Er 添加ファイバーは 3 準位系であり、一般的な励起波長は 980nm と 1480nm、発振波長は~1550nm である (参考)。980nm 励起は 1480nm に比べ、励起光を信号光に変換する際のパワー変換効率が低く、吸収スペクトルの幅が狭い。

Er ファイバーの利得係数を大きくするためには、Er3+ イオンの添加量を増加させる必要があるが、Er 濃度を高めていくと濃度消光により励起効率が低下する。濃度消光が起こる Er 濃度は純 SiO2 ホストの場合、数百 wtppm 程度である。濃度消光の抑制効果がある Al を共添加した Al2O3 − SiO2 ホストの場合でも 1000wtppm 程度と言われており、そのため Er3+ イオンの高濃度化による利得係数の向上には限界がある。これは、Er3+ イオンの密度が増加することで Er3+ イオン同士がクラスタリングを形成し、イオン間距離が短くなり、イオン間の協同アップコンバージョン (4I13/2 に励起された 2 つの Er3+ イオンが接近すると、1 つは 4I9/2 に励起され、もう 1 つは基底準位に脱励起されることが起こることに起因する。この様子を図1(a)に示す。

しかし、Er と共に Yb を共添加した Er:Yb ファイバーは、濃度消光に起因する Er 添加濃度限界を向上させることが可能である (濃度消光の抑制)。これは、 Er3+ イオンの周りに同程度の半径の Yb3+ イオンが複数個配位してクラスターを形成し、Er3+ イオン同士の距離が拡がるためである。また、Yb3+ イオンの広い吸収帯を励起波長に利用することができる。

 

chapter4-08

図1:Er3+ イオンに関するイオン間エネルギー移動の概念図。
(a) アップコンバージョン、(b)Er:Yb 共添加による増感作用

 

Er:Yb のエネルギー準位図を図1(b)に示す。Yb3+ イオンが 910~980nm 帯の励起光により2F5/2準位へ励起された後、Er3+ イオンとイオン間相互作用することで Er3+ イオンを4I11/2準位に励起し (Energy Transfer)、Yb3+ イオンは基底準位2F7/2に遷移する。4I11/2 に励起された Er3+ イオンは4I13/2に非放射過程で緩和し、4I13/24 I15/2 準位間において反転分布を形成する。Yb3+ イオンから Er3+ イオンへのエネルギー伝達の効率は Er3+ と Yb3+ イオンの配合比やコア組成に大きく依存している。Er:Yb ファイバーを 980nm で励起した場合、Er、Yb 間の遷移や Yb 準位間での寄生発振など複雑なエネルギー遷移過程を経るため、Er ファイバーに比べて変換効率は低い (~45 %)。

参考までに Er:Yb を共添加したリン酸塩ガラス (phosphate glass) における Er3+ イオンの吸収断面積と誘導放出断面積を図2に示す。

図2: Er3+ イオンの吸収断面積と誘導放出断面積

図2: Er3+ イオンの吸収断面積と誘導放出断面積

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