DE60201399T2

DE60201399T2 - Optisch verstärkendes Glas und Lichtwellenleiter

Info

Publication number: DE60201399T2
Application number: DE60201399T
Authority: DE
Inventors: Seiki Kanagawa-ku Ohara; Hideaki Kanagawa-ku Hayashi; Naoki Kanagawa-ku Sugimoto; Katsuhiro Kanagawa-ku Ochiai; Yasuji Kanagawa-ku Fukasawa; Takeshi Kanagawa-ku Hirose; Manuel Kanagawa-ku Reyes
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: US20030118316A1; TW575527B; SG107615A1; CN1412139A; ES2229040T3; KR20030030942A; DE60201399D1; CN1233581C; HK1054540A1; KR100848025B1; DK1302450T3; US6819860B2; JP4232414B2; ATE277873T1; EP1302450A1; CA2407361C; JP2003183049A; EP1302450B1; CA2407361A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisch vergrößerndes bzw. verstärkendes Glas, das zur Verstärkung von Licht mit einer Wellenlänge von 1530 bis 1630 nm geeignet ist.
Als optisches Kommunikationssystem, das mit der Diversifizierung von Kommunikationsdienstleistungen Schritt halten kann, wurde ein Wellenlängen-Multiplexkommunikationssystem (WDM) vorgeschlagen, um die Übertragungskapazität durch Erhöhen der Anzahl der Wellenlängen-Multiplexkanäle zu erhöhen.
Beispielsweise bei einem WDM, bei dem Licht in einem C-Band (Wellenlänge: 1530 bis 1560 nm) oder einem L-Band (Wellenlänge: 1570 bis 1620 nm) als Signallicht verwendet wird, ist ein derartiger Lichtleitfaserverstärker essentiell, der ein Signallicht verstärkt. Als derartiger Verstärker wurde der EDFA entwickelt.
Der EDFA ist ein Lichtleitfaserverstärker, bei dem der Kern der Lichtleitfaser ein Er-dotiertes Glas ist. Ein Beispiel für eine derartige Lichtleitfaser ist z. B. eine Er-dotierte SiO₂-Faser, bei welcher der Kern aus einem SiO₂-Glas besteht, oder eine Er-dotierte Fluoridglasfaser, bei welcher der Kern aus einem Fluoridglas besteht.
Ein EDFA, bei dem die Er-dotierte SiO₂-Faser verwendet wird, weist jedoch ein Problem dahingehend auf, dass die Länge der Lichtleitfaser typischerweise mindestens 20 m beträgt und die Lichtleitfaser zu einer Spule gewickelt wurde, um sie in einen EDFA-Behälter einbringen zu können, der eine Größe von etwa 30 cm aufweist.
Ein EDFA, bei dem eine Er-dotierte Fluoridglasfaser verwendet wird, wies jedoch einen Nachteil dahingehend auf, dass deren Glasübergangspunkt typischerweise höchstens 320°C beträgt, wodurch es wahrscheinlich ist, dass eine thermische Beschädigung resultiert, wenn die Intensität des Anregungslichts für die optische Verstärkung zunimmt.
Zur Lösung dieser Probleme beschreibt die JP-A-2001-102661 eine harzbeschichtete Glasfaser mit einer Länge von 6 cm, bei der bezüglich eines Signallichts mit einer Wellenlänge von 1,50 μm bis 1,59 μm und einer Intensität von 0,001 mW eine Verstärkung von mindestens 9 dB erhalten werden kann. Dabei beträgt die Länge 6 cm, wodurch es nicht erforderlich ist, die Glasfaser zu einer Spule zu wickeln. Ferner ist der Kern der vorstehend genannten harzbeschichteten Glasfaser ein Er-dotiertes Glas des Bismutoxidtyps (nachstehend als herkömmliches Glas bezeichnet), bei dem Er in einem Anteil von 0,6 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teilen einer Glasmatrix des Bismutoxidtyps zudotiert ist (in Mol-%, Bi₂O₃: 42,8%, B₂O₃: 28,5%, SiO₂: 14,3%, Ga₂O₃: 7,1%, Al₂O₃: 7,1% und CeO₂: 0,2%).
Die vorstehend genannte Verstärkung des herkömmlichen Glases ist eine Verstärkung bezüglich eines Falls, bei dem die Faserlänge 6 cm und die Intensität des Signallichts 0,001 mW beträgt. Es ist bekannt, dass die Verstärkung mit zunehmender Intensität des Signallichts abnimmt und eine Verstärkung in einem gewünschten Maß kann mit dem herkömmlichen Glas bezüglich eines Signallichts mit einer Intensität von etwa 0,1 mW nicht erhalten werden, das gewöhnlich z. B. für ein WDM verwendet wird.
Ferner kann ein Konversionswirkungsgrad in einem gewünschten Maß nicht erhalten werden, wenn das herkömmliche Glas zur Verstärkung von Licht innerhalb eines Wellenlängenbereichs verwendet wird, der das L-Band umfasst.
Die WO-A-01/55041 und die JP-A-2001-213635 beschreiben Erbium-dotierte Bismutoxidgläser, die bei der optischen Verstärkung verwendet werden. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisch verstärkendes Glas und einen Lichtwellenleiter bereitzustellen, welche die vorstehend genannten Probleme lösen können.
Die vorliegende Erfindung stellt ein optisch vergrößerndes bzw. verstärkendes Glas bereit, umfassend 100 Gew.-Teile einer Glasmatrix und von 0,1 bis 10 Gew.-Teile von zu der Glasmatrix zudotiertem Er, wobei die Glasmatrix Bi₂O₃, mindestens eine von B₂O₃ und SiO₂, mindestens einen Vertreter, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ga₂O₃, WO₃ und TeO₂, und La₂O₃ in einem derartigen Verhältnis umfasst, dass Bi₂O₃ von 20 bis 80 Mol-%, B₂O₃ + SiO₂ von 5 bis 75 Mol-%, Ga₂O₃ + WO₃ + TeO₂ von 0,1 bis 35 Mol-% und La₂O₃ von 0,01 bis 15 Mol-% betragen.
Ferner stellt die vorliegende Erfindung einen Lichtwellenleiter bereit, der das vorstehend genannte optisch verstärkende Glas als Kern umfasst.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen detailliert beschrieben.
Das erfindungsgemäße optisch verstärkende Glas (nachstehend als erfindungsgemäßes Glas bezeichnet) wird üblicherweise als Kern eines Lichtwellenleiters mit einer Kern/Umhüllung-Struktur verwendet, wie z. B. als Glasfaser mit dieser Struktur oder einem ebenen Wellenleiter mit dieser Struktur. Der erfindungsgemäße Wellenleiter ist ein derartiger Lichtwellenleiter.
Der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter ist zur Verstärkung von Licht mit einer Wellenlänge von 1530 bis 1630 nm, insbesondere von Licht im C-Band mit kurzer Wellenlänge geeignet. Ferner ist der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter zur Verstärkung von Licht im L-Band bei einem hohen Konversionswirkungsgrad geeignet.
Eine solche Verstärkung wird durch Einbringen eines Anregungslichts zusammen mit einem zu verstärkenden Licht (d. h. einem Signallicht) in den Kern durchgeführt. Als derartiges Anregungslicht wird gewöhnlich ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 970 bis 990 nm oder von 1470 bis 1490 nm verwendet. Zur Verstärkung von Licht im C-Band wird gewöhnlich ein Anregungslicht mit einer Wellenlänge von 970 bis 990 nm verwendet und zur Verstärkung von Licht im L-Band wird gewöhnlich ein Anregungslicht mit einer Wellenlänge von 1470 bis 1490 nm verwendet. Das Anregungslicht ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Wenn der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter zur Verstärkung von Licht im C-Band in einer Länge von 8 cm oder weniger verwendet wird, beträgt die Verstärkung für Licht mit einer Wellenlänge von 1530 nm bis 1560 nm und einer Intensität von 0,1 mW vorzugsweise mindestens 8 dB, wenn die Länge des Lichtwellenleiters 5 cm beträgt. Wenn die Verstärkung bei einer Länge von 5 cm weniger als 8 dB beträgt, kann das vorstehend genannte Problem nicht gelöst werden. Insbesondere dann, wenn die Länge 8 cm oder weniger beträgt, kann bezüglich eines Signallichts mit einer Intensität von 0,1 mW keine ausreichende Verstärkung erhalten werden. Die vorstehend genannte Verstärkung bei einer Länge von 5 cm beträgt mehr bevorzugt mindestens 9 dB.
Wenn der erfindungsgemäße Lichtwellenleiter zur Verstärkung von Licht in einem Wellenlängenbereich verwendet wird, der das L-Band umfasst, beträgt der Konversionswirkungsgrad η für Licht mit einer Wellenlänge von 1600 nm vorzugsweise mindestens 10%. Wenn der Konversionswirkungsgrad weniger als 10% beträgt, kann die gewünschte Verstärkung nicht erhalten werden. Der Konversionswirkungsgrad beträgt mehr bevorzugt mindestens 15%. Dabei ist η der Prozentsatz des Verhältnisses der Signallicht-Ausgangsintensität zur Anregungslichtintensität.
Es ist mehr bevorzugt, dass η mindestens 10% beträgt und die 3-dB down-Bandbreite („3-dB down bandwidth") für Licht mit einer Intensität von 1 mW in einem Wellenlängenbereich von 1530 bis 1620 nm mindestens 55 nm, besonders bevorzugt mindestens 60 nm beträgt.
Ferner ist es mehr bevorzugt, dass η mindestens 10% beträgt und die Verstärkung für Licht mit einer Wellenlänge von 1620 nm und einer Intensität von 1 mW mindestens 10 dB, besonders bevorzugt mindestens 15 dB beträgt.
Es ist besonders bevorzugt, dass η mindestens 10% beträgt und die 3-dB down-Bandbreite für Licht mit einer Intensität von 1 mW in einem Wellenlängenbereich von 1530 bis 1620 nm mindestens 55 nm und die Verstärkung für Licht mit einer Wellenlänge von 1620 nm und einer Intensität von 1 mW mindestens 10 dB beträgt.
In einer Lichtleitfaser, die das erfindungsgemäße Glas als Kern aufweist (nachstehend als erfindungsgemäße Lichtleitfaser bezeichnet), liegen der Kerndurchmesser und der Umhüllungsdurchmesser typischerweise bei 2 bis 10 μm bzw. bei 100 bis 200 μm.
Wenn die erfindungsgemäße Lichtleitfaser für einen EDFA verwendet wird, ohne zu einer Spule aufgewickelt zu werden, beträgt deren Länge vorzugsweise höchstens 8 cm, mehr bevorzugt höchstens 6 cm und besonders bevorzugt höchstens 5 cm.
Es ist bevorzugt, dass der Brechungsindex n₂ der Umhüllung der erfindungsgemäßen Lichtleitfaser und der Brechungsindex n₁ des Kerns, d. h. des erfindungsgemäßen Glases, die folgende Formel erfüllen. Dabei liegt n₁ typischerweise bei 1,8 bis 2,2. 0,0005 ≤ (n1 – n2)/n1 ≤ 0,1
Es ist ferner bevorzugt, dass die vorstehend genannte Umhüllung aus einem Glas hergestellt ist und es ist mehr bevorzugt, dass ein solches Glas im Wesentlichen aus 25 bis 70% Bi₂O₃, 5 bis 74,89% B₂O₃ + SiO₂, 0,1 bis 30% Al₂O₃ + Ga₂O₃ und 0,01 bis 10% CeO₂ besteht, angegeben in Mol-%.
Die erfindungsgemäße Lichtleitfaser kann z. B. durch Herstellen einer Vorform, bei der das Kernglas und das Umhüllungsglas mit einem bekannten Extrusionsverfahren kombiniert worden sind, und Ziehen einer solchen Vorform hergestellt werden.
Der Glasübergangspunkt T_g des erfindungsgemäßen Glases beträgt vorzugsweise mindestens 360°C. Wenn der T_g unter 360°C liegt, besteht eine Tendenz dahingehend, dass bei der Verwendung eines Laserstrahls mit hoher Intensität als Anregungslicht die Temperatur des Glases lokal hoch wird und das Glas thermisch beschädigt wird, wodurch der optische Verlust zunehmen kann und die optische Verstärkung dazu neigt, unzureichend zu sein. Mehr bevorzugt beträgt der Glasübergangspunkt mindestens 400°C, besonders bevorzugt mindestens 420°C.
Das erfindungsgemäße Glas umfasst eine Glasmatrix und Er.
Wenn die Menge des Er in der Glasmatrix weniger als 0,1 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teile der Glasmatrix beträgt, kann keine ausreichende Verstärkung erhalten werden. Vorzugsweise beträgt die Menge des Er mindestens 0,2 Gew.-Teile. Wenn sie 10 Gew.-Teile übersteigt, kann die Vitrifikation schwierig sein oder aufgrund einer Konzentrationslöschung kann die Verstärkung abnehmen. Die Menge des Er beträgt vorzugsweise höchstens 7 Gew.-Teile, mehr bevorzugt höchstens 4 Gew.-Teile und insbesondere höchstens 3 Gew.-Teile.
Wenn das erfindungsgemäße Glas als Lichtleitfaser (die Länge beträgt typischerweise höchstens 8 cm), die für EDFA eingesetzt werden soll, ohne zu einer Spule gewickelt zu werden, oder für einen kompakten ebenen Wellenleiter verwendet werden soll (die Länge beträgt typischerweise höchstens 8 cm), der für einen EDFA eingesetzt werden soll, wird Er vorzugsweise in einer Menge von mindestens 0,5 Gew.-Teilen, mehr bevorzugt von mindestens 0,8 Gew.-Teilen und besonders bevorzugt von mindestens 1,0 Gew.-Teilen pro 100 Gew.-Teilen der Glasmatrix einbezogen.
Der Er-Anteil beträgt in diesen Fällen vorzugsweise 1 bis 3 Gew.-Teile, mehr bevorzugt 1,2 bis 3 Gew.-Teile und besonders bevorzugt 1,5 bis 3 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teilen der Glasmatrix.
Wenn das erfindungsgemäße Glas zur Verstärkung von Licht in einem Wellenlängenbereich verwendet werden soll, der das L-Band umfasst, wird Er vorzugsweise in einer Menge von mindestens 0,1 Gew.-Teilen und weniger als 1 Gew.-Teil pro 100 Gew.-Teilen der Glasmatrix einbezogen. Mehr bevorzugt beträgt die Er-Menge mindestens 0,2 Gew.-Teile, besonders bevorzugt mindestens 0,3 Gew.-Teile, mehr bevorzugt höchstens 0,9 Gew.-Teile und besonders bevorzugt höchstens 0,8 Gew.-Teile.
Nachstehend wird die Zusammensetzung der Glasmatrix in dem erfindungsgemäßen Glas beschrieben, wobei Mol-% einfach als % angegeben sind.
Bi₂O₃ ist eine essentielle Komponente. Wenn dessen Gehalt weniger als 20% beträgt, neigt die Wellenlängenbreite Δλ, bei welcher die Verstärkung erhältlich ist, dazu, klein zu sein. Der Bi₂O₃-Gehalt beträgt vorzugsweise mindestens 30%, mehr bevorzugt mindestens 35% und insbesondere mindestens 40%. Wenn der Bi₂O₃-Gehalt 80% übersteigt, kann die Vitrifikation schwierig sein, während der Verarbeitung zu einer Faser kann eine Devitrifikation auftreten, oder der T_g neigt zu einem zu geringen Wert. Der Bi₂O₃-Gehalt beträgt vorzugsweise höchstens 70%, mehr bevorzugt höchstens 60% und insbesondere höchstens 50%. Dabei steht Devitrifikation für eine Devitrikation, bei der eine Abscheidung von Kristallen deutlich ist, oder für eine Devitrikation, bei der es wahrscheinlich ist, dass während der Verarbeitung zu einer Faser ein Faserbruch stattfindet, oder bei der es wahrscheinlich ist, dass es während der Verwendung als Lichtleitfaser zu einem Faserbruch kommt.
B₂O₃ und SiO₂ sind Netzwerkbildner und mindestens eine dieser Verbindungen muss enthalten sein, um die Bildung des Glases durch die Unterdrückung eines Abscheidens von Kristallen während der Glasherstellung zu erleichtern. Wenn der Gesamtgehalt von B₂O₃ + SiO₂ weniger als 5% beträgt, kann eine Vitrifikation schwierig sein oder während der Verarbeitung zu einer Faser kann eine Devitrifikation auftreten. Der Gesamtgehalt beträgt mehr bevorzugt mindestens 10%, mehr bevorzugt mindestens 15%, besonders bevorzugt mindestens 19% und insbesondere mindestens 25%. Wenn der Gesamtgehalt 75% übersteigt, neigt die Verstärkung zu einer Verminderung. Der Gesamtgehalt beträgt mehr bevorzugt höchstens 60%, noch mehr bevorzugt höchstens 55%, besonders bevorzugt höchstens 45% und insbesondere höchstens 40%.
Der B₂O₃-Gehalt beträgt vorzugsweise höchstens 60%, mehr bevorzugt höchstens 45% und besonders bevorzugt höchstens 30%. Wenn es erwünscht ist, die Wasserbeständigkeit zu verbessern oder die Verstärkung zu erhöhen, wird der Gehalt vorzugsweise so eingestellt, dass er höchstens 20% beträgt und mehr bevorzugt wird B₂O₃ nicht einbezogen.
Der SiO₂-Gehalt beträgt vorzugsweise höchstens 60%, mehr bevorzugt höchstens 50% und besonders bevorzugt höchstens 45%. Wenn SiO₂ einbezogen wird, beträgt dessen Gehalt vorzugsweise mindestens 1%, mehr bevorzugt mindestens 10%, besonders bevorzugt mindestens 19% und insbesondere mindestens 25%.
Ga₂O₃, WO₃ und TeO₂ sind Komponenten, die Δλ erhöhen. Mindestens eine dieser drei Komponenten muss einbezogen werden. Wenn der Gesamtgehalt Ga₂O₃ + WO₃ + TeO₂ weniger als 0,1% beträgt, neigt Δλ zu einem kleinen Wert. Der Gesamtgehalt beträgt vorzugsweise mindestens 3%, mehr bevorzugt mindestens 5% und besonders bevorzugt mindestens 10%, und wenn der Gesamtgehalt 35% übersteigt, neigt die Verstärkung zu einem niedrigen Wert. Der Gesamtgehalt beträgt vorzugsweise höchstens 30%, mehr bevorzugt höchstens 25%.
Wenn Δλ erhöht werden soll, ist es bevorzugt, Ga₂O₃ einzubeziehen.
Der Ga₂O₃-Gehalt beträgt vorzugsweise höchstens 30%, mehr bevorzugt höchstens 20%. Wenn Ga₂O₃ einbezogen wird, beträgt dessen Gehalt vorzugsweise mindestens 1%, mehr bevorzugt mindestens 5% und besonders bevorzugt mindestens 10%.
Der WO₃-Gehalt beträgt vorzugsweise höchstens 30%, mehr bevorzugt höchstens 20% und besonders bevorzugt höchstens 10%. Wenn WO₃ einbezogen wird, beträgt dessen Gehalt vorzugsweise mindestens 1%, mehr bevorzugt mindestens 3%.
Der TeO₂-Gehalt beträgt vorzugsweise höchstens 30%, mehr bevorzugt höchstens 20%. Wenn TeO₂ einbezogen wird, beträgt dessen Gehalt vorzugsweise mindestens 1%, mehr bevorzugt mindestens 3%.
La₂O₃ ist essentiell und hat einen Effekt dahingehend, dass es eine Konzentrationslöschung weniger wahrscheinlich macht, oder dahingehend, dass es die Verstärkung erhöht. Wenn der La₂O₃-Gehalt weniger als 0,01% beträgt, neigen diese Effekte dazu, gering zu sein. Der La₂O₃-Gehalt beträgt vorzugsweise mindestens 0,1%. Wenn der La₂O₃-Gehalt 15% übersteigt, kann die Vitrifikation schwierig sein oder der optische Verlust neigt zu einer Zunahme. Der La₂O₃-Gehalt beträgt vorzugsweise höchstens 12%, mehr bevorzugt höchstens 10%.
Wenn das erfindungsgemäße Glas für eine Lichtleitfaser zur Verwendung für einen EDFA ohne Wickeln zu einer Spule eingesetzt werden soll, oder für einen kompakten ebenen Wellenleiter zur Verwendung für einen EDFA eingesetzt werden soll, kann die in die Glasmatrix einbezogene Er-Menge typischerweise auf einem hohen Niveau von mindestens 1 Gew.-Teil liegen und um eine Konzentrationslöschung durch Er zu unterdrücken, beträgt der La₂O₃-Gehalt vorzugsweise mindestens 1%, mehr bevorzugt mindestens 2%.
In einem Fall, bei dem das erfindungsgemäße Glas zur Verstärkung von Licht in einem Wellenlängenbereich verwendet werden soll, der das L-Band umfasst, beträgt der La₂O₃-Gehalt vorzugsweise 0,5 bis 4%. In einem solchen Fall ist die Lichtleitfaser des ebenen Wellenleiters lang (typischerweise mindestens 80 cm) und wenn der La₂O₃-Gehalt 4% übersteigt, kann die gewünschte optische Verstärkung aufgrund eines optischen Verlusts kaum erhalten werden. Der La₂O₃-Gehalt beträgt mehr bevorzugt höchstens 3%, besonders bevorzugt höchstens 2,5%.

In der vorliegenden Erfindung besteht die Glasmatrix, auf der Basis der folgenden Oxide, im Wesentlichen aus:

Bi₂O₃	20 bis 80%,
B₂O₃	0 bis 60%,
SiO₂	0 bis 60%,
Ga₂O₃	0 bis 30%,
WO₃	0 bis 30%,
TeO₂	0 bis 30%,
La₂O₃	0,01 bis 15%,
Al₂O₃	0 bis 10%,
GeO₂	0 bis 30%,
TiO₂	0 bis 30%,
SnO₂	0 bis 30% und
CeO₂	0 bis 2%.

Bezüglich der vorstehenden bevorzugten Glasmatrix werden nachstehend Komponenten beschrieben, die von den vorstehend beschriebenen Komponenten Bi₂O₃, B₂O₃, SiO₂, Ga₂O₃, WO₃, TeO₂ und La₂O₃ verschieden sind.
Al₂O₃ ist nicht essentiell, kann jedoch in einer Menge bis zu 10% einbezogen werden, um die Bildung des Glases durch Unterdrücken der Abscheidung von Kristallen während der Herstellung des Glases zu erleichtern. Wenn der Al₂O₃-Gehalt 10% übersteigt, kann der optische Verstärkungsfaktor abnehmen. Der Al₂O₃-Gehalt beträgt mehr bevorzugt höchstens 9%, noch mehr bevorzugt höchstens 8%, besonders bevorzugt höchstens 7% und insbesondere höchstens 5%. Wenn Al₂O₃ einbezogen wird, dann beträgt dessen Gehalt vorzugsweise mindestens 0,1%, mehr bevorzugt mindestens 1% und besonders bevorzugt mindestens 2%.
Um die Bildung des Glases durch die Unterdrückung der Abscheidung von Kristallen während der Herstellung des Glases zu erleichtern, ist es bevorzugt, mindestens eines von Al₂O₃ und Ga₂O₃ einzubeziehen, und deren Gesamtgehalt Al₂O₃ + Ga₂O₃ beträgt vorzugsweise höchstens 30%. Wenn der Gesamtgehalt mehr als 30% beträgt, kann die Vitrifizierung schwierig sein oder der T_g kann niedrig sein. Mehr bevorzugt beträgt der Gesamtgehalt höchstens 25%. Ferner beträgt der Gesamtgehalt Al₂O₃ + Ga₂O₃ vorzugsweise mindestens 3%, mehr bevorzugt mindestens 8% und besonders bevorzugt mindestens 12%.
GeO₂ ist nicht essentiell, kann jedoch in einer Menge bis zu 30% einbezogen werden, da es einen Effekt dahingehend hat, die Bildung des Glases zu erleichtern oder den Brechungsindex zu erhöhen. Wenn der GeO₂-Gehalt 30% übersteigt, neigt das Glas zur Kristallisation. Der GeO₂-Gehalt beträgt vorzugsweise höchstens 10%, mehr bevorzugt höchstens 5%. Wenn GeO₂ einbezogen wird, beträgt dessen Gehalt vorzugsweise mindestens 0,1%, mehr bevorzugt mindestens 1%.
CeO₂ ist nicht essentiell, kann jedoch in einer Menge bis zu 2% einbezogen werden, um die Abscheidung von Bi₂O₃ in Form von metallischem Bismut in dem geschmolzenen Glas zu verhindern, wodurch die Transparenz des Glases vermindert werden würde. Wenn der CeO₂-Gehalt 2% übersteigt, besteht eine Tendenz dahingehend, dass eine Färbung des Glases mit einer gelben Farbe oder einer orangen Farbe wesentlich ist, wodurch die Durchlässigkeit abnehmen kann. Der CeO₂-Gehalt beträgt vorzugsweise höchstens 1%, mehr bevorzugt höchstens 0,5%. Wenn CeO₂ einbezogen wird, beträgt dessen Gehalt vorzugsweise mindestens 0,1%. Wenn es erwünscht ist, die Transparenz zu erhöhen, ist es bevorzugt, dass CeO₂ nicht einbezogen wird.
TiO₂ und SnO₂ sind jeweils nicht essentiell, können jedoch in einem Bereich bis zu 30% einbezogen werden, um eine Devitrifizierung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken. Der Gehalt beträgt jeweils mehr bevorzugt höchstens 10%.
Eine bevorzugte Glasmatrix besteht in der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen aus den vorstehend beschriebenen Komponenten, jedoch können auch andere Komponenten in einem Bereich einbezogen werden, der die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigt. Der Gesamtgehalt solcher „anderen Komponenten" beträgt vorzugsweise höchstens 10%. Beispielsweise können MgO, CaO, SrO, BaO, Na₂O, K₂O, ZrO₂, ZnO, CdO, In₂O₃, PbO, usw, einbezogen werden, um eine Devitrifizierung während der Verarbeitung zu einer Faser zu unterdrücken oder um eine Vitrifizierung zu erleichtern, und Yb₂O₃ kann einbezogen werden, um eine Devitrifizierung oder eine Konzentrationslöschung zu unterdrücken. Wenn Yb₂O₃ einbezogen wird, beträgt dessen Gehalt vorzugsweise höchstens 5%.
Bezüglich des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Glases besteht keine spezielle Beschränkung. Beispielsweise kann es mit einem Schmelzverfahren hergestellt werden, bei dem die Ausgangsmaterialien hergestellt und gemischt, in einen Goldtiegel, einen Aluminiumoxidtiegel, einen SiO₂-Tiegel oder einen Iridium-Tiegel eingebracht und an der Luft bei einer Temperatur von 800 bis 1300°C geschmolzen werden und die erhaltene Schmelze in eine vorgegebene Form gegossen wird. Ferner kann das erfindungsgemäße Glas durch ein von dem Schmelzverfahren verschiedenes Verfahren hergestellt werden, wie z. B. einem Sol-Gel-Verfahren oder einem Gasphasen-Dampfabscheidungsverfahren.
Beispiele
Einer Glasmatrix mit einer in den Zeilen für Bi₂O₃ bis CeO₂ in den Tabellen 1 bis 3 in Mol-% gezeigten Zusammensetzung wurde Er in einem Anteil zugesetzt, der in den Tabellen als Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teilen der Glasmatrix gezeigt ist, und das so erhaltene Glas wurde mit einem Schmelzverfahren bei 1200°C geschmolzen. Im Beispiel 1 (Umhüllung), Beispiel 2 (Umhüllung), Beispiel 3 (Umhüllung), Beispiel 4 (Umhüllung), Beispiel 5 (Umhüllung) und Beispiel 6 (Umhüllung) wurde kein Er einbezogen. Das Beispiel 1 (Kern), das Beispiel 3 (Kern), das Beispiel 4 (Kern) und das Beispiel 5 (Kern) sind Beispiele für das erfindungsgemäße Glas. Andere Gläser sind Vergleichsbeispiele.
Bezüglich dieser Gläser wurde der Brechungsindex n bei einer Wellenlänge von 1,55 μm mit einem Ellipsometer gemessen und der Glasübergangspunkt T_g (Einheit: °C) mittels Differentialthermoanalyse (DTA) gemessen. Die Ergebnisse sind in den Tabellen gezeigt.
Eine Lichtleitfaser 1 mit einem Kerndurchmesser von 4 μm, einem Umhüllungsdurchmesser von 124 μm und einer Länge von 5 cm wurde aus dem Beispiel 1 (Kern) und dem Beispiel 1 (Umhüllung) durch Ziehen einer Vorform hergestellt, die mit einem bekannten Extrusionsverfahren hergestellt worden ist. Entsprechend wurde eine Lichtleitfaser 2 mit einem Kerndurchmesser von 4 μm, einem Umhüllungsdurchmesser von 124 μm und einer Länge von 5 cm aus dem Beispiel 2 (Kern) und dem Beispiel 2 (Umhüllung); eine Lichtleitfaser 3 mit einem Kerndurchmesser von 4,5 μm, einem Umhüllungsdurchmesser von 125 μm und einer Länge von 98 cm aus dem Beispiel 3 (Kern) und dem Beispiel 3 (Umhüllung); eine Lichtleitfaser 4 mit einem Kerndurchmesser von 4,9 μm, einem Umhüllungsdurchmesser von 125 μm und einer Länge von 254 cm aus dem Beispiel 4 (Kern) und dem Beispiel 4 (Umhüllung); eine Lichtleitfaser 5 mit einem Kerndurchmesser von 4,7 μm, einem Umhüllungsdurchmesser von 125 μm und einer Länge von 253 cm aus dem Beispiel 5 (Kern) und dem Beispiel 5 (Umhüllung); und eine Lichtleitfaser 6 mit einem Kerndurchmesser von 4,0 μm, einem Umhüllungsdurchmesser von 125 μm und einer Länge von 118 cm aus dem Beispiel 6 (Kern) und dem Beispiel 6 (Umhüllung) hergestellt. Die Lichtleitfasern 1, 3, 4 und 5 sind Beispiele für den erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter und die Lichtleitfasern 2 und 6 sind Vergleichsbeispiele.
In die Lichtleitfasern 1 und 2 wurde ein Laserstrahl (Anregungslicht) mit einer Wellenlänge von 980 nm und einer Intensität von 230 mW und ein Signallicht (Intensität = 0,1 mW) mit einer Wellenlänge (Einheit: nm) gemäß den Tabellen 4 und 5 eingeführt und in die Lichtleitfasern 3 bis 6 wurde ein Laserstrahl (Anregungslicht) mit einer Wellenlänge von 1480 nm und einer Intensität von 280 mW und ein Signallicht (Intensität = 1 mW) mit einer Wellenlänge gemäß den Tabellen 4 und 5 eingeführt, worauf die Verstärkung (Einheit: dB) gemessen wurde. Die Ergebnisse der Messung von G sind in den Tabellen 4 und 5 gezeigt.
G wird mit der folgenden Formel aus der Intensität des einfallenden Signallichts I_in in die Lichtleitfaser und der Ausgangsintensität I_out aus der Lichtleitfaser berechnet, wobei der Messfehler innerhalb von ± 0,5 dB liegt. G = 10 × log(Iout – Iin/Iin)
Aus den Tabellen 4 und 5 ist ersichtlich, dass die 3-dB down-Bandbreite für Licht mit einer Intensität von 1 mW bei den Lichtleitfasern 3, 4, 5 und 6 75 nm, 75 nm oder mehr, 70 nm oder mehr bzw. 70 nm oder mehr beträgt.
Ferner wurde G (Einheit: dB) durch Einführen eines Laserstrahls (Anregungslicht) mit einer Wellenlänge von 980 nm und einer Intensität (Einheit: mW) gemäß der Tabelle 6 und eines Signallichts (Intensität = 1 mW) mit einer Wellenlänge von 1560 nm in die Lichtleitfasern 1 und 2 gemessen. Aus den Ergebnissen der Messungen, die in der Tabelle 6 gezeigt sind, ist ersichtlich, dass bei der Lichtleitfaser 1 mit einer Länge von 5 cm ein G-Wert von mindestens 8 dB erhalten werden kann, wenn die Anregungslichtintensität mindestens 120 mW beträgt.
Ferner wurden G (Einheit: dB) und I_out (Einheit: mW) durch Einführen eines Laserstrahls (Anregungslicht) mit einer Wellenlänge von 1480 nm und einer Intensität (Einheit: mW) gemäß der Tabelle 7 oder 8 und eines Signallichts (Intensität = 1 mW) mit einer Wellenlänge von 1600 nm in die Lichtleitfasern 3 bis 6 gemessen. Die Ergebnisse der Messung von G sind in der Tabelle 7 gezeigt und die Ergebnisse der Messung von I_out sind in der Tabelle 8 gezeigt.
Aus der Tabelle 8 ist ersichtlich, dass der vorstehend genannte η mindestens 10% beträgt, wenn bei der Lichtleitfaser 3 die Anregungslichtintensität mindestens 186 mW beträgt, bei der Lichtleitfaser 4 die Anregungslichtintensität mindestens 100 mW beträgt und bei der Lichtleitfaser 5 die Anregungslichtintensität mindestens 79 mW beträgt. Andererseits beträgt bei der Lichtleitfaser 6 als Vergleichsbeispiel n selbst dann, wenn die Anregungslichtintensität 400 mW beträgt, 8,2%, d. h. weniger als 10%.
Ferner stellt in den Tabellen 6, 7 und 8 der Fall, bei dem die Intensität 0 mW beträgt, einen Fall dar, bei dem nur das Signallicht eingeführt wurde, ohne den Laserstrahl einzuführen.
Die Lichtleitfaser 1 ist für den vorstehend genannten Fall geeignet, bei dem sie als Lichtleitfaser verwendet wird, die für einen EDFA eingesetzt wird, ohne zu einer Spule gewickelt zu werden, oder für den vorstehend genannten Fall, bei dem sie für einen kompakten ebenen Wellenleiter verwendet wird, der für einen EDFA eingesetzt wird.
Die Lichtleitfasern 3, 4 und 5 sind für einen Fall geeignet, bei dem sie zur Verstärkung von Licht in einem Wellenlängenbereich verwendet werden, der das L-Band umfasst.
Ferner wurde die Beziehung zwischen dem La₂O₃-Gehalt und dem optischen Verlust folgendermaßen untersucht. Insbesondere wurden in der gleichen Weise, wie es vorstehend beschrieben worden ist, Gläser hergestellt, in denen der La₂O₃-Gehalt von 4,3 Mol-% im Beispiel 3 (Kern) und Beispiel 3 (Umhüllung) auf 2,8 Mol-% gemäß Beispiel 7 (Kern) und Beispiel 7 (Umhüllung), auf 1,4 Mol-% gemäß Beispiel 8 (Kern) oder Beispiel 8 (Umhüllung) oder auf 0 Mol-% gemäß Beispiel 9 (Kern) und Beispiel 9 (Umhüllung) vermindert worden ist. Der SiO₂-Gehalt wurde erhöht, um die Verminderung des La₂O₃-Gehalts auszugleichen. In der Tabelle 9 sind die Glaszusammensetzungen von Beispiel 7 (Kern) bis Beispiel 9 (Umhüllung) in der gleichen Weise wie in den Tabellen 1 bis 3 gezeigt.
In der gleichen Weise wie die Lichtleitfaser 3 wurden eine Lichtleitfaser 7 aus Beispiel 7 (Kern) und Beispiel 7 (Umhüllung), eine Lichtleitfaser 8 aus Beispiel 8 (Kern) und Beispiel 8 (Umhüllung) und eine Lichtleitfaser 9 aus Beispiel 9 (Kern) und Beispiel 9 (Umhüllung) hergestellt.
Die optischen Verluste der Lichtleitfasern 3, 7, 8 und 9 bezüglich Licht mit einer Wellenlänge von 1310 nm wurden mit einem Abschneideverfahren gemessen und lagen bei 2,1 dB/m, 1,4 dB/m, 0,7 dB/m bzw. 0,7 dB/m. Insbesondere dann, wenn der La₂O₃-Gehalt 4 Mol-% übersteigt, beträgt der optische Verlust mindestens 2 dB/m und der optische Verlust kann bei einer langen Lichtleitfaser nicht vernachlässigbar sein. Um eine Absorption durch Er zu vermeiden, wurde Licht mit der vorstehend genannten Wellenlänge zur Messung des optischen Verlusts eingesetzt.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Tabelle 8
Tabelle 9
Erfindungsgemäß ist es möglich, ein optisch verstärkendes Glas und einen Lichtwellenleiter mit einer Verstärkungsfunktion zu erhalten, wodurch eine thermische Beschädigung selbst dann weniger wahrscheinlich ist, wenn ein Laserstrahl mit hoher Intensität als Anregungslicht verwendet wird, und es weniger wahrscheinlich ist, dass eine Konzentrationslöschung stattfindet.
Ferner ist es möglich, eine Lichtleitfaser mit einer gewünschten Verstärkungsfunktion selbst dann zu erhalten, wenn diese kurz ist, wobei diese für einen EDFA verwendet werden kann, ohne dass sie zu einer Spule gewickelt ist.
Ferner ist es möglich, einen Lichtwellenleiter mit einem hohen Konversionswirkungsgrad selbst bei der Verstärkung von Licht in einem Wellenlängenbereich zu erhalten, der das L-Band umfasst. Ferner ist es auch möglich, einen Lichtwellenleiter zu erhalten, der bei der gleichen Verstärkung eine breite 3-dB down-Bandbreite aufweist, und es ist ferner auch möglich, einen Lichtwellenleiter zu erhalten, bei dem die Verstärkung bei 1620 nm mindestens 10 dB beträgt.

Claims

Optisch verstärkendes Glas, umfassend 100 Gew.-Teile einer Glasmatrix und von 0,1 bis 10 Gew.-Teile von zu der Glasmatrix zudotiertem Er, wobei die Glasmatrix Bi₂O₃, mindestens eine von B₂O₃ und SiO₂, mindestens einen Vertreter, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ga₂O₃, WO₃ und TeO₂, und La₂O₃ in einem derartigen Verhältnis umfaßt, daß Bi₂O₃ von 20 bis 80 Mol-%, B₂O₃ + SiO₂ von 5 bis 75 Mol-%, Ga₂O₃ + WO₃ + TeO₂ von 0,1 bis 35 Mol-% und La₂O₃ von 0,01 bis 15 Mol-% betragen.
Optisch verstärkendes Glas nach Anspruch 1, wobei die Glasmatrix im wesentlichen aus, dargestellt durch Mol-% auf Basis der folgenden Oxide: Bi₂O₃ 20 bis 80%, B₂O₃ 0 bis 60%, SiO₂ 0 bis 60%, Ga₂O₃ 0 bis 30%, WO₃ 0 bis 30%, TeO₂ 0 bis 30%, La₂O₃ 0,01 bis 15%, Al₂O₃ 0 bis 10%, GeO₂ 0 bis 30%, TiO₂ 0 bis 30%, SnO₂ 0 bis 30% und CeO₂ 0 bis 2%

besteht.
Optisch verstärkendes Glas nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Gehalt von La₂O₃ in der Glasmatrix von 0,5 bis 4 Mol-% beträgt.
Optisch verstärkendes Glas nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei Er in einem Verhältnis von 1 bis 3 Gew.-Teilen, bezogen auf 100 Gew.-Teile der Glasmatrix, zudotiert ist.
Optisch verstärkendes Glas nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei Er in einem Verhältnis von weniger als 1 Gew.-Teil, bezogen auf 100 Gew.-Teile der Glasmatrix, zudotiert ist.
Lichtwellenleiter, umfassend das wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 definierte optisch verstärkende Glas als Kern.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 6, der eine Verstärkung von mindestens 8 dB für Licht mit einer Wellenlänge von 1.530 nm bis 1.560 nm und eine Intensität von 0,1 mW aufweist, wenn die Länge des Lichtwellenleiters 5 cm beträgt.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 6, der eine 3-dB down-Bandbreite von mindestens 55 nm für Licht mit einer Intensität von 1 mW in einem Wellenlängenbereich von 1.530 bis 1.620 nm aufweist und einen Konversionswirkungsgrad von mindestens 10% für Licht mit einer Wellenlänge von 1600 nm aufweist.
Lichtwellenleiter nach Anspruch 6, der eine Verstärkung von mindestens 10 dB für Licht mit einer Wellenlänge von 1.620 nm und eine Intensität von 1 mW aufweist und einen Konversionswirkungsgrad von mindestens 10% für Licht mit einer Wellenlänge von 1.600 nm aufweist.