌａ２Ｏ３、Ｔ　ｉｏ２゜
ＺｒＯ２，Ｎｂ２Ｏ５及びＴａ２Ｏ５の１種又は２種゛以上　　　　　　　　　　　　≦５％（３）　　Ｂ２Ｏ３≦１３％ファイバー■■ コアガラスがファイバー■のコアガラス組成に含まれ、
クラッドガラスがファイバー■のクラッドガラス組成に
含まれるものである。即ち、コアガラスはファイバーエ
のコアガラス組成に上記成分（１）　、　（２ａ）の少
なくとも１１ａを添加したものであり、クラッドガラス
はファイバー■のクラッドガラス組成に上記成分（１）
　、　（２ｂ）、　（３）の少なくとも１種を添加した
ものである。

次に本発明のｖＡ酸塩レーザーガラス単一モードファイ
バーにおいてコアガラス及びクラッドガラスとして用い
られるｖＡ酸塩ガラスの各成分の組成範囲の限定理由に
ついて説明する。

これらガラス成分の組成範囲は、レーザー特性、ファイ
バー線引時の耐失透性、また実用ファイバーとして必要
な化学的耐久性と機械的性質等を満足するように決定さ
れるべきものであり、コアガラス及びクラッドガラスに
おいて必須成分として用いられるＰ２Ｏ５が４５％未満
では優れたレーザー特性が得られず、また化学耐久性も
特に耐酸性が悪くなる。一般にＰ２Ｏ５濃度は高い方が
レーザー特性は良いが、７０％を超えると失透しやすく
、化学耐久性も悪くなる。従ってＰ２Ｏ５は４５〜７０
％に限定される。

またコアガラス及びクラッドガラスにおいて必須成分で
あるＡｌ２Ｏ３は化学耐久性を良くする成分であり、４
％以上必要であるが２Ｏ％を超えると失透しやすくなる
。従ってＡＪ！２Ｏ３は４〜２Ｏ％に限定される。

コアガラス及びクラッドガラスにおいて任意成分である
５ｉＯｚはガラスの強度を向上させる成分であるが、２
Ｏ％を超えるとレーザー特性が低下し、化学耐久性も悪
くなるので、使用する場合には２Ｏ％以下であることが
望ましい。

、　Ｂ２Ｏ３はガラスの失透を抑制し、屈折率を下げる
作用があるので、クラッドガラスには１３％まで加える
ことができる。１３％を超えると逆に失透しやすくなる
ので使用する場合には１３％以下であることが望ましい
。またコアガラスではＢ２Ｏ３は多フォノン緩和確率を
増大させるため、非輻射遷移の割合を大きくし、蛍光寿
命を短くするのでＢ２Ｏａを添加すべきでない。

Ｒ″Ｏ（Ｍｏｂ、Ｃａｂ、Ｂａｄ、ＰｂＯ。

ＳｒＯ及びＺｎＯの１種又は２種以上）とＲ’２Ｏ（Ｌ
　ｉ２Ｏ．Ｎａ２Ｏ及びＫ２Ｏの１種又は２種以上）は
網目修飾成分としてコアガラス及びクラッドガラスに加
えられるが、これらの含量は４％未満では安定なガラス
が得られず、又４５％を超えるとレーザー特性が悪くな
ると共に化学耐久性が低下し、屈折率も高くなるので４
〜４５％に限定される。そしてＲ“０が３５％を超え、
Ｒ′２Ｏが３０％を超えるとレーザー特性及び化学耐久
性が低下してしまうので、Ｒ″Ｏ’４．１０〜３５％、
Ｒ′２Ｏは０〜３０％に限定される。

Ｎ（ｊ＋０３はレーザー活性イオンであり、コアガラス
には必須であるが、ファイバー長の短縮化（装置の小型
化）のためには０．１％以上必要であり、６％を超える
と濃度が高すぎレーザー特性がむしろ低下してしまうの
で、０．１〜６％に限定される。

任意成分であるＹ２Ｏａ　、Ｌａ２Ｏ３゜Ｔ　ｉｏ２．
ＺｒＯ２，Ｎｂ２Ｏ５及びＴａ２Ｏ５の１種又は２種以
上は、化学耐久性と機械的８質を向上させる効果がある
ので、コアガラスの場合、１５モル％まで加えることが
できるが、これ以上では蛍光強度が小さくなり、又失透
しやすくなるので、使用する場合には１５％以下である
ことが望ましい。またクラッドガラスに使用する場合に
は５％以下であることが望ましい。

本発明のファイバーにおいては、コアガラス及びクラッ
ドガラス中に上述の成分以外の他の成分、例えばＣｅＯ
等の希土類元素酸化物を例えば１％以下の量で含有させ
ることもできる。

本発明のレーザーガラスファイバーでは、クラッドガラ
スの屈折率がコアガラスのそれより低くなければならな
いが、この要件はコアガラスおよびクラッドガラスの両
者を必須成分だけで構成させる場合でも、コアガラスに
は必ずＮｄ２Ｏａが含まれ、クラッドガラスにはこれが
含まれないので、実現可能である。この他に、例えば次
の様にしてクラッドガラスの屈折率をコアガラスより低
くすることができる。

Ｇ６Ｐ２Ｏ５とＡｌ２Ｏ３の含量を増加させる（へ）　
ＭＱＯ吊を増加させるぐ）　Ｋ２Ｏ口を増加させる（へ）　コアガラスのＳｉＯ２をＡ１２Ｏ３およびＭＱ
Ｏで置き換える上述した組成からなるコアガラスをクラッドガラスで被
覆することは、後述の実施例で記載するように、コア用
レーザーガラスを０ツド状に、クラッド用ガラスをパイ
プ状に加工した後、前者を後者に挿入し、線引炉内で線
引することにより行なわれる。

本発明のファイバーはレーザー発振波長１．０５４μｍ
において単一モードであることを特徴とする。ψ−モー
ドファイバーとなるには、よく知られた次の式％式％を満たすように、ファイバーの寸法と用いられる材料の
パラメータを選ばなければならない。この式において、
ａはコア半径であり、λは波長、ｎｌは」アガラスの屈
折率、ｎ２はクラッドガラスの屈折率であり、そして２
．４０５は定数であって、０次のベッセル関数の最初の
根である。低発振閾値、高効率動作のためコアガラス内
のパワー密度を大きくするため、コアガラスの直径は数
μｍ程度にとれば上式より単一モードの条件も満たし、
すなわら中門ビーム品質のよい高性能レーザーとなる。

レーザーファイバーの両端面は光学研磨し、そこに発振
光に対し所定の反射率を有し、励起光を通す二色性装置
を設けることによりレーザー共振器となる。レーザー共
振器は、外部ミラーをファイバ一端部に密着させたもの
、あるいはファイバ一端部に直接ミラーを蒸着形成した
内部ミラー型の双方が考えられる。しかし、ファイバ一
端部・ミラー間の結合損失、ミラー調整、装置の小型化
を考えると内部ミラー型の方が望ましい。

励起光源はファイバーレーザーの吸収スペクトルに一致
するならば、どのようなレーザー光源（例えばＡｒレー
ザー）でもよいが、装置の小型化を考えるとレーザーダ
イオードがよい。波長選択励起で、かつファイバ一端面
励起法により高効率動作が期待できる。

レーザーファイバーの長さは端面励起なので、励起光を
十分吸収し、かつ発振するのに十分な利得が得られる長
さでなければならない。励起光波長、レーザー活性イオ
ン濃度によって励起光の吸収量は違ってくるので、これ
らを考慮した長さでなければならない。レーザー活性イ
オン濃度を高め、その、吸収スペクトルのピーク付近の
波長で励起すれば、励起光はファイバー長の短いファイ
バーでもほとんど吸収されかつ本発明のレーザーファイ
バーは単位長さ当りの利得が大きいのでファイバー長の
短いファイバーでも優れた発振特性を示す。さらに、レ
ーザー活性イオン濃度を下げ、吸収スペクトルのピーク
からややはずれた波長で励起すれば：ファイバー長の長
いファイバーでも使用可能であることもつけ加えておく
。

［実施例］以下、実施例により本発明を更に説明するが、本発明は
これらの実施例に限定されるものではない。

実施例１先ずファイバーの作製方法及び特性について記す。表１
の実施例１の欄に示されたコアガラス及びクラッドガラ
スの各々の組成比からなる原料混合物のそれぞれを２リ
ツトルの白金ポットで１２５０〜１３００℃の温度で溶
解した後、金型に流し込み厚さ約５０４１Ｉの板状に成
型し徐冷した。これらを所定の大きさに切断した後、コ
ア用レーザーガラスは直径１．６７ａｍ、長さ５３．５
ａｍのロッド状に、クラッド用ガラスは外径２７．２ａ
ｉ＊。

内径１．６８ａｍ、長さ５３．５ａｗ＊のパイプ状に各
々研磨加工した。ロッドをパイプ内に挿入し線引炉内に
セットしてから６６０℃まで昇温し、線引速度６５　ｍ
、／１ｎで線引してドラムに巻き取り、ファイバーを得
た。線引操作は円滑に行なわれ、約１０００ｍという長
尺なファイバーが得られた。

このファイバーは第１図に示す如く、コアガラス１とク
ラッドガラス２とからなり、表１に示す如くファイバー
径Ａ＝６５μ霞、コア径Ｂ＝４μ田の寸法であり、コア
ガラス屈折率１，５２３、両ガラス間の屈折率差０．０
０６５である屈折率分布を有するファイバーであった。

コアのレーザー特性として、表１に誘導放出断面１（４
，２ｘ１０噌口２）と蛍光青金（３１５μｓｅｃ　）を
示したが、誘導放出断面積は石英レーザーガラスの誘導
放出断面積（約２　Ｘ　１０”ｔｙｓ’　）に比べ大き
い。蛍光寿命に関しては、高濃度にレーザー活性イオン
をドープしても蛍光の濃度消光が起りにクク、同程度レ
ーザー活性イオンをドープされた石英レーザーガラスの
蛍光寿命（約２５０μｓｅｃ　）に比べて長く、すぐれ
た特性を有することが明らかとなった。

次に上記ファイバーを用いたファイバーレーザー発振器
装置と、この装置で得られたレーザー発振特性を示す。

第２図は本実施例に用いたレーザー発振器装置を示した
ものである。第２図において、単一モードファイバー３
はレーザー媒質であるコア１とそれを取り囲んでいるク
ラッド２で構成されており、レーザーファイバー３の全
長は１０Ｉ１１＋である。このファイバーの両端面は光
学研磨され、励起光を通過し発振光を反射する二色性装
置４が取りつけられ、全体としてファブリ−ベロー型の
レーザー共振器９を構成する。二色性装置４は、励起光
（本実施例の場合レーザーダイオード光８０７ｔｖ）を
９０％以上通し、かつレーザー発振波長１．０５４μ…
の光を全反射するりアミラー５と励起光を９０％以上通
し、かつレーザー発振波長に対し７０％の反射率を有す
る出力取り出し用のフロントミラー６から成る。励起源
８としては、レーザーダイオード（シャープ　ＬＴｏ　
　１５ＭＦ＞が用いられ、８０７　ｎｌｌで発振し、光
学系７でファイバ一端部のコアに集光される。

ファイバーコアが吸収した励起入力２ｍ−に対し０．６
ｍ−安定な単一モード連続発振を得た。この時、レーザ
ー発振閾値１ｍＷ、微分効率５０％という低閾値、高効
率動作を得た。これらの値はファイバー長１０ａｍのレ
ーザーガラスファイバーを用いて得られたものであり、
従来の石英レーザーガラスファイバーの場合、ファイバ
ー長３．２瓦で発振閾値２．６ＴｒＬｌ１１、微分効率
３３％であること（前出のエレクトロニクス　レターズ
参照）を考慮すると、本発明のレーザーガラスファイバ
ーのレーザー発振特性の優秀性は明らかである。

実施例２〜１８表１に示した組成からなるコアガラス及びクラッドガラ
スを用い、実施例１と同様の方法で実施例２〜１８のフ
ァイバーを得た。

得られた各ファイバーのファイバー径、コア径、コアガ
ラス屈折率、コアガラス誘導放出断面積、蛍光寿命等を
表１に示した。

またレーザー発振特性に関しても、Ｎｄ２Ｏ３のドープ
吊、励起波長、出力側ミラーの透過率等の条件によって
も変わるが、ファイバー長０．３ＩｌｌＩＲ〜２５１Ｗ
１１で発振閾値２′ｒｒＬ−以下、微分効率３０％以上
という低閾値・高効率・安定な連続発振が同様に得られ
た。

［発明の効果］本発明のレーザーガラスファイバーは、従来の石英レー
ザーガラスファイバーに比べ、ファイバー長でも優れた
レーザーガラス発成特性を示し、その結果、コンパクト
で高性能なレーザー発振器を得ることが可能となり、フ
ァイバーシステムの光源等の応用が期待できる。又、本
発明によるレーザーガラスファイバーは優れた増幅特性
を有するので光増幅装置としても使用することが期待さ
れる。

また本発明はクラッドガラスとして、コアガラスと熱的
性質が近似する燐酸塩ガラスを用いることにより、燐酸
塩レーザーガラスのファイバー化が可能となり、光学的
品質が良好で長尺な燐酸塩レーザーガラスファイバーを
量産することができるという技術的効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のレーザーガラス単一モードフ
ァイバーの断面構造と屈折率分布を示す説明図、第２図は本発明の実施例のレーザーガラス単一モードフ
ァイバーを用いたレーザー発振器装置の概略図である。１・・・コア２・・・クラッド３・・・レーザーガラスファイバー４・・・二色性装置５・・・リアミラー６・・・フロントミラー７・・・光学系８・・・励起源９・・・レーザー共振鼎

Claims

【特許請求の範囲】

（１）モル表示でＰ＿２Ｏ＿５４５〜７０％、Ａｌ＿２
Ｏ＿３４〜２０％、Ｒ″Ｏ（ＭｇＯ、ＣａＯ、ＢａＯ、
ＰｂＯ、ＳｒＯ及びＺｎＯの１種又は２種以上を指す。以下同じ）０〜３５％、Ｒ′＿２Ｏ（Ｌｉ＿２Ｏ、Ｎａ
＿２Ｏ及びＫ＿２Ｏの１種又は２種以上を指す。以下同
じ）０〜３０％、Ｒ″Ｏ＋Ｒ′＿２Ｏ４〜４５％、Ｎｄ
＿２Ｏ＿３０．１〜６％を含有する燐酸塩レーザーガラ
スをコアガラスとし、このコアガラスより屈折率が低く
、モル表示でＰ＿２Ｏ＿５４５〜７０％、Ａｌ＿２Ｏ＿
３４〜２０％、Ｒ″Ｏ０〜３５％、Ｒ′＿２Ｏ０〜３０
％、Ｒ″Ｏ＋Ｒ″＿２Ｏ４〜４５％を含有する燐酸塩ガ
ラスで、前記のコアガラスを被覆したファイバーであつ
て、レーザー発振波長１．０５４μｍにおいて単一モー
ドファイバーであることを特徴とするレーザーガラスフ
ァイバー。