DE60106827T2

DE60106827T2 - Lichtverstärkendes Glas

Info

Publication number: DE60106827T2
Application number: DE60106827T
Authority: DE
Inventors: Yuki Yokohama-shi Kondo; Setsuro Yokohama-shi ITO; Naoki Yokohama-shi SUGIMOTO; Tatsuo Yokohama-shi Nagashima; Setsuhisa Kyoto-shi TANABE
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: US20020041436A1; EP1180835B1; KR20020013779A; EP1180835A3; US6599852B2; EP1180835A2; CN1338442A; ATE281416T1; DE60106827D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches amplifizierendes Glas. Insbesondere bezieht sie sich auf ein optisches amplifizierendes Glas, das zur Verstärkung in einem Breitbandbereich für Licht mit Wellenlängen von 1,4 bis 1,5 μm fähig ist.
Für die Zwecke der Anwendung als ein optischer Verstärker in einem optischen Kommunikationssystem gab es Untersuchungen und Entwicklungen eines optischen amplifizierenden Glases, das ein Kernglas und ein Mantelglas umfaßt, und das ein Seltenerdmetall, das in das Kernglas aufgenommen ist, aufweist.
Um andererseits die Diversifikation der Kommunikationsdienste, die in der Zukunft erwartet werden, zu bewältigen, ist ein Wellenlängen-Multiplexing-Kommunikationssystem (WDM) vorgeschlagen worden, um die Übertragungskapazität zu erhöhen. Im WDM wird die Übertragungskapazität erhöht, wenn sich die Zahl der Wellenlängen-Multiplexing-Kanäle erhöht.
Bisher ist ein Er- (Erbium-) -dotiertes, optisches amplifizierendes Glas als ein Glas vorgeschlagen worden, das zur optischen Verstärkung des C-Bandes (Wellenlänge: 1.530 bis 1.560 nm) oder L-Bandes (Wellenlänge: 1.570 bis 1.600 nm) geeignet ist, und ein Tm- (Thulium-) -dotiertes, optisches amplifizierendes Glas ist als ein Glas vorgeschlagen worden, das zur optischen Verstärkung des S⁺-Bandes (Wellenlänge: 1.450 bis 1.490 nm) und S-Bandes (Wellenlänge: 1.490 bis 1.530 nm) geeignet ist.
In das Tm-dotierte, optische amplifizierende Glas wird ein Anregungslicht zusammen mit dem Licht, das verstärkt werden soll, d. h. ein Signallicht, eingeführt, und das Signallicht wird mittels eines stimulierten Emissionsübergangs von Tm verstärkt werden. Die Wellenlänge des Anregungslichtes beträgt typischerweise 1,0 bis 1,6 μm, wenn die Anregung durch ein Upconversion-Verfahren durchgeführt wird. Außerdem wird das Tm-dotierte, optische amplifizierende Glas normalerweise in Form einer Faser verwendet.
In dem Tm-dotierten, optischen amplifizierenden Glas wird die optische Verstärkung des S⁺-Bandes mittels des stimulierten Emissionsübergangs zwischen ³H₄-³F4 durchgeführt. Jedoch gibt es unter dem ³H₄-Niveau ein nahes ³H₅-Niveau bei einem Abstand von etwa 4.300 cm^–1. Wenn die Phononenenergie des Glases, das Tm³⁺ enthält, groß ist, erhöht sich aufgrund dieses ³H₅-Niveaus die Multiphononenrelaxation bei dem oben erwähnten stimulierten Emissionsübergang und die Strahlungsrelaxation verringert sich, wodurch sich die Emissionsfähigkeit, folglich der optische Verstärkungsfaktor, verringern kann.
Als ein Tm-dotiertes, optisches amplifizierendes Glas ist ein optisches amplifizierendes Glas mit Tm, dotiert zu einem Fluoridglas (ein Tm-dotiertes, optisches amplifizierendes Glas vom Fluoridtyp), vorgeschlagen worden. Das Fluoridglas weist den Nachteil auf, daß die Multiphononenrelaxation geringer als beim Oxidglas ist. Jedoch ist der Glasübergangspunkt T_g des Tm-dotierten, optischen amplifizierenden Glases vom Fluoridtyp niedrig (typischerweise nicht höher als 320°C), und es wurde wahrscheinlich thermisch geschädigt, wenn die Intensität des Anregungslichtes hoch war.
Außerdem ist die Vickers-Härte H_v des Tm-dotierten, optischen amplifizierenden Glases vom Fluoridtyp gering (typischerweise 2,4 GPa), wodurch es für Kratzerbildung anfällig ist, und wenn es zu einer Faser verarbeitet wird, wird ein solcher Kratzer wahrscheinlich Bruch verursachen.
Als ein optisches amplifizierendes Glas mit Tm, dotiert zu einem Fluoridglas, ist ein Tm-dotiertes Fluoridglas ZBLAN beispielsweise bekannt, das 1,19 Masse-% Tm, dotiert zu einer Glasmatrix einer Zusammensetzung, aufweist, umfassend 52,53% ZrF₄, 20,20% BaF₂, 3,03% LaF₃, 4,04% AlF₃ und 20,20% NaF, dargestellt durch Mol-%, und das einen T_g von 200°C, eine Peakwellenlänge des Emissionsspektrums von 1.452 nm und einen Halbwert davon von 76 nm aufweist (Applied Optics, 39 (27), 4.979–4.984 (2000)).
Außerdem ist als ein optisches amplifizierendes Glas mit Tm, dotiert zu einem Telluritglas, ein Tm-dotiertes Terlitglas beispielsweise bekannt, das 1,23 Masse-% Tm, dotiert zu einer Glasmatrix mit einer Zusammensetzung, aufweist, umfassend 75% TeO₂, 10% ZnO und 15% Na₂O, dargestellt durch Mol-%, und das eine Peakwellenlänge des Emissionsspektrums von 1.458 nm und eine Halbwertsbreite davon von 114 nm aufweist. Jedoch ist ihr T_g so niedrig wie 295°C. (Applied Optics, 39 (27), 4.979–4.984 (2000)).
Außerdem wird ein Glas mit 0,01, 0,05 oder 1,5 äußeren Masse-% Tm, dotiert zu einer Glasmatrix, umfassend 56 Mol-% PbO, 27 Mol-% Bi₂O₃ und 17 Mol-% Ga₂O₃ (Tm-dotiertes PbO-Bi₂O₃-Ga₂O₃-Glas), offenbart (Applied Optics, 34 (21), 4.284–4.289 (1995)).
Der obere Kühlpunkt und die Knoop-Härte der obigen Glasmatrix betragen 319°C bzw. 2,2 GPa (Phys. Chem. Glasses, 27, 119–123 (1986)). Der obere Kühlpunkt kann gleich dem T_g betrachtet werden, und es wird angenommen, daß es keine wesentliche Veränderung hinsichtlich des T_g geben wird, selbst wenn Tm bis zu 1,5% dotiert wird. Der T_g des obigen Tm-dotierten PbO-Bi₂O₃-Ga₂O₃-Glases beträgt nämlich ebenso etwa 320°C, woraus wahrscheinlich die oben erwähnte thermische Schädigung resultiert.
Außerdem ergibt in dem Fall eines optischen Glases die Knoop-Härte einen um 0,4 bis 1,3 GPa geringeren Wert als H_v (Dictionary of Glass, S. 352, veröffentlicht von Asakura Shoten, 1985). Folglich wird angenommen, daß H_v des oben erwähnten Tm-dotierten PbO-Bi₂O₃-Ga₂O₃ innerhalb des Bereiches von 2,6 bis 3,5 GPa liegt und nicht hoch sein kann.
Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein optisches amplifizierendes Glas bereitzustellen, das hohen T_g und H_v aufweist, und das zum Verstärken von Licht im S⁺-Band und S-Band fähig ist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein optisches amplifizierendes Glas bereit, umfassend eine Glasmatrix und 0,001 bis 10 Masse-% Tm, dotiert zu der Glasmatrix, wobei die Glasmatrix von 15 bis 80 Mol-% Bi₂O₃ enthält und weiter mindestens eine Komponente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus SiO₂, B₂O₃ und GeO₂, enthält.
In den beiliegenden Zeichnungen:
ist 1 eine graphische Darstellung, die das Emissionsspektrum eines optischen amplifizierenden Glases der vorliegenden Erfindung zeigt,
ist 2 eine graphische Darstellung, die das Emissionsspektrum eines optischen amplifizierenden Glases gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Die vorliegende Erfindung wird nun in bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen ausführlich beschrieben.
Der T_g des optischen amplifizierenden Glases der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise mindestens 360°C. Wenn nämlich ein Laserstrahl mit einer hohen Intensität als das Anregungslicht zur optischen Verstärkung verwendet wird, ist die Temperatur des Glases lokal gewöhnlich hoch, und wenn der T_g niedriger als 360°C ist, wird das Glas wahrscheinlich thermisch geschädigt, und folglich wird sich der optische Verlust erhöhen und die optische Verstärkung gewöhnlich unzulänglich sein. Stärker bevorzugt beträgt der T_g mindestens 380°C, besonders bevorzugt mindestens 400°C, am stärksten bevorzugt mindestens 420°C.
H_v des optischen amplifizierenden Glases der vorliegenden Erfindung beträgt vorzugsweise mindestens 3,6 GPa. Wenn sie weniger als 3,6 GPa beträgt, bricht es gewöhnlich, wenn es zu einer Faser geformt wird. Stärker bevorzugt beträgt H_v mindestens 3,7 GPa, besonders bevorzugt mindestens 3,8 GPa, am stärksten bevorzugt mindestens 4,0 GPa.
In der vorliegenden Erfindung wird Tm zu der Glasmatrix dotiert, um eine optische verstärkende Funktion zu verleihen. Wenn die Glasmatrix als 100% verwendet wird, wenn die Menge an Masse-% von Tm, die zugegeben werden soll (die Tm-Menge), weniger als 0,001% beträgt, ist der optische Verstärkungsfaktor gewöhnlich gering. Er beträgt vorzugsweise mindestens 0,01%, stärker bevorzugt mindestens 0,05%. Wenn die Menge 10% überschreitet, ist die Verglasung gewöhnlich schwierig, oder aufgrund der Konzentrationslöschung wird sich der optische Verstärkungsfaktor gewöhnlich ziemlich verringern. Vorzugsweise beträgt er höchstens 1%, stärker bevorzugt höchstens 0,5%.
Die Glasmatrix der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben, wobei Mol-% einfach als % bezeichnet werden.
Bi₂O₃ ist eine wichtige Komponente. Wenn ihr Gehalt weniger als 15% beträgt, verringert sich gewöhnlich der optische Verstärkungsfaktor oder es findet Phasentrennung statt. Wenn er 80% überschreitet, ist die Verglasung gewöhnlich schwierig, findet die Entglasung wahrscheinlich während der Verarbeitung zu einer Faser statt oder ist der T_g gewöhnlich zu niedrig.
SiO₂, B₂O₃ und GeO₃ ist jeweils ein Netzwerkbildner, und zumindest eine der drei Komponenten muß eingeführt werden. Wenn keine der drei Komponenten eingeführt wird, werden Kristalle während der Herstellung des Glases ausfallen, und die Bildung des Glases wird gewöhnlich schwierig sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Glasmatrix zumindest entweder eines von SiO₂ und B₂O₃ (Glasmatrix A).
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Glasmatrix GeO₂ (Glasmatrix B).
Zunächst wird die Glasmatrix A beschrieben.
Bi₂O₃ ist eine wichtige Komponente, wie oben erwähnt. Ihr Gehalt beträgt vorzugsweise mindestens 21%, stärker bevorzugt mindestens 25%, besonders bevorzugt mindestens 30%, am stärksten bevorzugt mindestens 38%. Außerdem beträgt ihr Gehalt vorzugsweise höchstens 70%, stärker bevorzugt höchstens 60%, besonders bevorzugt höchstens 55%, am stärksten bevorzugt höchstens 48%.
Die Glasmatrix muß mindestens entweder eines von SiO₂ oder B₂O₃ enthalten. Es kann nämlich nur SiO₂, ohne das es B₂O₃ enthält, oder nur B₂O₃, ohne das es SiO₂ enthält, enthalten oder es kann sowohl SiO₂ als auch B₂O₃ enthalten.
Der Gesamtgehalt von SiO₂ und B₂O₃ beträgt vorzugsweise 5 bis 75%. Wenn der Gesamtgehalt weniger als 5% beträgt, ist die Verglasung gewöhnlich schwierig, oder die Entglasung findet wahrscheinlich während der Verarbeitung zu einer Faser statt. Er beträgt vorzugsweise mindestens 20%, stärker bevorzugt mindestens 25%, besonders bevorzugt mindestens 30%, am stärksten bevorzugt mindestens 40%. Wenn er 75% überschreitet, verringert sich gewöhnlich der optische Verstärkungsfaktor, oder es wird wahrscheinlich Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser stattfinden. Er beträgt stärker bevorzugt höchstens 70%, besonders bevorzugt höchstens 65%, am stärksten bevorzugt höchstens 60%.
Wenn SiO₂ eingeführt wird, beträgt sein Gehalt vorzugsweise höchstens 75%. Wenn er 75% überschreitet, verringert sich gewöhnlich der optische Verstärkungsfaktor, oder es findet wahrscheinlich Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser statt. Stärker bevorzugt beträgt er höchstens 60%. Um außerdem die Verglasung zu erleichtern, beträgt der Gehalt vorzugsweise höchstens 10%.
Wenn B₂O₃ eingeführt wird, beträgt sein Gehalt höchstens 75%. Wenn er 75% überschreitet, verringert sich gewöhnlich der optische Verstärkungsfaktor, oder es findet wahrscheinlich Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser statt. Stärker bevorzugt beträgt er höchstens 60%. Um außerdem die Verglasung zu erleichtern, beträgt der Gehalt mindestens 15%, stärker bevorzugt mindestens 20%.
TeO₂ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 20% eingeführt werden, da es dahingehend wirksam ist, den optischen Verstärkungsfaktor zu erhöhen. Wenn es 20% überscheitet, werden wahrscheinlich Kristalle während der Herstellung des Glases ausfallen, wodurch die Durchlässigkeit des Glases gewöhnlich gering wird. Vorzugswei se beträgt es höchstens 10%, stärker bevorzugt höchstens 5%. Wenn TeO₂ eingeführt wird, beträgt sein Gehalt vorzugsweise mindestens 1%, stärker bevorzugt mindestens 2%.

Die Glasmatrix A besteht vorzugsweise im wesentlichen aus, wie durch Mol-%, basierend auf den folgenden Oxiden, dargestellt:

Bi₂O₃	21 bis 80%,
SiO₂	0 bis 75%,
B₂O₃	0 bis 75%,
CeO₂	0 bis 10%,
Ga₂O₃	0 bis 20%,
Al₂O₃	0 bis 20%,
TeO₂	0 bis 20%,
Li₂O	0 bis 10%,
TiO₂	0 bis 10%,
ZrO₂	0 bis 10%,
SnO₂	0 bis 10% und
WO₃	0 bis 10%.

Bi₂O₃, SiO₂, B₂O₃ und TeO₂ sind bereits im vorhergehenden erläutert worden, und andere Komponenten als diese vier Komponenten werden nachstehend beschrieben.
CeO₂ ist nicht wichtig, kann aber innerhalb eines Bereiches von bis zu 10% eingeführt werden, um die Reduktion von Bi₂O₃ in der Glaszusammensetzung während des Schmelzens des Glases zu unterdrücken, wodurch metallisches Wismut ausfällt, und wodurch die Transparenz des Glases verschlechtert wird. Wenn es 10% überschreitet, ist die Verglasung gewöhnlich schwierig, oder die Verfärbung mit einer gelben Farbe oder einer orangen Farbe ist gewöhnlich kräftig, wodurch die Durchlässigkeit des Glases gewöhnlich verringert wird, und gewöhnlich erhöht sich der Hintergrundverlust bei einer Anregungslichtwellenlänge oder einer Signallichtwellenlänge. Es beträgt vorzugsweise höchstens 5%, stärker bevorzugt höchstens 1%, besonders bevorzugt höchstens 0,5%. Wenn CeO₂ eingeführt wird, beträgt sein Ge halt vorzugsweise mindestens 0,01%, stärker bevorzugt mindestens 0,05%, besonders bevorzugt mindestens 0,1%. In einem Fall, wo es wünschenswert ist, die Verschlechterung der Durchlässigkeit des Glases zu vermeiden, beträgt der Gehalt von CeO₂ vorzugsweise weniger als 0,15%, und stärker bevorzugt wird im wesentlichen kein CeO₂ eingeführt.
Ga₂O₃ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 20% eingeführt werden, um die Wellenlängenbreite zu erhöhen, bei der die Verstärkung erhältlich ist, oder um die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken. Wenn es 20% überschreitet, fallen gewöhnlich Kristalle während der Herstellung des Glases aus, wodurch die Durchlässigkeit des Glases wahrscheinlich verschlechtert wird. Es beträgt stärker bevorzugt höchstens 18%, besonders bevorzugt höchstens 15%, stärker bevorzugt höchstens 10%. Wenn Ga₂O₃ eingeführt wird, beträgt sein Gehalt vorzugsweise mindestens 0,1%, stärker bevorzugt mindestens 1%, besonders bevorzugt mindestens 2%.
Al₂O₃ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 20% eingeführt werden, um die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken. Wenn es 20% überschreitet, fallen gewöhnlich Kristalle während der Herstellung des Glases aus, wodurch die Durchlässigkeit des Glases gewöhnlich verschlechtert wird. Es beträgt stärker bevorzugt höchstens 15%, besonders bevorzugt höchstens 11%. Wenn Al₂O₃ eingeführt wird, beträgt sein Gehalt vorzugsweise mindestens 0,1%, stärker bevorzugt mindestens 1%, besonders bevorzugt mindestens 2%.
Der Gesamtgehalt von Ga₂O₃, Al₂O₃ und TeO₂ beträgt vorzugsweise höchstens 40%. Wenn der Gesamtgehalt 40% überschreitet, fallen Kristalle gewöhnlich während der Herstellung des Glases aus, wodurch die Durchlässigkeit des Glases wahrscheinlich verschlechtert wird. Er beträgt stärker bevorzugt höchstens 30%, besonders bevorzugt höchstens 25%, am stärksten bevorzugt höchstens 20%. Außerdem beträgt der Gesamtgehalt vorzugsweise mindestens 2%, stärker bevorzugt mindestens 4%.
Jedes von Li₂O, TiO₂, ZrO₂ und SnO₂ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 10% eingeführt werden, um die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken.
WO₃ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 10% eingeführt werden, um die Wellenlängenbreite zu erhöhen, bei der die Verstärkung erhältlich ist. Wenn es 10% überschreitet, verschlechtert sich gewöhnlich der optische Verstärkungsfaktor.
Die Matrix A als eine bevorzugte Ausführungsform besteht im wesentlichen aus den oben beschriebenen Komponenten, kann aber andere Komponenten innerhalb eines Bereiches enthalten, der den Zweck der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt. Beispielsweise kann sie ZnO, MgO, CaO, SrO, BaO, Na₂O, K₂O, Cs₂O, GeO₂, CdO, PbO, La₂O₃ usw. enthalten, um die Bildung des Glases zu erleichtern, und um die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken.
Außerdem kann als ein Sensibilisator Tb₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Nd₂O₃, Eu₂O₃ usw. eingeführt werden. Wenn Tb₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Nd₂O₃ und Eu₂O₃ eingeführt werden, beträgt der Gehalt jeder Komponente vorzugsweise mindestens 0,001%, stärker bevorzugt mindestens 0,01%, besonders bevorzugt mindestens 0,1%.
Außerdem ist PbO vorzugsweise im wesentlichen nicht enthalten, da es wahrscheinlich die Vickers-Härte verschlechtert.
Der Gesamtgehalt der oben beschriebenen anderen Komponenten beträgt vorzugsweise höchstens 10%. Außerdem beträgt der Gesamtgehalt von Tb₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Nd₂O₃ und Eu₂O₃ vorzugsweise höchstens 2%, stärker bevorzugt höchstens 1,5%, besonders bevorzugt höchstens 1%.
Eine Ausführungsform der Glasmatrix A, die Na₂O enthält und wodurch die Verglasung leicht ist, und die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser kaum stattfindet, wird nun beschrieben.
Zunächst besteht eine Ausführungsform im wesentlichen, wie durch Mol-%, basierend auf den folgenden Oxiden, dargestellt, aus 15 bis 80% Bi₂O₃, 1 bis 75% SiO₂, 0 bis 10% CeO₂, 0 bis 25% Ga₂O₃, 0 bis 10% Al₂O₃ und 1 bis 9% Na₂O. Stärker bevorzugt besteht sie im wesentlichen aus 30 bis 50% Bi₂O₃, 5 bis 40% SiO₂, 0 bis 0,5% CeO₂, 5 bis 22% Ga₂O₃, 1 bis 10% Al₂O₃ und 1 bis 9% Na₂O. Die Glasmatrix einer solchen Ausführungsform besteht im wesentlichen aus den oben beschriebenen Komponenten, kann aber andere Komponenten innerhalb eines Bereiches enthalten, der den Zweck der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt.
Zusammensetzungsbeispiele A1 bis A4, wie durch Mol-% dargestellt, der Glasmatrix einer solchen Ausführungsform werden in Tabelle 1 gezeigt. In der Tabelle wurde der T_g durch eine Differentialthermoanalyse (Einheit: °C) erhalten.
Tabelle 1
Eine andere Ausführungsform der Glasmatrix A, die Na₂O enthält, und wodurch die Verglasung leicht ist und die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser kaum stattfindet, besteht im wesentlichen aus, wie durch Mol-%, basierend auf den folgenden Oxiden, dargestellt:

Bi₂O₃ 15 bis 53%,

SiO₂ 22 bis 50%,

CeO₂ 0 bis 10%,

Ga₂O₃ 15 bis 35%,

Al₂O₃ 0 bis 9%,

Na₂O 9,1 bis 20%,

ZnO 0 bis 4,5% und

BaO 0 bis 4,5%,

wobei Bi₂O₃/(SiO₂ + Ga₂O₃)(hierin nachstehend wird dieses Verhältnis als das Bi₂O₃-Verhältnis bezeichnet) 0,30 bis 0,80 beträgt, und Na₂O/(Bi₂O₃ + Ga₂O₃ + Al₂O₃ + BaO + ZnO)(hierin nachstehend wird dieses Verhältnis als das Na₂O-Verhältnis bezeichnet) 0,15 bis 0,26 beträgt. Die Glasmatrix einer solchen Ausführungsform besteht im wesentlichen aus den oben beschriebenen Komponenten, kann aber andere Komponenten innerhalb eines Bereiches enthalten, der den Zweck der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt. Außerdem ist es stärker bevorzugt, daß CeO₂ 0 bis 0,5% beträgt, und das Bi₂O₃-Verhältnis 0,30 bis 0,79 beträgt.
Zusammensetzungsbeispiele B1 bis B11, wie durch Mol-% dargestellt, der Glasmatrix einer solchen Ausführungsform werden in Tabelle 2 gezeigt. In bezug auf B1 bis B6 wurde T_g durch DTA (Einheit: °C) erhalten.
Tabelle 2
Die Glasmatrix B wird nun beschrieben.
Wie oben erwähnt, ist Bi₂O₃ eine wichtige Komponente. Ihr Gehalt beträgt vorzugsweise mindestens 15,5%, stärker bevorzugt mindestens 20%, noch stärker bevorzugt mindestens 25%, besonders bevorzugt mindestens 30%, am stärksten bevorzugt mindestens 35%. Außerdem beträgt ihr Gehalt vorzugsweise höchstens 70%, stärker bevorzugt höchstens 60%, besonders bevorzugt höchstens 55%, am stärksten bevorzugt höchstens 48%.
GeO₂ ist wichtig. Der Gehalt von GeO₂ beträgt vorzugsweise 5 bis 80%. Wenn er weniger als 5% beträgt, ist die Verglasung gewöhnlich schwierig, oder Entglasung findet wahrscheinlich während der Verarbeitung zu einer Faser statt. Er beträgt stärker bevorzugt mindestens 15%, besonders bevorzugt mindestens 20%, am stärksten bevorzugt mindestens 25%. Wenn er 80% überschreitet, verschlechtert sich wahrscheinlich der optische Verstärkungsfaktor, oder Entglasung findet wahrscheinlich während der Verarbeitung zu einer Faser statt. Er beträgt stärker bevorzugt höchstens 75%, besonders bevorzugt höchstens 60%, am stärksten bevorzugt höchstens 55%.
Ga₂O₃ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 30% eingeführt werden, um die Wellenlängenbreite zu erhöhen, bei der die Verstärkung erhältlich ist, oder um die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken. Wenn es 30% überschreitet, werden wahrscheinlich Kristalle während der Herstellung des Glases ausfallen, wodurch sich die Durchlässigkeit des Glases gewöhnlich verschlechtert. Es beträgt vorzugsweise höchstens 25%. Wenn Ga₂O₃ eingeführt wird, beträgt sein Gehalt vorzugsweise mindestens 0,5%, stärker bevorzugt mindestens 1%, besonders bevorzugt mindestens 3%, am stärksten bevorzugt mindestens 5%.
CeO₂ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 10% eingeführt werden, um die Reduktion von Bi₂O₃ in der Glaszusammensetzung während des Schmelzens des Glases zu unterdrücken, wodurch metallisches Wismut ausfällt und wodurch die Transparenz des Glases verschlechtert wird. Wenn es 10% überschreitet, ist die Verglasung gewöhnlich schwierig, oder die Verfärbung mit einer gelben Farbe oder einer orangen Farbe ist gewöhnlich kräftig, wodurch die Durchlässigkeit des Glases gewöhnlich verringert wird, und der Hintergrundverlust sich gewöhnlich bei einer Anregungs lichtwellenlänge oder einer Signallichtwellenlänge erhöht. Es beträgt vorzugsweise höchstens 1%, stärker bevorzugt höchstens 0,5%, besonders bevorzugt höchstens 0,3%. Wenn CeO₂ eingeführt wird, beträgt sein Gehalt vorzugsweise mindestens 0,01%, stärker bevorzugt mindestens 0,05%, besonders bevorzugt mindestens 0,1%. Außerdem beträgt in einem Fall, wo es wünschenswert ist, die Verschlechterung der Durchlässigkeit des Glases zu vermeiden, der Gehalt von CeO₂ vorzugsweise weniger als 0,15%, und stärker bevorzugt wird im wesentlichen kein CeO₂ eingeführt.
Es ist bevorzugt, daß Ga₂O₃ oder CeO₂ enthalten ist, und der Gesamtgehalt von Bi₂O₃, GeO₂, Ga₂O₃ und CeO₂, d. h. Bi₂O₃ + GeO₂ + Ga₂O₃ + CeO₂, mindestens 70% beträgt.
Außerdem werden stärker bevorzugt 15 bis 48% Bi₂O₃, 15 bis 60% GeO₂, 0,5 bis 25% Ga₂O₃ und 0,1 bis 0,3% CeO₂ eingeführt. Noch stärker bevorzugt werden 15 bis 48% Bi₂O₃, 25 bis 60% GeO₂, 5 bis 25% Ga₂O₃ und 0,1 bis 0,3% CeO₂ eingeführt.

Die Glasmatrix B besteht vorzugsweise im wesentlichen aus, wie durch Mol-%, basierend auf den folgenden Oxiden, dargestellt:

Bi₂O₃	15 bis 80%,
GeO₂	5 bis 80%,
Ga₂O₃	0 bis 30%,
CeO₂	0 bis 10%,
WO₃	0 bis 10%,
TeO₂	0 bis 20%,
Al₂O₃	0 bis 30%,
Li₂O	0 bis 10%,
Na₂O	0 bis 20%,
K₂O	0 bis 20%,
ZnO	0 bis 20%,
MgO	0 bis 20%,
CaO	0 bis 20%,

SrO	0 bis 20%,
BaO	0 bis 20%,
TiO₂	0 bis 10%,
ZrO₂	0 bis 10% und
SnO₂	0 bis 10%.

Bi₂O₃, GeO₂, Ga₂O₃ und CeO₂ sind zuvor erläutert worden, und andere Komponenten als diese vier Komponenten werden nachstehend beschrieben.
WO₃ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 10% eingeführt werden, um die Wellenlängenbreite zu erhöhen, bei der die Verstärkung erhältlich ist. Wenn es 10% überschreitet, kann sich der optische Verstärkungsfaktor verschlechtern.
TeO₂ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 20% eingeführt werden, um den optischen Verstärkungsfaktor zu erhöhen. Wenn es 20% überschreitet, werden gewöhnlich Kristalle während der Herstellung des Glases ausfallen, wodurch die Durchlässigkeit des Glases wahrscheinlich verschlechtert wird. Es beträgt vorzugsweise höchstens 10%, stärker bevorzugt höchstens 5%. Wenn TeO₂ eingeführt wird, beträgt sein Gehalt vorzugsweise mindestens 1%, stärker bevorzugt mindestens 2%.
Al₂O₃ ist nicht wichtig, kann aber bis zu 30% eingeführt werden, um die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken. Wenn es 30% überschreitet, können Kristalle während der Herstellung des Glases ausfallen, wodurch die Durchlässigkeit des Glases gewöhnlich verschlechtert wird. Es beträgt stärker bevorzugt höchstens 20%, besonders bevorzugt höchstens 15%. Wenn Al₂O₃ eingeführt wird, beträgt sein Gehalt vorzugsweise mindestens 0,1%, stärker bevorzugt mindestens 1%, besonders bevorzugt mindestens 2%.
Der Gesamtgehalt von Ga₂O₃, Al₂O₃ und TeO₂ beträgt vorzugsweise höchstens 50%. Wenn er 50% überschreitet, werden wahrscheinlich Kristalle während der Herstellung des Glases ausfallen, wodurch die Durchlässigkeit des Glases gewöhnlich verschlechtert wird. Er beträgt vorzugsweise höchstens 30%, besonders bevor zugt höchstens 25%, am stärksten bevorzugt höchstens 20%. Außerdem beträgt der Gesamtgehalt vorzugsweise mindestens 2%, stärker bevorzugt mindestens 4%.
Li₂O, Na₂O und K₂O sind jeweils nicht wichtig, können aber bis zu 10%, 20% bzw. 20% eingeführt werden, um die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken.
ZnO, MgO, CaO, SrO und BaO sind jeweils nicht wichtig, können aber bis zu jeweils 20% eingeführt werden, um die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken.
TiO₂, ZrO₂ und SnO₂ sind jeweils nicht wichtig, können aber bis zu jeweils 10% eingeführt werden, um die Entglasung während der Verarbeitung der Faser zu unterdrücken.
Die Glasmatrix B als eine bevorzugte Ausführungsform besteht im wesentlichen aus den oben beschriebenen Komponenten, können aber außerdem andere Komponenten innerhalb eines Bereiches enthalten, der den Zweck der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt. Der Gesamtgehalt solcher anderen Komponenten beträgt vorzugsweise höchstens 10%.
Solche anderen Komponenten werden beschrieben.
Um die Bildung von Glas zu erleichtern, oder um die Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken, können Cs₂O, CdO, PbO, Y₂O₃, La₂O₃ usw. eingeführt werden.
Als ein Sensibilisator können Tb₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃, Yb₂O₃ usw. eingeführt werden. Wenn Tb₂O₃, Dy₂O₃, Ho₂O₃ oder Yb₂O₃ eingeführt wird, beträgt der Gehalt jeder Komponente vorzugsweise mindestens 0,001%, stärker bevorzugt mindestens 0,01%, besonders bevorzugt mindestens 0,1%.
Außerdem ist PbO vorzugsweise im wesentlichen nicht enthalten, da es die H_v verschlechtert.
Außerdem wird SiO₂ oder B₂O₃ vorzugsweise im wesentlichen nicht eingeführt, da es die Multiphononenrelaxation gewöhnlich erhöht.
Es gibt keine besondere Einschränkung im Hinblick auf das Verfahren zur Herstellung des optischen amplifizierenden Glases der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise kann das optische amplifizierende Glas der vorliegenden Erfindung durch ein Schmelzverfahren hergestellt werden, bei dem die Ausgangsmaterialien gemischt, in einen Platintiegel, einen Platin-Goldlegierungs-Tiegel, einen Aluminiumoxidtiegel, einen Quarztiegel oder einen Iridiumtiegel gegeben und bei einer Temperatur von 800 bis 1.300°C in Luft geschmolzen werden, und die erhaltene Schmelze (geschmolzenes Glas) wird in eine vorgeschriebene Form gegossen. Um den Wassergehalt in dem Glas zu verringern und dadurch eine Erhöhung der Multiphononenrelaxation zu unterdrücken, ist die Feuchtigkeit in der Schmelzatmosphäre bei dem Schmelzverfahren vorzugsweise so gering wie möglich, und für diesen Zweck ist es bevorzugt, Trockenstickstoff, Trockensauerstoff oder Trockenluft einzusetzen.
Außerdem kann das optische amplifizierende Glas der vorliegenden Erfindung durch ein anderes Verfahren als das Schmelzverfahren hergestellt werden, wie ein Sol/Gel-Verfahren oder ein Gasphasenaufdampfungsverfahren. Außerdem kann aus dem so hergestellten optischen amplifizierenden Glas der vorliegenden Erfindung eine Vorform hergestellt und zu einer Faser geformt werden, oder ein solches Glas kann zu einer Faser durch ein Doppeltiegelverfahren geformt werden, um eine optische amplifizierende Glasfaser zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung wird nun in bezug auf die Beispiele ausführlicher beschrieben. Jedoch sollte es verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung keineswegs auf diese speziellen Beispiele beschränkt ist.
Beispiele
Gläser wurden hergestellt, die Tm aufwiesen, dotiert in den in Tabelle 3 gezeigten Mengen, bezogen auf Masseprozent in der Zeile für Tm, zu Gläsermatrizes (wobei jede davon die Glasmatrix A ist) mit den Zusammensetzungen, gezeigt durch Mol-% in den Zeilen für Bi₂O₃ bis TeO₂ in Tabelle 3. T_g, erhalten durch DTA, wird in Tabelle 3 gezeigt (Einheit: °C). Außerdem wird in bezug auf Beispiel 2 H_v ebenso gezeigt (Einheit: MPa).
In bezug auf das Glas von Beispiel 1 wurde Licht mit einer Wellenlänge von 800 nm mittels einer Halbleiter-Laserdiode (Output: 1 W) ausgestrahlt, und das Emissionsspektrum bei einer Wellenlänge von 1.300 bis 1.600 nm wurde unter Verwendung von PbS als ein Detektor gemessen. Die Ergebnisse werden in 1 gezeigt, wobei die Emissionsintensität eine beliebige Einheit aufweist. In der Nähe der Wellenlänge von 1.470 nm wurde der Emissionspeak (die Halbwertsbreite: etwa 120 nm), der dem Übergang von Tm von ³H₄ zu ³F₄ zuzuschreiben ist, beobachtet. Folglich ist die optische Verstärkung des S⁺-Bandes (Wellenlänge: 1.450 bis 1.490 nm) und des S-Bandes (Wellenlänge: 1.490 bis 1.530 nm) beispielsweise durch ein Upconversion-Verfahren möglich.
Tabelle 3
Außerdem wurden Gläser hergestellt, die Tm aufwiesen, dotiert in den in den Tabellen 4 bis 7 gezeigten Mengen, bezogen auf Masseprozent in der Zeile für Tm, zu Glasmatrizes (wobei jede davon die Glasmatrix B ist) mit den Zusammensetzungen, dargestellt durch das Molverhältnis in den Zeilen für Bi₂O₃ bis BaO in den Tabellen 4 bis 7. T_g, erhalten durch DTA, und die Kristallisationsinitiierungstemperatur T_x werden in den Tabellen gezeigt (Einheit: °C). Außerdem wird in bezug auf die Beispiele 11 und 15 H_v ebenso gezeigt (Einheit: MPa).
Hier ist T_x die Temperatur, bei der der von der Kristallisation begleitete Wärmeerzeugungspeak zu steigen beginnt, und ist eine Indextemperatur zur Initiierung der Kristallisation.
T_x–T_g beträgt vorzugsweise mindestens 50°C. Wenn es weniger als 50°C beträgt, findet wahrscheinlich Entglasung während der Verarbeitung zu einer Faser statt. Es beträgt stärker bevorzugt mindestens 70°C, besonders bevorzugt mindestens 130°C, am stärksten bevorzugt mindestens 150°C.
Außerdem wurde in bezug auf das Glas von Beispiel 11 in derselben Weise wie für das Glas von Beispiel 1 das Emissionsspektrum bei einer Wellenlänge von 1.300 bis 1.600 nm gemessen. Die Ergebnisse werden in 2 gezeigt, wobei die Emissionsintensität eine beliebige Einheit aufweist. Der Emissionspeak (die Halbwertsbreite: 122 nm), der dem Übergang von Tm von ³H₄ zu ³F₄ zuzuschreiben ist, wurde in der Nähe einer Wellenlänge von 1.470 nm beobachtet. Folglich ist, wie in bezug auf das Glas von Beispiel 1 oben erwähnt, die Lichtverstärkung des S⁺-Bandes und des S-Bandes möglich.
Außerdem beträgt die Halbwertsbreite Δλ 122 nm, und die Wellenlängenbreite, bei der die Verstärkung erhältlich ist, ist größer als das konventionell Tm-eingeführte Glas, und ist als ein optisches amplifizierendes Glas ausgezeichnet. Ebenso wurde in bezug auf die Beispiele 12 bis 15, 20 bis 23 und 34 Δλ in derselben Weise gemessen. Die Ergebnisse werden in den Tabellen gezeigt (Einheit: nm).
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, ein optisches amplifizierendes Glas zu erhalten, das kaum einer thermischen Schädigung unterliegt, selbst wenn ein Laserstrahl mit einer hohen Intensität als ein Anregungslicht verwendet wird; das kaum bricht, selbst wenn es zu einer Faser geformt wird, und wodurch die optische Verstärkung des S⁺-Bandes und des S-Bandes möglich ist, und die Wellenlängenbreite, bei der die Verstärkung erhältlich ist, groß ist, wodurch die Übertragung von Informationen einer großen Kapazität durch ein Wellenlängen-Multiplexing-Übertragungssystem ebenso mit dem S⁺-Band und dem S-Band möglich wird.
Die vollständigen Offenbarungen der japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-242407, angemeldet am 10. August 2000, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2000-351621, angemeldet am 17. November 2000, einschließlich Beschreibungen, Ansprüchen, Zeichnungen und Zusammenfassungen, werden hierin als Verweise in ihrer Gesamtheit aufgenommen.

Claims

Optisches amplifizierendes Glas, umfassend eine Glasmatrix und von 0,001 bis 10 Masse-% Tm, dotiert zu der Glasmatrix, wobei die Glasmatrix von 15 bis 80 Mol-% Bi₂O₃ enthält und weiter mindestens eine Komponente, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus SiO₂, B₂O₃ und GeO₂, enthält.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 1, wobei die Glasmatrix mindestens eines von SiO₂ und B₂O₃ enthält.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Glasmatrix von 21 bis 80 Mol-% Bi₂O₃ enthält.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Glasmatrix von 0 bis 20 Mol-% TeO₂ enthält.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Glasmatrix im wesentlichen besteht aus, wie durch Mol-%, basierend auf den folgenden Oxiden, dargestellt: Bi₂O₃ 21 bis 80%, SiO₂ 0 bis 75%, B₂O₃ 0 bis 75%, CeO₂ 0 bis 10%, Ga₂O₃ 0 bis 20%, Al₂O₃ 0 bis 20%, TeO₂ 0 bis 20%, Li₂O 0 bis 10%,

TiO₂ 0 bis 10%, ZrO₂ 0 bis 10%, SnO₂ 0 bis 10%, und WO₃ 0 bis 10%.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Glasmatrix im wesentlichen besteht aus, wie durch Mol-%, basierend auf den folgenden Oxiden, dargestellt: Bi₂O₃ 15 bis 80%, SiO₂ 1 bis 75%, CeO₂ 0 bis 10%, Ga₂O₃ 0 bis 25%, Al₂O₃ 0 bis 10%, und Na₂O 1 bis 9%.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Glasmatrix im wesentlichen besteht aus, wie durch Mol-%, basierend auf den folgenden Oxiden, dargestellt: Bi₂O₃ 15 bis 53%, SiO₂ 22 bis 50%, CeO₂ 0 bis 10%, Ga₂O₃ 15 bis 35%, Al₂O₃ 0 bis 9%, Na₂O 9,1 bis 20%, ZnO 0 bis 4,5%, und BaO 0 bis 4,5%,

worin Bi₂O₃/(SiO₂ + Ga₂O₃) von 0,30 bis 0,80 beträgt, und Na₂O/(Bi₂O₃ + Ga₂O₃ + Al₂O₃ + BaO + ZnO) von 0,15 bis 0,26 beträgt.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 1, wobei die Glasmatrix GeO₂ enthält.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 8, wobei die Glasmatrix Ga₂O₃ oder CeO₂ enthält und Bi₂O₃ + GeO₂ + Ga₂O₃ + CeO₂ mindestens 70 Mol-% beträgt.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Glasmatrix im wesentlichen besteht aus, wie durch Mol-%, basierend auf den folgenden Oxiden, dargestellt: Bi₂O₃ 15 bis 80%, GeO₂ 5 bis 80%, Ga₂O₃ 0 bis 30%, CeO₂ 0 bis 10%, WO₃ 0 bis 10%, TeO₂ 0 bis 20%, Al₂O₃ 0 bis 30%, Li₂O 0 bis 10%, Na₂O 0 bis 20%, K₂O 0 bis 20%, ZnO 0 bis 20%, MgO 0 bis 20%, CaO 0 bis 20%, SrO 0 bis 20%, BaO 0 bis 20%, TiO₂ 0 bis 10%, ZrO₂ 0 bis 10%, und SnO₂ 0 bis 10%.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die Glasmatrix von 15 bis 48 Mol-% Bi₂O₃, von 15 bis 60 Mol-% GeO₂, von 0,5 bis 25 Mol-% Ga₂O₃ und von 0,1 bis 0,3 Mol-% CeO₂ beträgt.
Optisches amplifizierendes Glas nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11, wobei das Glasmatrix weder SiO₂ noch B₂O₃ enthält.
Optisches amplifizierendes Glas nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches einen Glasübergangspunkt von mindestens 360°C aufweist.
Optisches amplifizierendes Glas nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches eine Vickers-Härte von mindestens 3,6 GPa aufweist.