(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジスプロシウムでドープされたガラス光導波路を具え、そのガラスの最高周波数フォノンモードが４５０ｃｍ-1未満のエネルギーを持つ光導波路増幅器であって、そのガラス導波路がジスプロシウムイオンの6Ｈ11/2ならびに／または6Ｈ13/2エネルギー準位の寿命を短縮すべく少なくとも１種類の希土類共添加物でドープされた増幅器。
【請求項２】
上記ガラスが弗化物またはシリカガラスではない、請求項１記載の増幅器。
【請求項３】
その又は１つの共添加物がユーロピウムである請求項１又は請求項２に記載の増幅器。
【請求項４】
その又は１つの共添加物がテルビウムである請求項１から請求項３のいずれかの請求項に記載の増幅器。
【請求項５】
その導波路が光ファイバーである請求項１から請求項４のいずれかの請求項に記載の増幅器。
【請求項６】
その光ファイバーが単一モードファイバーである請求項５に記載の増幅器。
【請求項７】
その導波路が以下のものからなるグループから選択された一つのガラスで形成された請求項１から請求項６のいずれかの請求項に記載の増幅器：
（ｉ）重金属を含むハライドガラス類、
（ｉｉ）塩化物ガラス類、
（ｉｉｉ）カルコゲンガラス類、ならびに、
（ｉｖ）カルコ・ハロゲン化物ガラス類。
【請求項８】
導波路中のレーザー作用を促進するための反射手段を設けた請求項１から請求項７のいずれかの請求項に記載の増幅器。
【請求項９】
その反射手段が導波路の両端に配設されたミラーを有する請求項８に記載の増幅器。
【請求項１０】
その反射手段が導波路の両端に配設されたグレーティングを有する請求項８に記載の増幅器。
【請求項１１】
その増幅器を大略８１０ナノメータ、大略９１０ナノメータ及び大略１２４０ナノメータからなるグループから選択されたポンプ波長でポンプするための手段を有する請求項１から請求項１０のいずれかの請求項に記載の増幅器。
【請求項１２】
大略１０６４ナノメータのポンプ波長で増幅器をポンプするためのネオディミウム−イットリウム-アルミ-ガーネットレーザー、または、大略１０４７ナノメータのポンプ波長で増幅器をポンプするためのネオディミウム-イットリウム-ランタン−弗化物レーザーを有する請求項１から請求項１０のいずれかの請求項に記載の増幅器。
【請求項１３】
そのガラス導波路が、ポンプ波長における吸収を増大する増感剤でドープされている請求項１から請求項１０のいずれかの請求項に記載の増幅器。
【請求項１４】
その増感剤がイトリビウムである請求項１３に記載の増幅器。
【請求項１５】
その増幅器を大略９８０ナノメータのポンプ波長でポンプするための手段を有する請求項１４に記載の増幅器。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれかの請求項に記載の増幅器を有するレーザー。
【請求項１７】
請求項１から請求項１５のいずれかの請求項に記載の光導波路増幅器を有する通信用装置。
【請求項１８】
そのガラスの最高周波数フォノンモードが４５０ｃｍ-1未満のエネルギーを持つガラス光導波路をジスプロシウムイオンでドープする工程と、
ジスプロシウムイオンの6Ｈ11/2ならびに／または6Ｈ13/2エネルギー準位の寿命を短縮すべく少なくとも１種類の希土類共添加物をそのガラス導波路にドープする工程と、
を有する光導波路増幅器の製造法。
【請求項１９】
上記ガラスが弗化物またはシリカガラスではない、請求項１８記載の光導波路増幅器の製造法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、添加物ドープ光導波路増幅器に関する。
光導波路増幅器、特に、光ファイバー増幅器は通信事業に広く用いられている。光ファイバー増幅器の一例は、いわゆる第３の通信ウインドウ（１５００ナノメーター（ｎｍ）付近の波長帯）で動作するエルビウムドープファイバー増幅器（ＥＤＦＡ）である。これらのデバイスは、１個のレーザーダイオードでポンピングできる程度の限られたポンプパワー（５０ミリワット（ｍＷ）以下）で達成される高利得（３０デシベル（ｄＢ））により特徴づけられる。
しかし、重要な第２の通信ウインドウ（１３００ｎｍ付近の波長帯）では、既知の光ファイバー増幅器はずっと低い効率でしか動作しない。これまでに報告された最良の特性は、３価のプラセオジミウム（Ｐｒ3+）をドープした弗化物ファイバー増幅器（ＰＤＦＦＡ）で得られたものであるが、その特性は１個のレーザーダイオードからの１２０ｍＷのポンピングによる約２３ｄＢと言う小さい信号利得であった。このポンプパワーを得るためにはポンプダイオードを高い励起電流で動作させる必要があり、そのためにダイオードの寿命はひどく短縮される。
ネオジミウム−イットリウム−ランタン−弗化物固体レーザー（Ｎｄ：ＹＬＦ）をポンプ源とするＰＤＦＦＡの高出力増幅器としての応用では、ダイオードポンプによるよりも高い動作効率を達成することができた。しかし、ファイバー増幅器のポンプ用に高価な固体レーザーを用いることは、インライン形の光ファイバー増幅器など多くの応用については、理想からはるかに遠いものである。
光導波路増幅器中のドーパントとしてジスプロシウムを用いることが提案された。ＥＰ−Ａ−０５７０７４３では、弗化物、あるいは、シリカ（ＳｉＯ2）ガラスレーザーがジスプロシウム（Ｄｙ3+）イオンでドープされ、１３００ｎｍの光増幅器が実現している。
本発明はジスプロシウムでドープでされたガラス光導波路を有し、そのガラスの最高周波数フォノンモードが４５０ｃｍ-1（ｃｍはセンチメータを表す記号）未満のエネルギーを持ち、そのガラス導波路がジスプロシウムイオンの6Ｈ11/2ならびに／または6Ｈ13/2エネルギー準位の寿命を短縮すべく少なくとも１種類の希土類共添加物でドープされた光導波路増幅器を提供する。
本発明はまたジスプロシウムでドープされたガラス光導波路を有し、そのガラスが弗化物またはシリカガラスではなく、そのガラス導波路がジスプロシウムイオンの6Ｈ11/2ならびに／または6Ｈ13/2エネルギー準位の寿命を短縮すべく少なくとも１種類の希土類共添加物でドープされた光導波路増幅器を提供する。
本発明では、ジスプロシウムでドープされた光導波路増幅器において、上で提案されたガラスの性質がそれら増幅器の性能を非常に制限していることを確認している。低いフォノンエネルギーをもつか、あるいは高い量子効率（フォノンエネルギーならびに／あるいはガラスの種類に関係した量）をもつガラス類を用いることによって、Ｄｙ3+ドーパント（添加物）の効率は大きく改善される。
増幅器の性能は、ジスプロシウムイオンの6Ｈ11/2ならびに／または6Ｈ13/2エネルギー準位の寿命を短縮すべく少なくとも１種類の希土類共添加物を含有することによって改善される。このことは、増幅器の効率を改善し得る。
好ましくは、その又は１つの共添加物は、ユーロピウムである。又好ましくは、その又は１つの共添加物がテルビウムである。
本発明による増幅器の実施例は１２８０から１３５０ｎｍの間の第２の通信ウインドウで動作でき、且つ５０ｍＷのポンプパワーで２０ｄＢを越える小信号利得半導体レーザーダイオードユニット一つだけで容易にポンプできる。
さらに、他の実施例は、別の３価の希土類イオン（たとえば、イットリビウム）を増感剤として組み合わせることによって、効率のよい９８０ｎｍポンピングの可能性が出てくることを含んでいる。
本発明ではバルクの光導波路あるいは平面形導波路に適用可能であるが、その導波路が光ファイバーであることが好ましい。光ファイバーを用いることによって、ドーパント（添加物）、増幅すべき信号、ならびにポンプ信号間の空間的な重なり合いを改善することができる。特に、光ファイバーは単一モード光ファイバーであることが好ましい。添加物はファイバーのコア部にだけか、あるいは主としてそこに、ドープすることもできるし、あるいはファイバーのクラッド部にドープすることもできる。
好ましくは、導波路は以下のグループから選択したガラスで構成される：
（ｉ）重金属を含むハロゲン化物ガラス類、
（ｉｉ）塩化物ガラス類、
（ｉｉｉ）カルコゲン化物ガラス類、ならびに、
（ｉｖ）カルコ・ハロゲン化物ガラス類。
添加物イオンの問題としているエネルギー準位のある種のものの寿命は増幅器中のレーザー作用を促進することによって短縮する（増幅器の性能を増大する）ことができる。この目的のために、増幅器が導波路中でのレーザー作用を促進するための反射手段を含むことが好ましい。
この反射手段は、好ましくは、導波路の両端に設置されたミラーを具えている。あるいは、好ましくは、反射手段が導波路の両端に設置されたグレーティングを具えていてもよい。
増幅器は、好ましくは、大略８１０ナノメータ、大略９１０ナノメータ、ならびに、大略１２４０ナノメータからなるグループの中から選択されたポンプ波長で増幅器をポンプするための手段を含んでいる。あるいは、増幅器が、大略１０６４ナノメータのポンプ波長で増幅器をポンプするためのネオジミウム−イットリウム−アルミ−ガーネットレーザー、あるいは、大略１０４７ナノメータのネオジミウム−イットリウム−ランタン−弗化物レーザーを含んでなっていることも好ましい。
増幅器の性能をさらに改善するために、ガラス導波路がポンプ波長における吸収を増大する増感剤でドープされていることが好ましい。
好適実施例では、この増感剤はイットリビウムである。この場合には、増幅器を大略９８０ｎｍのポンプ波長でポンプするための手段を採用することが特に適している。
本発明による増幅器は、レーザー中で使うのに特に適している。あるいはまた、本発明による増幅器は、通信用装置中で使うのに特に適している。
本発明はまた光導波路増幅器の製造法を提供するものであり、その製造法は、そのガラスの最適周波数フォノンモードが４５０ｃｍ-1未満のエネルギーを持つガラス光導波路をジスプロシウムイオンでドープする工程と、ジスプロシウムイオンの6Ｈ11/2ならびに／または6Ｈ13/2エネルギー準位の寿命を短縮すべく少なくとも１種類の希土類共添加物をそのガラス導波路にドープする工程と、を有する。
本発明はまた光導波路増幅器の製造法を提供するものであり、その製造法は、そのガラスが弗化物またはシリカガラスではないガラス光導波路をジスプロシウムイオンでドープする工程と、ジスプロシウムイオンの6Ｈ11/2ならびに／または6Ｈ13/2エネルギー準位の寿命を短縮すべく少なくとも１種類の希土類共添加物をそのガラス導波路にドープする工程と、を有する。
本発発明を添付図を参照しながら実施例によって説明する。説明全体を通じて、類似の部分は類似の記号で参照される。添付図は以下のものである。
図１はジスプロシウムイオンのエネルギー準位を示す模式的ダイアグラム、
図２はＤｙ3+ドープガリウム-ランタン硫化物（Ｇａ：Ｌａ：Ｓ）ガラスの吸収スペクトルを示すグラフ、
図３はＤｙ3+ドープガリウム-ランタン硫化物（Ｇａ：Ｌａ：Ｓ）ガラスにおける準安定6Ｈ9/2-6Ｆ11/2２重項から6Ｈ15/2基底準位への光放射に対応する蛍光スペクトル示すグラフ、
図４ａからｄは種々のポンプ構成を用いたＤｙ3+ドープ低フォノンエネルギーガラス増幅器の模式ダイアグラム、
図５は共方向ポンプしたＤｙ3+ドープＧａ：Ｌａ：Ｓガラス光ファイバー増幅器についての、ファイバー長に対する小信号利得を示すグラフ、
図６は共方向ポンプしたＤｙ3+ドープＧａ：Ｌａ：Ｓガラス光ファイバー増幅器についての、ポンプパワーに対する小信号利得を示すグラフ、
図７はＥｕ3+、Ｔｂ3+ならびにＤｙ3+イオンについての模式的エネルギー準位ダイアグラム、
図８はＴｂ3+/Ｅｕ3+/Ｄｙ3+共ドープＧａ：Ｌａ：Ｓガラス光ファイバー増幅器についてのファイバー長に対する利得を示すグラフ、
図９はＴｂ3+/Ｅｕ3+/Ｄｙ3+共ドープＧａ：Ｌａ：Ｓガラス光ファイバー増幅器についてのポンプパワーに対する利得を示すグラフ、
図１０はＴｂ3+/Ｅｕ3+/Ｄｙ3+共ドープＧａ：Ｌａ：Ｓガラス光ファイバー増幅器についての、３つの異なるポンプ波長における、ポンプパワーに対する利得を示すグラフ、
図１１はＮｄ：ＹＡＧでポンプされたＴｂ3+/Ｅｕ3+/Ｄｙ3+共ドープファイバー増幅器についてのポンプパワーに対する利得を示すグラフ、
図１２はＮｄ：ＹＡＧでポンプされたＴｂ3+/Ｅｕ3+/Ｄｙ3+共ドープファイバー増幅器についての出力パワーに対する利得を示すグラフ、ならびに、
図１３はＮｄ：ＹＡＧでポンプされたＴｂ3+/Ｅｕ3+/Ｄｙ3+共ドープファイバー増幅器についてのＹｂ濃度に対する利得を示すグラフ。
図１はジスプロシウム（Ｄｙ3+）イオンのエネルギー準位を説明する模式的ダイアグラムである。Ｄｙ3+イオンが添加物としてガラスに加えられると、Ｄｙ3+イオンは特性的な１組の吸収線を形成する。その吸収線の波長と大きさとは母材ガラスに依存する。もしＤｙ3+ドープガラスを光増幅用素材として用いようとするならば、これら種々の吸収線の波長と大きさがその増幅素材の効率と性能に大きく影響する。
Ｄｙ3+ドープカリウム-ランタン硫化物（Ｇａ：Ｌａ：Ｓ）ガラスについての吸収スペクトルの一例を図２に示す。図２に示すように、大略８００ｎｍ、９００ｎｍ、１０５０から１１００ｎｍ、および１２４０ｎｍから１２９０ｎｍを中心として多くの吸収「ピーク」がある。
このドープガラスを光増幅用素材として用いる場合、これらの吸収ピークの波長が増幅器ポンプに使用可能な波長を形成する。Ｄｙ3+イオンがポンプ光子を吸収した後、イオンは短時間内に非放射（多光子）減衰を通じて準安定２重項6Ｈ9/2-6Ｆ11/2へと「緩和」し、母材ガラスに強く依存するところの特性時間の間、そこに留まる。
準安定２重項に励起されたイオンは、下方の6Ｈ11/2エネルギー準位へと、母材に依存する電子-フォノン結合係数によっても決まるが、主には母材ガラスの最大フォノンエネルギーによって決まる割合（ＷNR）で、非放射的に減衰する。
これらの物理的な効果は、ある与えられたエネルギーギャップ（たとえば、Ｄｙ3+ドープＧａ：Ｌａ：Ｓにおける6Ｈ9/2-6Ｆ11/2から6Ｈ11/2へのエネルギーギャップについての〜１７００ｃｍ-1）に対して、「低フォノンエネルギー」ガラスは、シリカ（酸化珪素）のごとき高フォノンエネルギーガラスよりも低い非放射減衰割合を持っている、ということを意味する。この非放射減衰過程は準安定２重項からの自発あるいは誘導放射過程と競合関係にあるから、高フォノンエネルギーガラスでは、非放射過程が自発あるいは誘導放射過程を上回ることが有り得る。その結果、高フォノンエネルギーガラスでは6Ｈ9/2-6Ｆ11/2２重項から自発放射を観測することはほとんどない。自発放射は、これもガラス母材に依存し、理想的には大きい値であるべき、放射減衰割合（Ｗrad）で特性づけられる。
換言すれば、Ｄｙ3+イオンでドープした低フォノンエネルギーガラスは、高フォノンエネルギーガラスよりもより高効率な光増幅用素材となり得ると云える。
低フォノンエネルギーガラスを定義するひとつの定量的な方法は、6Ｈ9/2-6Ｆ11/2２重項の放射量子効率を
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のように定量化することである。
ガラスのフォノンエネルギーを減らすと非放射減衰割合が減少し、したがって、放射量子効率が増大するから、上の定義はガラスのフォノンエネルギーに関係しているといえる。
「低フォノンエネルギーガラス」とは、非放射減衰割合が、低濃度のＤｙ3+イオンをドープしたガラスにおいて、6Ｈ9/2-6Ｆ11/2２重項の放射量子効率が５％以上となって、その結果、放射量子効率が５％以上（＞１０％ならよりよい結果が得られるが）となるぐらい低フォノンエネルギーとなるものとして定義される。この定義は、その大きな放射割合のために比較的大きい量子効率を持つカルコ・ハロゲン化物のごときガラスにも適用できる。
低フォノンエネルギーガラスの例としては以下のものがある：
（ｉ）重金属ハロゲン化物ガラス類（ＣｄＦ2-ＣｄＣｌ2、ＺｎＣｌ2-ＺｎＦ2やバリウム、ナトリウム、インジウム、鉛ならびに／あるいはガリウムなどを含む弗化物・塩化物混合ガラスのごときもの）、
（ｉｉ）塩化物ガラス類（亜鉛やカドミウム塩化物（ＺｎＣｌ2、ＣｄＣｌ2）のごときもの）、
（ｉｉｉ）カルコゲン化物（セシウム、カリウム、ジルコニウム、アンチモン、ランタン、硫黄、ガリウム、インジウム、銀、カルシウム、ナトリウムならびにびにビスマスなどの元素添加物を含むゲルマニウム硫化物、砒素硫化物ならびに／あるいはガリウム硫化物をベースとするガラス、ならびに硫黄ならびに／あるいはセレンやテルルを含むガラスのごときもの）、ならびに
（ｉｖ）カルコ・ハロゲン化物（塩素ならびに／あるいは弗素の添加物を含むいずれかのカルコゲン化物のごときもの）。
低フォノンエネルギーガラスの上記の定義は、いわゆる「純」弗化物ガラス（たとえば、亜鉛弗化物−ランタン弗化物−アルミ弗化物−ナトリウム弗化物（ＺＢＬＺＮ）あるいはインジウム弗化物（ＩｎＦ））あるいは酸化物ガラス（たとえばＳｉＯ2）などを含んでいない。というのは、これらのガラスにＤｙ3+イオンをドープしても6Ｈ9/2-6Ｆ11/2２重項の放射量子効率は非常に低い（５％以下）からである。
Ｄｙ3+イオンドープガラスの放射量子効率の直接の測定が、Ｍ．Ｊ．Ｐａｙｎｅらによる１９９１年発行の著書「ガラスの物理と化学」に記載されているいわゆる「積分球」法を用いて行われる。この測定では、１２４０ｎｍ付近の励起波長が用いられており、（この測定過程に対しては）Ｄｙ3+イオンの濃度はＤｙ3+イオン同士の間のエネルギー移行によるあいまいな結果を避けるために低く（〜５００ｐｐｍ）抑えられている。
この技術を用いて測定されたＤｙ3+イオンドープガラスの量子効率の例は、ＩｎＦガラスの２％、Ｇａ：Ｌａ：Ｓガラスの２０％である。
また別のやり方として、低フォノンエネルギーガラスは、ラマン分光で測定されたそれの最大フォノンエネルギーとして定義することができる。ここで、ガラスの最大フォノンエネルギーは、ラマン強度のピークによって定義されるガラスの最高周波数フォノンモードのエネルギーとして定義することができる。
この技術を用いて測定されたフォノンエネルギーの例としては、ＺＢＬＡＮガラスの〜５８０ｃｍ-1、ＩｎＦガラスの〜５１０ｃｍ-1、Ｇａ：Ｌａ：Ｓガラスの〜３５０ｃｍ-1などがある。
ガラスについての上の最大フォノンエネルギーのこの定義を用いて、低フォノンエネルギーガラスを４５０ｃｍ-1未満の最大フォノンエネルギーを持つものとして定義されれる。（たとえば４００ｃｍ-1未満の領域のガラスによってもよい結果は得られるだろうが）。
２重項からの放射発光は、すべての下位準位（すなわち、6Ｈ11/2、6Ｈ13/2、6Ｈ15/2）に対して起こり、その発光スペクトルは母材ガラスに依存する。蛍光スペクトルの一例として、Ｄｙ3+ドープＧａ：Ｌａ：Ｓガラスで得られた準安定6Ｈ9/2-6Ｆ11/2２重項から6Ｈ15/2基底準位への発光に対応するスペクトルが図３に示されており、そのピーク波長は約１３２０ｎｍにあることが示されている。
Ｄｙ3+イオンは平面形やバルク形などの種々のタイプの光導波路におけるドーパントとして用いることができるが、本実施例では、このイオンがガラス光ファイバーのコア中に添加されている。これによって、Ｄｙ3+イオンとポンプならびに信号光の間の効率的な空間的重なり合いが確保される。特に、コア直径が１０μｍ未満でコア／クラッド間の屈折率差が０．１％未満である単一モードファイバーで良好な結果が得られる。
光ファイバーは、たとえば２重るつぼ法、ロッドインチューブ法、押し出し回転鋳造法、あるいはいわゆる「ゾルゲル」法など標準的な製造技術で製造することができる。このような光ファイバーコアに対する代表的なＤｙ3+のドーピング量は、ほぼ０．０１ｍｏｌ％−５ｍｏｌ％（約１００ｐｐｍ−５０００ｐｐｍ）の範囲である。
増幅の過程は以上に参照されたＥＤＦＡ（エルビウムドープファイバー増幅器）で生じているものと同様である。ポンプ光がファイバーの長さ方向に伝搬するにつれて吸収が起こり、準安定２重項の6Ｈ9/2-6Ｆ11/2中に分布を与える。弱い信号ビーム（たとえば、１３２０ｎｍでの）がファイバー中を伝搬すると、誘導放射過程が起こり、もし増幅が、存在するいかなる損失よりも大きい場合には、正味の利得が得られる。
Ｇａ：Ｌａ：Ｓ中のＤｙ3+についての誘導放射の線形（スペクトル線の形）は図３に示した自発放射に似ており、１３２０ｎｍにピークを持っている。
図４ａから４ｄは、種々のポンプ構成を用いたＤｙ3+ドープ低フォノンエネルギーガラスファイバー増幅器の模式ダイアグラムである。いずれの構成においても、高ＮＡ低フォノンエネルギーガラスファイバーとテーパー部を持つ高ＮＡシリカファイバーとの間に角度付き接合部を用いている。図４ａから４ｄに示す構成は、それぞれ、「共方向型」、「逆方向型」、「往復型」、ならびに「復方向性型」ポンピングと呼ばれている。
図４ａから４ｄのいずれの図においても、信号光は入力ポート１０で入力され、出力ポート２０で出力される。ポンプ信号はポンプ入力３０で入力される。図４ａから４ｄはまた、多くの相互に接続された各ファイバー素子をも示している。それらのファイバー素子はそれぞれ以下の参照番号で呼ばれる。
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共方向型ポンプＤｙ3+ドープＧａ：ＬＡ：Ｓガラスファイバー増幅器の性能が図５ならびに６に示されている。詳しくは、図５はファイバー長に対する小信号利得を示すグラフであり、図６はポンプパワーに対する小信号利得を示すグラフである。
本実施例においては、増幅器の動作波長は１３２０ｎｍであり、半導体レーザーによって１２４０ｎｍでポンプされる。入力信号パワーは１μＷである。ファイバーは５００ｐｐｍのＤｙ3+イオンを含んであり、ＮＡ＝０．４ならびに遮断波長＝９００ｎｍの特性を持っている。
図５は最適デバイス長が１０ｍであることを示している。そこでは、５０ｍＷのポンプでピーク利得は〜３ｄＢである。図６は１００ｍＷのポンプパワーで〜５ｄＢのピーク利得が得られることを示している。
当該分野に精通した人は、「最適」という用語が必ずしも性能の絶対的な最大値を意味するものではなく、与えられた何か他に起こり得る設計上の制約の範囲内で、デバイスの性能を改善するための技術的な改善過程の結果に対して使われるということ承知しているであろう。
このデバイスは他の吸収バンド（１１００ｎｍ、１０５０ｎｍ、９１０ｎｍ、８８０ｎｍ、８１０ｎｍ、７８０ｎｍ、あるいは、７６０ｎｍ）のいずれにおいてもポンプ可能である。ただし、デバイス長とかその効率は図５や６に示したものと同じではなくなる。
上に述べてきた、この基本的なＧａ：Ｌａ：Ｓデバイスは従来の高フォノンエネルギーガラスを用いたＤｙ3+ドープ増幅器よりもかなり良好な性能を提供するものであるが、その性能は２つの主要な物理的効果によって制限されている。
Ｄｙ3+ドープＧａ：ＬＡ：Ｓガラスの量子効率は〜２０％であり、このことは準安定２重項にあるイオンの約８０％が下方のエネルギー準位（6Ｈ11/2）へと非放射的に減衰していることを意味している。Ｇａ：Ｌａ：Ｓガラスにドーピングを行うと、Ｄｙ3+のエネルギー準位である6Ｈ11/2や6Ｈ13/2の寿命はそれぞれ〜１ｍｓｅｃと〜３．５ｍｓｅｃとなるが、これは6Ｈ9/2-6Ｆ11/2２重項の５５μｓと比較されるべきである。したがって、このガラスが増幅用素材として用いられるとき、かなりの数のイオンが基底準位の（6Ｈ15/2）に戻るよりもこれら両方のエネルギー準位に留まってしまう。この「ボトルネック」の結果、最適のデバイス長、したがって、正味の背景損失が増大し、それによって増幅器効率が制限されるという傾向が生じる。その上、これら両方の準位からそれより上方の6Ｆ3/2、6Ｆ5/2、6Ｆ7/2準位へと信号（１．３μｍ）によって励起された準位の吸収が増幅器の効率を、したがってまた、得られるピーク利得を制限することになる。
しかし、この基本的なＤｙ3+ドープＧａ：ＬＡ：Ｓファイバー増幅器の効率は、そのガラス中に他の希土類イオンと共ドープすることによって改善することができる。特に、Ｄｙ3+Ｇａ：ＬＡ：Ｓファイバーへの３価の希土類イオンであるテルビウムあるいは３価のユーロピウム（あるいは、いずれも）を共ドープしたものでは、6Ｈ11/2や6Ｈ13/2準位の寿命の大幅な短縮が観測されている。
Ｅｕ3+やＴｂ3+イオンについてのエネルギー準位ダイアグラムをＤｙ3+イオンについてのそれと共に図７に示す。共にドーピングの方法によれば、Ｄｙ3+の6Ｈ11/2や6Ｈ13/2エネルギー準位から、それらの準位に近いＴｂ3+やＥｕ3+の一つのエネルギー準位へと（共鳴的な）エネルギー移行が起こる。そうすると、励起されたＴｂ3+やＥｕ3+イオンの速い非放射減衰が、これらの接近したエネルギー準位を経て、それぞれの基底準位へと起こる。この結果、適当な濃度のＴｂ3+ならびに／あるいはＥｕ3+で共ドープされたＤｙ3+ドープガラスの6Ｈ11/2や6Ｈ13/2準位の寿命は、準安定２重項6Ｈ9/2-6Ｆ11/2のそれよりもかなり短縮される。
共ドーピングの適当な濃度レベルの例は、０．０１−５ｍｏｌ％のＥｕ3+イオンと０．０１−５ｍｏｌ％のＴｂ3+イオン（〜１００−５０００ｐｐｍ）である。
これらのエネルギー準位の寿命を短縮させるこれ以外の方法もある。それらの方法は、6Ｈ11/2や6Ｈ13/2エネルギー準位のいずれかから（あるいは、両方から）のレーザー作用を達成するために、ファイバーの１端または両端に１枚または２枚の高反射率の反射鏡を使うことを含んでいる。高反射鏡は外部鏡あるいはグレーティング（外部形でもよいし、ファイバー中に書き込まれたものでもよい）の形をとればよい。
Ｔｂ3+／Ｅｕ3+／Ｄｙ3+共ドープＧａ：Ｌａ：Ｓガラス光ファイバー増幅器の特性が図８ならびに図９に示してある。詳しくは、図８はＴｂ3+／Ｅｕ3+／Ｄｙ3+共ドープＧａ：Ｌａ：Ｓガラス光ファイバー増幅器についてのファイバー長に対する利得のグラフであり、図９はポンプパワーに対する利得のグラフである。
図５、６ならびに７を参照しつつ説明される実施例で示されるように、デバイスは共方向的にポンプされるもので、ファイバーのＮＡは０．４、ファイバーの遮断波長は１２４０ｎｍ、信号波長は１３２０ｎｍ、また、信号パワーは１μＷである。ファイバーコアは５００ｐｐｍのＤｙ3+、５０００ｐｐｍのＥｕ3+、および５０００ｐｐｍのＴｂ3+を含んでいる。
図８は、５０ｍＷポンプパワーで、〜１．３ｍまで最適デバイス長が短縮されること（共ドーピングがない場合に約１０ｍの長さであったのと比べて--図５参照）を示している。図９はファイバーを共ドープすることによって、最大利得について大幅な増大（５ｄＢから３０ｄＢ以上へ）が達成できることを示している。換言すれば、共ドーピングは増幅器効率を大幅に増加させることができると云える。
ＩｎＧａＡｓ技術にもとづく１２４０ｎｍ動作の高出力半導体レーザーダイオードの長寿命化は未だ十分に完成されたものとは云い難い。波長領域７５０−９８０ｎｍで動作し、ＡｌＧａＡｓについての成熟した技術にもとづいて製造されるダイオードに関しては別である。この理由によって、７５０−９８０ｎｍの波長領域で増幅器をポンプできると言うことは非常に有利であろう。
既に述べたように、Ｄｙ3+ドープ低フォノンエネルギーガラスファイバー増幅器を１２４０ｎｍとは別の波長でポンプすることも実際可能である。最も有用な別の波長は９１０と８１０ｎｍの吸収バンドである。
図２はこれらの波長における吸収断面積が１２４０ｎｍや１３２０ｎｍにおける吸収断面積よりも小さいことを示している。このことから生ずる一つの結果として、増幅器の飽和ポンプパワーの大幅な増大が、したがって、デバイスを低いポンプパワーで動作させたときの効率の低下が挙げられる。
図１０はＥｕ3+／Ｔｂ3+／Ｄｙ3+共ドープＧａ：Ｌａ：Ｓガラス光ファイバー増幅器を、８１０、９１０、および１２４０ｎｍのいずれかの波長で、いずれも高出力半導体レーザーダイオードでポンプしたときの小信号利得を説明するグラフである。遮断波長は、１２４０ｎｍ、９１０ｎｍならびに８１０ｎｍのポンピング波長に対して、それぞれ、９００ｎｍ、８００ｎｍならびに７００ｎｍであり、その間、最適デバイス長は、それぞれ１．３ｍ、１．５ｍならびに１．７ｍと変わっている。
比較的低いポンプパワー（＜１００ｍＷ）でポンプした場合、１２４０ｎｍポンプ波長は、これらのグループで最高の効率の増幅を与えている。これは、９１０ｎｍ、８１０ｎｍのいずれについても、その吸収断面積が比較的小さく、飽和ポンプパワーが大きくなってしまうことに起因している。
Ｄｙ3+ドープ低フォノンエネルギーガラスファイバー増幅器のパワーアンプとしての応用は、このデバイスを高ポンプパワーでポンプすることによって最良に達成される。Ｄｙ3+イオンの直接励起が、市販のＮｄ：ＹＡＧレーザーの出力波長である１０６４ｎｍ、あるいは、（ネオディミウム−イットリウム−ランタン−弗化物レーザーによる）１０４７ｎｍにおいて可能である。これらのレーザーは１Ｗを越える出力を持っている。１０６４ｎｍにおける吸収断面積は１２４０ｎｍにおけるそれよりも非常に小さく、８１０ｎｍや９１０ｎｍのそれに比べてもかなり小さいが、それでも、増幅器の効率は、得られる大きなポンプパワーのために、高くすることができる。
Ｎｄ：ＹＡＧポンプのＥｕ3+／Ｔｂ3+／Ｄｙ3+共ドープファイバーの小信号利得を図１１に示す。ファイバーパラメータは、ＮＡ＝０．４、遮断波長＝９９０ｎｍ、長さ＝２．５ｍであり、信号波長は＝１３２０、信号パワー＝１μＷである。ファイバーコアは５００ｐｐｍのＤｙ3+イオンならびに共に５０００ｐｐｍのＥｕ3+とＴｂ3+の両方のイオンでドープされている。
図１２はＮｄ：ＹＡＧポンプのＥｕ3+／Ｔｂ3+／Ｄｙ3+共ドープファイバーの増幅器についての出力に対する小信号利得である。図１２は、２０ｄＢｍ（１００ｍＷ）を越える出力で３０ｄＢを越える利得が得られることを示している。
Ｙｂ3+ドープＧａ：Ｌａ：Ｓに対する吸収スペクトルは〜９８０ｎｍにピークを持ち、この波長領域内でＤｙ3+とかなりのオーバラップを示している。Ｄｙ3+ドープファイバーへ適当なドープ濃度のＹｂ3+イオンを添加することによって、Ｙｂ3+イオンとＤｙ3+イオンとの間に効率の高いエネルギー移行が可能となる。エネルギー移行はＹｂ3+の2Ｆ5/2エネルギー準位からＤｙ3+の6Ｈ5/2エネルギー準位へと起こり、そこから更に、準安定２重項6Ｈ9/2-6Ｆ11/2へと非放射減衰が起こり、その結果、Ｄｙ3+ドープデバイスについて上に述べたのと同様に１３２０ｎｍにおいて増幅が起こる。したがって、Ｙｂ3+／Ｄｙ3+／Ｅｕ3+／Ｔｂ3+共ドープ増幅器は、Ｄｙ3+／Ｅｕ3+／Ｔｂ3+ドープデバイスに比べて、９８０ｎｍ付近で効率よくポンプでき、効率の大幅な増大が可能となるであろう。
図８と９を参照しつつ説明したＥｕ3+／Ｔｂ3+／Ｄｙ3+増幅器は、９８０ｎｍのポンプ波長において１００ｍＷのポンプパワーでは正味の利得を与えることができない。これに対して、一連のＹｂ3+／Ｅｕ3+／Ｔｂ3+／Ｄｙ3+共ドープ増幅器について、１００ｍＷポンプで得られた結果が図１３に示してある。これらのデバイスでは、すべてコアに対して０．０５ｍｏｌ％のＤｙ3+と種々の濃度のＹｂ3+添加物を加えてドーピングが行われた。ファイバーＮＡ＝０．４で遮断波長＝８５０ｎｍである。図１３は９８０ｎｍでポンプされたＹｂ3+／Ｄｙ3+／Ｅｕ3+／Ｔｂ3+共ドープ増幅器が１２４０ｎｍポンプデバイスと同程度で、８１０ｎｍや９１０ｎｍポンプのものより良好なデバイス性能を達成できることを示している。これに対する説明は、Ｙｂ3+が、主要なＤｙ3+吸収ピークの外側における波長でのポンプパワーの吸収を増大させるための、Ｄｙ3+ドープ増幅器あるいはレーザーに対する「増感剤」として動作できるからである、と言うことである。
上に説明した増幅器はその増幅が得られる波長帯でレーザーとして用いることもできる。たとえば、Ｄｙ3+ドープ低フォノンエネルギーガラスからなる増幅器は、１３２０ｎｍ付近で、１枚または２枚の外部ミラーまたはグレーティングズ（外部のでも、またはファイバーに直接書き込むかしたものでも）を用いて、Ｅｕ3+／Ｔｂ3+の共ドーピングをして、あるいはそれをせずに、レーザーとして、使うことができる。
これらのレーザー（複数）の１３２０ｎｍ付近での動作のために、Ｄｙ3+ドープ低フォノンエネルギーガラス中への共添加物として、Ｙｂ3+のごとき増感剤を、Ｅｕ3+／Ｔｂ3+の共ドーピングを用い、又は用いず、利用することができよう。
別の例では、ミラーとかグレーティングを用いて、Ｄｙ3+ドープ低フォノンエネルギーガラスファイバーを（それぞれ、6Ｈ11/2-6Ｈ15/2や6Ｈ13/2-6Ｈ15/2の遷移を用いて）１．７μｍあるいは２．８μｍ付近のレーザーとして動作させることができる。１．７μｍあるいは２．８μｍ付近で動作するＤｙ3+ドープファイバーレーザーのポンプに対する吸収を増大させるため増感剤を使ってもよい。
上に述べてきた増幅器やレーザーは通信用装置など多方面の応用に使うことができる。たとえば、上に述べたような光増幅器は光ファイバー信号伝送リンクの一部を形成する中継器デバイスに用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図４ｄ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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