(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバー母体材料が強誘電体固体材料であり、該強誘電体固体材料に希土類元素を添加し、光の増幅機能を持たせた光ファイバー素子であって、該光ファイバー素子を構成する強誘電体固体材料に光の進行方向に対して垂直に近い角度で電場を印加して分極を発生させ、光の進行方向ならびに前記分極に対して垂直に近い方向の磁場を印加し、光の進行方向もしくは光の進行方向とは逆の方向の光の発光効率を変化させ、光の非相反性機能を付与することを特徴とする光ファイバー素子。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバー素子において、前記希土類元素がエルビウム（Ｅｒ）元素またはツリウム（Ｔｍ）元素であることを特徴とする光ファイバー素子。
【請求項３】
請求項２記載の光ファイバー素子において、イッテルビウム（Ｙｂ）からなる希土類元素を光増感用希土類元素としてさらに添加したことを特徴とする光ファイバー素子。
【請求項４】
請求項１記載の光ファイバー素子において、前記強誘電体固体材料がペロブスカイト型酸化物であるチタン酸化物ＡＥ1-X ＡＥ′x ＴｉＯ3 （ＡＥおよびＡＥ′はＣａ，Ｓｒ，Ｂａからなるアルカリ土類元素、０≦ｘ≦１）であることを特徴とする光ファイバー素子。
【請求項５】
請求項１記載の光ファイバー素子において、前記強誘電体固体材料がＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 化合物であることを特徴とする光ファイバー素子。
【請求項６】
請求項１記載の光ファイバー素子において、前記強誘電体固体材料が（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 化合物であることを特徴とする光ファイバー素子。
【請求項７】
請求項１から６の何れか一項記載の光ファイバー素子を用いて、前記光ファイバー素子を構成する強誘電体固体材料に光の進行方向に対して垂直に近い角度で電場を印加することにより分極を発生させ、光の進行方向ならびに前記分極に対して垂直に近い方向の磁場を印加し、光の進行方向もしくは光の進行方向とは逆の方向の光の発光効率を変化させることを特徴とする光ファイバー素子を用いた光の非相反性付与方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信の中心的技術である光ファイバー技術における、光ファイバー素子（デバイス）及びそれを用いた光の非相反性付与方法に関するものである。ここで光ファイバー素子とは、光を伝播させるため固体材料を光ファイバーとして用いた機能性素子のことを示す。ここで言う機能とは、ただ単に光を伝播させるという受動的機能にとどまらず、光変調機能、光増幅機能、光非線形機能、光レーザー機能、光スイッチ機能、光検知機能などの能動的機能をも意味する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光通信は、光を伝播させる媒体である光ファイバーの損失が理論限界に迫る０．２ｄＢ／ｋｍという極めて低損失な伝播媒体を実現したことにより大容量、高速信号伝達手段として揺るぎない地位を確立した。その通信範囲は、家庭から、国内のみにとどまらず、海外に至るまで広がっており、地球的規模のネットワークにおける情報伝達手段として、急速に拡大しつつある。電線による通信手段にとってかわるのはもはや時間の問題である。
【０００３】
光通信技術の進歩には低損失のファイバー材料の開発が決定的な役割を果たしたが、さらに重要な進歩として光ファイバー素子の進展がある。素子としての機能は多数あるが、その中でも光増幅機能は光ネットワークを構築する上で最も重要な技術の一つである。光増幅技術は光ファイバーによる光損失を補償することを可能とする（下記特許文献１，２、非特許文献１，２参照）。適当な距離に置かれた中継局に光増幅機能をもったファイバーを設置すれば、原理的にはいくら長距離であっても、光信号を電気信号に変換し直すことなく、光速度で、情報信号を伝播できる。この結果、高機能な光デバイスやさまざまな光システムが実現できるようになってきた。現在、光ファイバー通信システムネットワークは１万ｋｍ以上の長距離となり、単位時間あたりの信号量としては４０Ｇｂｉｔ／ｓを実現可能とする。波長多重化技術の進展により２５６波長多重伝送システムが可能となり、この結果、１本の光ファイバーで伝送できるデータ容量は１０Ｔｂｉｔ／ｓを超えるまでになっている。
【０００４】
また、光ファイバー素子は光レーザーとしても動作させることが可能である。光ファイバーレーザーは単一波長レーザー、多波長レーザー、短パルスレーザー、高出力レーザー等多方面の展開をすでに示している。希土類添加型レーザーは、原理的には、強く励起すればいくらでも高い出力が得られる。このような高出力光ファイバーレーザーは、別の光ファイバー増幅器や光非線形デバイスの励起用光源として有用であるとともに、産業用の高出力固体レーザーの代替品としても注目されている。既に１ｋＷを超えるＣＷ出力のＹｂ添加光ファイバーレーザーが報告されている（下記非特許文献３参照）。
【特許文献１】：特開２００１−７７４５１号公報
【特許文献２】：特表２００３−５２３４５７号公報
【非特許文献１】：Ｍ．Ｎａｋａｚａｗａ  ｅｔ  ａｌ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．５４，２９５（１９８７）．
【非特許文献２】：須藤編、“エルビウム添加光ファイバ増幅器”オプトロニクス社、１９９９．
【非特許文献３】：Ｙ．Ｊｅｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．４０，４７０（２００４）．
【非特許文献４】：Ｋ．Ｏｎｏｄｅｒａ  ｅｔ  ａｌ．Ｔｏｋｉｎ  Ｔｅｃｈ．Ｒｅｖ．，Ｖｏｌ．２１，ｐｐ．３３−３６（１９９４）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、各種機能性光ファイバー素子において、その構成要素の一つである光アイソレータ素子の機能を、やはりその構成要素の一つである希土類を添加した光ファイバー素子の機能に追加して、通常２個必要となる光アイソレータ素子を不要にすることにある。
各種機能性光ファイバー素子において、光増幅機能は光通信技術のなかでも最も重要な機能の一つである。従来の光増幅素子（デバイス）もしくは光増幅器の基本構成を図１に示した。
【０００６】
この図１に示すように、光増幅器は光アイソレータ１０１、励起用半導体レーザー１０２、波長多重カプラー１０３、希土類元素添加ファイバー１０４からなる。光アイソレータ１０１は光の進行方向とは逆に進む光を透過させないために用いる。これは増幅した自然発光（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＡＳＥ）による逆進行方向の光が強く発生するためであり、この逆進行方向の光を減衰させることは光増幅の利得を増加させる上で重要である。また、光ファイバーの接合部や他のデバイスとの接合部で発生するフレネル反射によっても逆進行方向の光が発生する。したがって、この光アイソレータ１０１は希土類添加光ファイバー１０４の出口側にも配置される。また、逆進行方向の光によるレーザーの寄生発振防止対策としての役割も有している。
【０００７】
このように、光アイソレータ１０１は、光を一方向のみ通過させる特性を持つ非相反素子であり、ファラディー効果のような非相反特性をもつ磁気光学材料を使用することにより実現できる。
図２は、従来の光アイソレータの動作原理を示す図である。光アイソレータは、一方向の直線偏光のみを透過させる偏光子２０２と検光子２０４、４５度の回転角をもつファラディー回転素子２０３からなる。偏光子２０２と検光子２０４はたがいに４５度の角度で配置される。いま、左側から右側に入射する光２０１は偏光子２０２を通過することにより直線偏光となる。この直線偏光は、ファラディー回転素子２０３により時計方向に４５度回転する。検光子２０４は４５度主軸を傾けて配置されているので、ファラディー回転素子２０３を通過した直線偏光は検光子２０４を透過して、出射光２０６となる〔図２（ａ）参照〕。なお、図２において、２０５は磁界方向である。
【０００８】
一方、右から入射した光２１１は、検光子２０４により４５度傾いた直線偏光としてファラディー回転素子２０３に入るが、その非相反性のために、反時計方向に４５度回転し、偏光方向が地面に平行な直線偏光として透過してくる。この結果、ファラディー回転素子２０３を逆向きに透過してきた直線偏光は地面に垂直な偏光しか透過させない偏光子２０２を透過することができなくなる〔図２（ｂ）参照〕。
【０００９】
実際に光増幅器に使われている光アイソレータの例を図３に示す（上記非特許文献２参照）。
この図において、３０１は入力側ファイバー、３０２，３０７はレンズ、３０３，３０６は複屈折率結晶（くさび）、３０４，３０５はファラディー回転素子（４５度回転）、３０８は出力側ファイバーである。
【００１０】
ここで、光アイソレータは、２個のレンズ３０２，３０７、２個の複屈折率結晶３０３，３０６、２個の４５度回転のファラディー回転素子３０４，３０５からなる。すなわち、要素部品の個数が多く外部からの磁界印加も必要である。また、光アイソレータは光増幅用の波長と希土類元素印加ファイバーに使われる希土類元素の発光波長の双方を透過できなければならない。希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）、励起波長として０．９８μｍ波長の半導体レーザーを使う場合、ファラディー回転素子は、０．９８μｍならびに１．５５μｍ波長で光が透過する材料が選択される必要がある。そのために、ファラディー回転素子材料は、ＹＩＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ  Ｉｒｏｎ  Ｇａｒｎｅｔ）結晶が一般的に使われるがＦｅの吸収が１μｍ付近にあるため、１．１μｍ以上の長波長帯にしか使えない。そこで、１μｍ帯で透過可能な光アイソレータとして、ＣｄＭｎＨｇＴｅなどの開発が試みられている（上記非特許文献４参照）。
【００１１】
本発明は、上記状況に鑑み、各種機能性光ファイバー素子において、その構成要素の簡略のために、光アイソレータ素子を省略できる機能を搭載した希土類元素添加光ファイバー素子及びそれを用いた光の非相反性付与方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本願発明者らは、光ファイバー母体材料が強誘電体固体材料であり、この強誘電体固体材料に希土類元素を添加し、光の増幅機能を持たせた光ファイバー素子であって、この光ファイバー素子を構成する強誘電体固体材料に光の進行方向に対して垂直に近い角度で電場を印加して分極を発生させ、光の進行方向ならびに前記分極に対して垂直に近い方向の磁場を印加し、光の進行方向もしくは光の進行方向とは逆の方向の光の発光効率を変化させ、光の非相反性機能を付与する光ファイバー素子を実現させた（請求項１）。この光ファイバー素子において、前記希土類元素はエルビウム（Ｅｒ）やツリウム（Ｔｍ）である（請求項２）。さらに、その希土類元素に、光増感用希土類元素としてイッテルビウム（Ｙｂ）をさらに添加してもよい（請求項３）。さらに、希土類元素を添加した光ファイバー素子で、その光ファイバー母体材料の強誘電体固体材料がチタン酸化物ＡＥ1-x ＡＥ′x ＴｉＯ3 （ＡＥおよびＡＥ′はＣａ，Ｓｒ，Ｂａなどのアルカリ土類元素、０≦ｘ≦１）であるペロブスカイト型酸化物光ファイバー素子でもよい（請求項４）。また、エルビウム（Ｅｒ）などの希土類元素を添加した光ファイバー素子で、その光ファイバー母体材料が強誘電体固体材料Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 である光ファイバー素子でもよい（請求項５）。また、光ファイバー母体材料が強誘電体固体材料（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3 である光ファイバー素子でもよい（請求項６）。また、上記した光ファイバー素子を用いて、前記光ファイバー素子を構成する強誘電体固体材料に光の進行方向に対して垂直に近い角度で電場を印加することにより分極を発生させ、光の進行方向ならびに前記分極に対して垂直に近い方向の磁場を印加し、光の進行方向もしくは光の進行方向とは逆の方向の光の発光効率を変化させることにより、光ファイバー素子を用いて光の非相反性を付与した（請求項７）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、光ファイバー素子に光増幅器の重要な構成要素である光の非相反性機能を付加することにより、光アイソレータ素子を別に設ける必要がなくなり、大幅なコストダウンを図ることができる。また、光アイソレータ素子に使う透明なファラディー回転素子の開発も必要なくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
エルビウム（Ｅｒ）元素やツリウム（Ｔｍ）元素などの希土類元素を添加した光ファイバーにおいて、光ファイバー素子の母体材料が強誘電体固体材料で、これらの光ファイバーの上下に光の進行方向とはほぼ垂直に磁界を印加する。このとき、光の進行方向および磁場に垂直に、あらかじめ強誘電体の分極を一方向に発生させておく（図４参照）。なお、このとき、強誘電体は直線形状ではなく通常の光ファイバーのように曲線であってよい。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図４は本発明にかかる光アイソレータ機能付き光増幅器光ファイバー素子の基本構成を示す模式図である。
この図において、４０１は強誘電体光ファイバー素子、４０２は励起用半導体レーザーからのレーザー光、４０３は外部磁場、４０４は光の進行方向Ｋ、４０５は強誘電体光ファイバー素子４０１の強誘電体にあらかじめ発生させた分極Ｐである。
【００１６】
図４に示したような本発明にかかる光ファイバー素子からの発光の非相反性確認実験の配置を図５に示す。
この図において、５０１は光源（レーザーダイオード）、５０２，５０５，５０７はレンズ、５０３は試料、５０４は磁場発生装置、５０６は光ファイバー、５０８は分光器、５０９は光検出器である。
【００１７】
ここで、光源（レーザーダイオード）５０１からの９８０ｎｍ励起用半導体レーザーを照射することによる、室温で強誘電体特性を示す試料５０３としてのペロブスカイト型酸化物ＢａＳｒＴｉＯ3 中の希土類元素エルビウム（Ｅｒ）からの発光を分光器５０８で分光した後に光検出器５０９で検知した。磁場は磁場発生装置５０４としての外部コイルで発生させた。磁場の向きと外部電場で誘起された分極Ｐの向きはそれぞれ入射光の進行方向Ｋに対して垂直の配置にする。
【００１８】
図６は図５におけるＥｒからの発光の実験結果を示す図であり、図６（ａ）はＥｒの4 Ｉ13/2→4 Ｉ15/2遷移に伴う光スペクトルを示す図、図６（ｂ）はその１ｆ（分極−Ｐ）の一部の特性のみを抽出した図、図６（ｃ）は磁場強度に対する光スペクトルを示す図である。図７は本発明にかかる試料としての強誘電体ＢａＳｒＴｉＯ3 の分極の電界依存性を示す図である。
【００１９】
図において、１５２０ｎｍから１６００ｎｍにおよぶ発光バンドが示されていることがわかる。磁場を３０００エルステッドに固定して、分極を（＋Ｐ）から（−Ｐ）に反転させるとそれに伴い発光スペクトル強度の増加成分と減少成分とが存在する。図６（ｃ）から明らかなように、その変調成分の強度は磁場強度に比例する。
以上、分極Ｐの方向により変調強度の正負が反転すること、および磁場強度の線形依存性をもつことから非相反的光学効果を示すことが確認された。すなわち、発光強度が光の進行方向Ｋに依存することを示し、Ｋ方向に発光強度が増加し、逆方向（−Ｋ）に進行する発光は発光強度が低下する効果を与えることを示す。このときの非相反性の効果は最大値でΔＩ／Ｉ〜５．３×１０-3／ｍｍ程度の大きさである。したがって１００ｃｍもあれば１／２０の減衰効果が期待できる。この程度の長さがあれば、十分な光のアイソレータとして機能する。またＢａＴｉＯ3 もしくはＳｒを添加したＢａＳｒＴｉＯ3 は１μｍ波長域で透明であるから光増幅用の半導体レーザー光を使う場合も問題ない。
【００２０】
本発明は、光アイソレータ機能を希土類添加の光ファイバー素子に搭載することが可能であることを特徴とする。この結果、光増幅器の重要な構成要素である光アイソレータを省略でき、光増幅器の低コスト化が実現できる。
本発明によれば、この非相反機能をもった光ファイバー素子は光増幅機能にとどまらず光変調機能、光非線形機能、光レーザー機能、光スイッチ機能、光検知機能などに応用展開可能である。
【００２１】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の光ファイバー素子は光アイソレータを必要としない光増幅器に適している。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来の光増幅器の基本的構成を示す模式図である。
【図２】従来の光アイソレータの動作原理を示す模式図である。
【図３】従来の光アイソレータの構造を示す模式図である。
【図４】本発明にかかる光アイソレータ機能付き光増幅器光ファイバー素子の基本構成を示す模式図である。
【図５】本発明にかかる光アイソレータ機能付き光増幅器光ファイバー素子の発光の非相反性確認実験装置の模式図である。
【図６】本発明にかかる光アイソレータ機能つき光増幅器光ファイバー素子の発光の非相反性確認実験装置による発光の非相反性確認実験結果を示す図である。
【図７】本発明にかかる強誘電体ＢａＳｒＴｉＯ3 の分極の電界依存性を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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