JP2001508392A - ガラス組成物およびそれから製造した光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 リン酸塩を含まない、Ｅｒ／Ｙｂが共にドープされたホウケイ酸塩ガラス組成物およびこの組成物から作成された光学素子が開示されている。この組成物は：60-70重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が常に40重量部より多くを表し；8-12重量部のＢ₂Ｏ₃；10-25重量部のＭ₂Ｏであって、ここで、Ｍ₂Ｏがアルカリ金属酸化物であり；0-3重量部のＢａＯ；0.1-5重量部のＥｒ₂Ｏ₃から100重量部が構成されたもの；0.1-12重量部のＹｂ₂Ｏ₃および0から5重量部未満のＦを含み、この中のホウ素原子が四面体空間配位のものである。

Description

【発明の詳細な説明】 ガラス組成物およびそれから製造した光学素子 本発明は、光学素子に特に適したガラス組成物に関し、より詳しくは、本発明 は、レーザおよび光信号増幅器、例えば、バルク型、プレーナ導波路型およびフ ァイバ型の増幅器に適した、リン酸塩を含まず、エルビウム／イッテルビウムが 共にドープされたホウケイ酸塩ガラスに関するものである。本発明はまた、この ようなガラス組成物に基づく光学素子にも関する。 本発明は、光信号を増幅できる光学素子の製造および作動に特に有用なガラス 組成物に関するものである。これらの種類の素子としては、以下に限定されるも のではないが、バルクガラスレーザ、プレーナレーザ、プレーナ導波路光増幅器 、並びにファイバレーザおよび増幅器が挙げられる。以下に続く本発明の説明は 、本発明のガラス組成物からなる光学素子に対して、便宜上プレーナ光増幅器に 限定されている。しかしながら、当業者には、本発明のガラス組成物を上述した 他の種類の光学素子に適用できることが認識される。 さらに、イオン交換、スパッタリング、火炎加水分解および化学蒸着のような 導波路製造技術が文献によく報告されており、当業者が本発明を理解する上でこ れらの技術をここに論じる必要はない。例えば、ここに引用する米国特許第5,12 8,801号（Jansen等）には、ガラス体に組み込まれた導波路を備えたプレーナ増 幅器が記載されている。このガラス体は、稀土類金属酸化物のような光学活性材 料がドープされている。増幅すべき信号が導波路を通って伝送され、そのポンプ パワー（pump power）は、導波路中に一方の端部で結合され、増幅された信号が その導波路の他方の端部でこの導波路から抽出される。エルビウムは、他の理由 の中でも、低損失の1550ｎｍでの第三通信窓（third telecommunications windo w）を都合よく包含する蛍光スペクトルを有し、ガラス基材内で長い励起状態寿 命を示すので、光信号増幅素子の好ましい光学活性ドーパントである。 理想的な光増幅素子は、長さが短く、増幅効率（ｄＢ／ｍＷ_PUMP）が高く、利 得係数（ｄＢ／ｃｍ）が大きい。エルビウムのドープされた増幅器の性能に対す る一つの制限要因は、その組成がＥｒ³⁺イオンの励起状態寿命、Ｅｒ³⁺イオンの 吸収および放出断面積、並びにそれらの帯域幅に影響を与えるガラス基材である 。さらに、基材ガラス中のエルビウムの濃度は、増幅器の性能に著しく影響を与 える。例えば、エルビウムがドープされたシリカファイバ中の100ｐｐｍほどの 低い濃度でさえも、エネルギー移動アップコンバージョン（up conversion）と 称される現象が、Ｅｒ³⁺イオンの集塊およびこれら集塊領域間の結果としてのエ ネルギー移動のために、反転分布を効果的に抑えることができる。エネルギー移 動アップコンバージョンの効果は、エルビウムの濃度を低下させることにより、 そして増幅器の長さを増大させることにより、著しく減少させられるけれども、 これは、上述した所望の増幅器の特性とは対照的である。例えば、Nykolak等に よる「System evaluation of an Er³⁺‐doped planar waveguide amplifier」， IEEE Photon．Technol．Lett.，5，PP．1185-1187，(1993)により、4.5ｃｍのプ レーナ導波路増幅器中の10,000ｐｐｍほどの高いＥｒ³⁺濃度により、980ｎｍの ポンプパワーの280ｍＷに関して、たった15ｄＢの利得しか生じないことが報告 されている。さらに、0.5重量％のＥｒ₂Ｏ₃がドープされたコーニング社のＢ１ ６６４ホウケイ酸塩基材ガラスからなり、973ｎｍのポンプパワーの110ｍＷでポ ンプされた、４ｃｍのＴｌ⁺イオン交換導波路増幅器において、３ｄＢの正味（n et）利得の最適性能が観察された。 したがって、ここに記載した種類の比較増幅素子の製造に使用するのに適して おり、リン酸塩ガラスの既知の欠点と、上述したような、ガラスと光学素子の当 業者により認識された他の心配事を避け、リンケイ酸塩ガラス組成物の既知の欠 点を有さずに、リン酸塩含有ガラスに関連する分光学的および製造上の利点を提 供するガラス組成物が必要とされている。 本発明の追加の特徴および利点が、以下の説明に述べられており、および／ま たは一部がその説明から明らかとなり、および／または本発明を実施することに より分かるかもしれない。本発明の目的および他の利点は、記載された説明およ びその請求の範囲並びに添付した図面において特に指摘された装置および組成物 により実現され、達成される。 したがって、本発明は、第一の主題として、リン酸塩を含まない、Ｅｒ／Ｙｂ がともにドープされたホウケイ酸塩ガラス組成物であって、 − 60-70重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が常に40 重量部より多くを表し（好ましくは、65-68重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋Ｇ ｅＯ₂）、 − 8-12重量部のＢ₂Ｏ₃（好ましくは、１１−１２重量部のＢ₂Ｏ₃）、− 10-2 5重量部のＭ₂Ｏであって、ここで、Ｍ₂Ｏが、以下の酸化物：0-20重量部の間に あるＮａ₂Ｏ、0-20重量部の間にあるＫ₂Ｏおよび0-10重量部の間にあるＬｉ₂Ｏ からなる群より選択される少なくとも一つのアルカリ金属酸化物である、 − 0-3重量部のＢａＯ（好ましくは、0-1重量部のＢａＯ）、− 0.01-5重量部 のＥｒ₂Ｏ₃（好ましくは、0.5-3重量部のＥｒ₂Ｏ₃）から100重量部が構成された もの、 0.1-12重量部のＹｂ₂Ｏ₃（好ましくは、1-10重量部のＹｂ₂Ｏ₃）および0から5 重量部未満のＦからなり、 Ｅｒ^{3+ 4}I_13/2準安定状態の寿命を増大させることが知られている、四面体空 間配位（tetrahedral spatial coordination）の（12％末満のＢ₂Ｏ₃の濃度に関 して）ホウ素原子を含有するガラス組成物を提供する。 上述したもののような本発明のガラス組成物は、加工および溶融が容易であり 、製造が比較的安価であり、信頼性があり、化学品に対して抵抗性を有し、湿度 に対して不感受性であることが知られている、コーニング社のＢ１６６４または ショト(schott)ＢＫ−７と称されるもののような従来技術のホウケイ酸塩ガラス とを注意深く比較した上でも独創的である。 本発明のガラス組成物はシリカに基づくものである。それにも拘わらず、同等 の結果を得るために、ゲルマニウム（元素の周期表のＩＶ族の別の元素）でケイ 素の一部を置換することができる。このことは、当業者にとっては驚くようなこ とではない。このような酸化ゲルマニウムの介在により、特に、屈折率をわずか に増大させることができる。本発明のガラス組成物は： − 60-70重量部のシリカ（ＳｉＯ₂）、 − または60-70重量部のＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、シリカが常にこのＳｉＯ₂ ＋ＧｅＯ₂混合物の40重量部より多くを表す いずれかを含有する。 本発明の組成物により、表示した量のアルカリ酸化物が、ガラスを溶融し、そ してシリカの屈折率と実質的に同一である、約1.5の屈折率を維持するのに役立 つ一方で、反転分布が抑制されないようにするために、ホウ素原子は、四面体空 間配位のものであることが確実となる。 フッ素Ｆは、好ましくは、ガラスの溶融および清澄を改良し、そのガラスの屈 折率を変更し、その組成物のイオンの交換特性を改良するように存在する。推奨 されている量（［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅｒ₂Ｏ₃］の100 重量部に関して、５重量部以上）よりも多い量でフッ素が存在すると、ガラスが 乳白色となる傾向にある。このフッ素の存在は、一般的に、0.1重量部以上が好 ましいことが分かった。 イッテルビウム（Ｙｂ₂Ｏ₃）が表示した量で存在することにより、所定のポン プパワーに関するＥｒ₃₊イオンの分布レベルが増大し、Ｙｂは、980ｎｍで強い 吸収性を有することに加えて、コドーパント(co-dopant)の濃度が十分に高い場 合、このＥｒ³⁺イオンに確実に十分なエネルギー移動を行わせる。さらに、より 高いエルビウムレベルが、イッテルビウムが存在する場合に可能なように思われ る。これは、明らかに、イッテルビウムの存在下でＥｒ³⁺イオンの集塊が減少す るためである。 本発明の好ましい実施の形態によれば、本発明のガラス組成物は： ［ＢａＯ＋0.5（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）］が100重量部の［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂ ＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅｒ₂Ｏ₃］の5-12重量部を示すような量で、ＢａＯ およびＭ₂Ｏを含有する。 Ｓｂ₂Ｏ₃および／またはＡｓ₂Ｏ₃のような元素が、清澄を目的としておよび／ またはエルビウムの溶解度を増大させるために、100重量部の［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂ ＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅｒ₂Ｏ₃］に関して、２重量部までを示す合計量で 本発明の組成物中に存在してもよい。 本発明の別の態様によれば、モル比Ｋ／Ｎａは、非常に限定された高屈折率の 導波路を製造するために、本発明の組成物のタリウムイオン交換能力特性を最適 化する目的で１よりも大きい。 本発明のさらに別の態様によれば、本発明のガラス組成物は、好ましくは、約 1.5の屈折率を有する。 本発明の組成物は、レーザまたは光増幅器として完全に有用である。これらの 目的の用途が本発明の別の主題を構成する。同様に、本発明は、その構造体にお いて導波路を構成する光学素子であって、この導波路が本発明のガラス組成物を 含有する光学素子に関するものである。伝統的に、この導波路は、コアおよびク ラッドを有する。特徴的には、そのコア、すなわち、コアおよびクラッドは、本 発明のガラス組成物のものである。実施の形態の変更例によれば、酸化物のＥｒ₂ Ｏ₃およびＹｂ₂Ｏ₃は、そのような本発明の素子のコア内のみに実質的に存在す る。 本発明の光学素子は、特に、ファイバまたはプレーナ導波路を構成してもよい 。 本発明の実施の形態では、光信号増幅素子の場合には、この素子は、例えば、 光信号増幅セクションに加えて、モニタまたは多重化のための一つ以上の受動セ クションを必要としてもよいことも考えられる。この受動セクションは、エルビ ウムおよびイッテルビウムのような光信号増幅ドーパントが受動セクション組成 物の一部を全く構成しないことを除いて、能動セクションの組成と非常によく似 たまたは同一の組成のものである。この受動セクション内に光信号増幅ドーパン トを含有させると、ポンピング放射線により克服されない吸収損失が生じる。こ の実施の形態によるモノリシック素子全体に亘る屈折率は、異なるセクションの 間で実質的に均質であり、形成されるモノリシック素子の二つのセクションの間 の界面での反射を避けることが認識されている。この実施の形態の態様は、透明 稀土類、すなわち、ランタンがドープされた受動セクションを含んで、エルビウ ムまたは他の光信号増幅ドーパントがドープされていない素子の部分の屈折率を 調節する。 この実施の形態によれば、本発明は、コアおよびクラッドを有する導波路を備 え、受動光信号比増幅セクションおよび能動光信号増幅セクションを含むモノリ シック光学素子を包含し、この素子は、能動セクションおよび受動セクションの コアおよびクラッドそれぞれ全体に亘り実質的に均一な屈折率を有する、リン酸 塩を含まないホウケイ酸塩ガラス組成物により特徴付けられ、この受動セクショ ンのガラス組成が： − 60-70重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が常に40 重量部より多くを表し、 − 8-12重量部のＢ₂Ｏ₃、 − 10-25重量部のＭ₂Ｏであって、ここで、Ｍ₂Ｏが以前に定義したようなもの であり、 − 0-3重量部のＢａＯおよび − 100重量部の［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ］に関して、Ｏか ら５重量部未満のＦを含むが； 光信号増幅元素成分が実質的に含まれず；そして、前記能動セクションのガラス 組成が、 − 60-70重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が常に40 重量部より多くを表し、 − 8-12重量部のＢ₂Ｏ₃、 − 10-25重量部のＭ₂Ｏであって、ここで、Ｍ₂Ｏが上述したようなものであり 、 − 0-3重量部のＢａＯ、 − 0.01-5重量部のＥｒ₂Ｏ₃から100重量部が構成されたもの、 0.1-12重量部のＹｂ₂Ｏ₃および0から5重量部未満のＦからなり、 前記受動セクションおよび能動セクションのガラス組成が四面体空間配位のホウ 素原子を含有する光学素子を包含する。 好ましくは、一般的な様式で上述したように、これら能動セクションおよび受 動セクションのガラス組成物は以下の特徴を有している： − ［ＢａＯ＋0.5（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）］が5-12重量部を示す（前記受 動セクションに関しては［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ］の、前 記能動セクションに関しては［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅ ｒ₂Ｏ₃］の100重量部に関して）； − これらガラス組成物は、受動セクションの［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂ Ｏ＋ＢａＯ］の100重量部および能動セクションの［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃ ＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅｒ₂Ｏ₃］の100重量部に関して、2重量部までに亘っても差 し 支えない合計量で酸化物：Ｓｂ₂Ｏ₃およびＡｓ₂Ｏ₃のうちの少なくとも一つを含 有する。 好ましい実施の形態の変更例によれば、酸化物Ｅｒ₂Ｏ₃およびＹｂ₂Ｏ₃のみが 、能動セクションのコア中で多量に存在する。 本発明は、誘発発光により光信号を増幅するために使用する、特にバルクガラ スレーザおよびファイバおよびプレーナ導波路レーザ並びに増幅器を備えた光学 素子の製造に特に都合よいリン酸塩を含まないホウケイ酸塩ガラス組成物であっ て、増大した増幅効率および以下に記載する他の利点を示す独特の特徴を有する ガラス組成物を提供する。 本発明の主題である、このガラス組成物の特徴の一つは、酸化エルビウムが比 較的多量（5重量部まで）で存在するときに、12重量部までの酸化イッテルビウ ムを含有することである。本発明のホウケイ酸塩ガラス組成物は、主に、この組 成物中にここに記載した量でイッテルビウムおよびエルビウムが共に存在するこ とが、イッテルビウムの励起状態と、エルビウムの励起状態との間の比較的高い 効率のエネルギー移動（50％以上）の原因であり、このことが、我々が知ってい る（添付した図３を参照のこと）、一つの蛍光ドーパント（例えば、エルビウム ）を含有する類似の組成物により生じるものと比較して、改善されたポンピング 効率および性能を生じるという発見に基づいて見つけられたものである。さらに 、本発明によるガラス組成物は、それらが、Ｅｒ^{3+ 4}Ｉ_13/2準安定状態の寿命 を増大させることが知られている、四面体配位（12％未満のＢ₂Ｏ₃の濃度に関し て）にあるホウ素を含有するという点で特徴付けられている。さらに、開示した 量のイッテルビウムおよびエルビウムがこのガラス組成物中に存在するときに、 明らかにエルビウムイオンの集塊が減少したために、典型的なイオン交換プレー ナ導波路増幅器のポンピング効率がよりよくなった。 Ｎａ₂Ｏおよび／またはＫ₂Ｏおよび／またはＬｉ₂Ｏのようなアルカリ金属酸 化物が存在する。これら一価の酸化物の量は、溶融が容易で、光学晶質が良好で あり、高透過率および低屈折率を有するガラスを得る上で重要である。酸化バリ ウム（ＢａＯ）は好ましくは、網状構造改質剤として、3重量部以下の量で存在 する。この酸化バリウムの存在は、一般的に、0.1重量部からが有益である。現 在、ガラ ス内の相分離の危険性のために、その組成中にＣａまたはＭｇのような他の網状 構造改質剤を含める傾向が少ない。 本発明のガラス組成物の好ましい実施の形態において、ＭがＬｉ、Ｎａまたは Ｋであり、ＲがＢａであるときの（Ｍ₂Ｏ＋ＲＯ）が、100重量部の［ＳｉＯ₂＋ ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅｒ₂Ｏ₃］に関して、［ＢａＯ＋0.5（Ｌｉ₂ Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）］が5-12重量部を示すようなものであるべきである。 以下に例示する本発明のガラス組成物のほとんどは、約0.9の比でＫ／Ｎａを 含有するけれども、あるガラス組成物は、表３の実施例VIIIの組成物におけるよ うに、タリウムイオン交換のために最適化されており、１より大きいＫ／Ｎａモ ル比を有している。 添付した図面は、本発明をより良く理解するために含まれるものである。それ らの図面は、この明細書に包含され、その一部を構成する。これら図面は、本発 明の実施の形態を示し、その記載とともに、本発明の原理を説明するように機能 する。 これら図面は、以下に述べるように、図１から４からなる： − 図１は、本発明の実施の形態による3.8ｃｍ長の導波路素子、すなわち、 実施例Ａに記載したようなガラス組成を有し、表３の実施例IIIに与えたガラス 組成を有する素子に関する、973ｎｍでの正味利得（ｄＢ）（縦座標）対ポンプ パワー（ｍＷ）（横座標）のグラフを示している； − 図２は、実施例Ｂに記載したような本発明の実施の形態による、表３の実 施例IVに与えたガラス組成を有する3.8ｃｍ長の導波路素子に関する、973ｎｍで の正味利得（ｄＢ）（縦座標）対ポンプパワー（ｍＷ）（横座標）のグラフを示 す、図１のプロットに似たプロットである； − 図３は、重量部で表した（後に参照する）、四つの異なる量のコド−パン ト：Ｅｒ₂Ｏ₃およびＹｂ₂Ｏ₃に関する本発明のプレーナ導波路増幅器の長さの関 数としての測定した正味利得（ｄＢ）を示している； − 図４は、導波路領域を備えたモノリシック光学素子であって、受動型の光 信号非増幅セクションおよび能動型の光信号増幅セクションを備えた光学素子の 斜視図を示している。 表１は、本発明のガラス組成物の必須成分の量を示している。表２は、本発明 のガラス組成物のより狭い、好ましい範囲を定義するものである。表３は、同一 条件下で動作する、一つの成分がドープされた素子と比較して、改善された性能 が、本発明の実施の形態によるプレーナ導波路増幅器から観察されたものを含む 、典型的な組成を示している。これらの組成物は、100重量部の組成物［ＳｉＯ₂ ＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅｒ₂Ｏ₃］に関して、重量部で上述したＹ ｂ₂Ｏ₃およびフッ素Ｆ（ナトリウムのフルオロケイ酸塩またはカリウムのフルオ ロケイ酸塩として存在する）について、重量部で示されている。上述した量は、 組成物を溶融する前の重量部を表している。実施例VIは、フッ素濃度が高いため に、本発明の内容の一部を構成しない乳白色ガラスである。しかしながら、フッ 素が、好ましくは、ナトリウムのフルオロケイ酸塩またはカリウムのフルオロケ イ酸塩の形態で存在すると、溶融および清澄並びに屈折率の調節にとって有益で あり、その存在により、本発明の組成物のイオンのイオン交換能力を増大させる ことができる。 表１ 本発明の組成： − 0.1-12重量部のＹｂ₂Ｏ₃、 − 0から5重量部未満のＦ、 100重量部が以下から構成される： − 60-70重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が40重量 部より多くを示し、 − 8-12重量部のＢ₂Ｏ₃、 − 10-25重量部のＭ₂Ｏであって、ここで、Ｍ₂Ｏが、酸化物：0-20重量部で存 在するＮａ₂Ｏ、0-20重量部で存在するＫ₂Ｏおよび0-10重量部で存在するＬｉ₂ Ｏからなる群より選択される少なくとも一つのアルカリ金属酸化物であり、 − 0-3重量部のＢａＯ、 − 0.01-5重量部のＥｒ₂Ｏ₃、 前記ホウ素原子が四面体空間配位にある。 表２ 本発明の特に好ましい組成： − 1-10重量部のＹｂ₂Ｏ₃、 − 0から5重量部末満のＦ、 100重量部が以下から構成される： − 65-68重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が40重量 部より多くを示し、 − 11-12重量部のＢ₂Ｏ₃、 − 10-25重量部のＭ₂Ｏであって、ここで、Ｍ₂Ｏが、酸化物：0-20重量部で存 在するＮａ₂Ｏ、0-20重量部で存在するＫ₂Ｏおよび0-10重量部で存在するＬｉ₂ Ｏからなる群より選択される少なくとも一つのアルカリ金属酸化物であり、 − 0-1重量部のＢａＯ、 − 0.5-3重量部のＥｒ₂Ｏ₃、 ［ＢａＯ＋0.5（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）］が前記100重量部の5-12重量部を 示す。 表３ 本発明の組成物の実施例^*：（重量部で与えられた組成） ^* Σ(SiO₂＋BaO＋B₂O₃＋Na₂O＋K₂O＋Er₂O₃)＝100±0.3重量部 ^**実施例VIの組成は本発明の内容の一部を構成しない（乳白色ガラス） 本発明の実施の形態による典型的な素子は、上述したガラス組成物を最初に溶 融し、その基板をガラス業界でよく知られている技術により成形することにより 調製した。この基板を従来のフォトリソグラフィーの慣例にしたがって選択的に マスクして、好ましくは、幅が2ミクロンから5ミクロンまでの導波路領域を定義 した。次いで、マスクされた基板を純粋なタリウム塩浴内で露出して、タリウム イオンにより、ナトリウムイオンおよび／またはカリウムイオンおよび／または リチウムイオンを交換した。この塩浴は、約400℃の温度を有し、この浴内での 露出を約1.5時間に亘り持続させた。これは、ガラス基板の露出表面にイオン交 換導波路領域を形成するのに十分であった。この工程を必要に応じて電界をかけ て行った。 次いで、マスクしたガラス基板を、95％のカリウムイオンおよび5％のナトリ ウムイオンを含有する溶融塩溶融物に約450℃の温度で約1時間に亘り接触させる 工程を含む第二のイオン交換を行って、この導波路領域を基板中により深く埋め た。この導波路が埋められたガラス基板に約30ｍＡの電流を流した。 本発明の素子の実施例 実施例Ａ 本発明の実施の形態によるプレーナ導波路光信号増幅素子を上述したように構 成した。そのガラスは、表３の実施例IIIに与えた組成を有している。この導波 路は、長さが3.8ｃｍであり、110ｍＷのポンプパワーにより973ｎｍでポンプし た。図１に示すように、6.1ｄＢの正味利得が測定された。 実施例Ｂ 本発明の実施の形態によるプルーナ導波路光信号増幅素子を上述したように構 成した。そのガラスは、表３の実施例IVに与えた組成を有している。この導波路 は、長さが3.8ｃｍであり、110ｍＷのポンプパワーにより973ｎｍでポンプした 。図２に示すように、8ｄＢの正味利得が測定された。 これらの非限定的実施例に与えられた値は、0.5重量部の酸化エルビウムを含 有するが酸化イッテルビウムは含有せず、110ｍＷのポンプパワーにより973ｎｍ でポンプしたときに3ｄＢの正味利得を示した、我々の最良の一つの元素（エル ビウム）がドープされたフルーナ導波路増幅器により得られた値に匹敵すべきも のである。 本発明の実施の形態によるモノリシック光学素子が図４に示されている。この 素子は、溶融された（Ｆ）または当業者によく知られた他の接合技術により互い に接合され、ここではさらなる説明を必要としない、受動型の非光信号増幅セク ション80および能動型の光信号増幅セクション90を備えている。この受動セクシ ョン80および能動セクション90の組成は、例えば、能動セクション90が、コドー パントであるエルビウムおよびイッテルビウムを含有する本発明の説明に記載さ れた組成のものである一方で、受動セクションがエルビウムのような光信号増幅 ドーパントを含有しないことを除いて、実質的に同一ではない場合でも非常に似 ている。この受動セクション80には、受動セクション80および能動セクション90 の屈折率を実質的に同一にして、この二つのセクション間の界面で望ましくない 反射を避けるために、透明稀土類元素、例えば、ランタンをドープしてもよい。 前記素子は、例えば、ｎ_sと称する屈折率を有するシリカまたはケイ素から作成 された基板部分101、ここに記載した本発明によるガラス組成を有する導波路領 域103を備えている。この導波路領域103の能動セクション91は稀土類増幅ドーパ ントを含有するが、導波路領域103の受動セクション93は光信号増幅ドーパント を含有しない。次いで、この素子は、ｎ_c未満の屈折率ｎ_clを有する材料により 層105でオーバークラッドされている。 この実施の形態の好ましい態様において、基板101は、その上に配置された導 波路層103を有し、この導波路層103は、ここに記載したＥｒ／Ｙｂ含有ガラス組 成物である。よく知られたリソグラフィーおよびエッチング技術により、導波路 コアが層103内に形成され、この中に、ここに記載された組成物中に含まれる光 信号増幅ドーパントが存在する。次いで、この素子をエルビウムがドープされて いない別の材料によりオーバークラッドされて、光信号を導波路領域に制限する 。この実施の形態において、本発明のガラス組成物（ここに記載した）は、本発 明によるモノリシック素子の臨界区域内のみに存在すべきである。 リン酸塩を含まないホウケイ酸塩ガラス組成物の群およびそれから製造された 光学素子について説明してきた。当業者にとって、様々な改変および変更が、発 明の範囲から逸脱せずに本発明の素子および組成物に行えることが明らかである 。したがって、これらの改変および／または変更が、添付した請求の範囲内に包 含されおよび／またはその請求の範囲の手段の同等物を構成する場合には、本発 明はそれらを包含することを意図するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，Ａ Ｕ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ， ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，Ｋ Ｇ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 ラボルド，パスカル フランス国 Ｆ―77130 ラ グランド パロワス ルート ドゥ ラ バス ロシ ュ 53 (72)発明者 レールミニオー，クリスチャン フランス国 Ｆ―77300 フォンテーヌブ ロー リュ ル プリマティス 21

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．リン酸塩を含まない、Ｅｒ／Ｙｂが共にドープされたホウケイ酸塩ガラス組 成物であって、 − 60-70重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が常に4 0重量部より多くを表し、 − 8-12重量部のＢ₂Ｏ₃、 − 10-25重量部のＭ₂Ｏであって、ここで、Ｍ₂Ｏが、以下の酸化物：0-20重 量部の間にあるＮａ₂Ｏ、0-20重量部の間にあるＫ₂Ｏおよび0-10重量部の間に あるＬｉ₂Ｏからなる群より選択される少なくとも一つのアルカリ金属酸化物 である、 − 0-3重量部のＢａＯ、 − 0.01-5重量部のＥｒ₂Ｏ₃から100重量部が構成されたもの、 − 0.1-12重量部のＹｂ₂Ｏ₃および0から5重量部未満のＦを含み、 この中のホウ素原子が四面体空間配位のものであることを特徴とする組成物。 ２．前記組成物の中で、［ＢａＯ＋0.5（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）］が、100 重量部の［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂+Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅｒ₂Ｏ₃]の5-12重量 部を示すことを特徴とする請求の範囲第１項記載の組成物。 ３．前記組成物が、 − 65-68重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が常に4 0重量部より多くを表し、 − 11-12重量部のＢ₂Ｏ₃、 − 10-25重量部のＭ₂Ｏ、 − 0-1重量部のＢａＯ、 − 0.5-3重量部のＥｒ₂Ｏ₃から100重量部が構成されたもの、 − 1-10重量部のＹｂ₂Ｏ₃および0から5重量部未満のＦを含むことを特徴と する請求の範囲第１項または第２項記載の組成物。 ４．前記組成物が、100重量部の［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋ Ｅｒ₂Ｏ₃]に関して、２重量部までを示す合計量で、酸化物：Ｓｂ₂Ｏ₃および ＡＳ₂Ｏ₃のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求の範囲第１項か ら第３項いずれかに記載の組成物。 ５．モル比Ｋ／Ｎａが１より大きいことを特徴とする請求の範囲第１項から第４ 項いずれかに記載の組成物。 ６．前記組成物が約1.5の屈折率を有することを特徴とする請求の範囲第１項か ら第５項いずれかに記載の組成物。 ７．レーザまたは光増幅器として使用するのに都合よいことを特徴とする請求の 範囲第１項から第６項いずれかに記載の組成物。 ８．コアおよびクラッドを有する導波路を備えた光学素子であって、該導波路の 少なくともコアが請求の範囲第１項から第７項いずれかに記載のガラス組成物 であることを特徴とする光学素子。 ９．酸化物Ｅｒ₂Ｏ₃およびＹｂ₂Ｏ₃が実質的に前記コア内のみに存在することを 特徴とする請求の範囲第８項記載の光学素子。 10．ファイバ導波路またはプレーナ導波路を備えることを特徴とする請求の範囲 第８項または第９項記載の光学素子。 11．コアおよびクラッドを有する導波路を含み、光信号非増幅受動セクションお よび光信号増幅能動セクションを備えたモノリシック光学素子であって、該素 子が、前記受動および能動セクションのそれぞれコアおよびクラッド全体に亘 り実質的に均一な屈折率を有する、リン酸塩を含まないホウケイ酸塩ガラス組 成物により特徴付けられ、前記受動セクションのガラス組成が、 − 60-70重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が常に4 0重量部より多くを表し、 − 8-12重量部のＢ₂Ｏ₃、 − 10-25重量部のＭ₂Ｏであって、ここで、Ｍ₂Ｏが請求の範囲第１項記に定 義したようなものであり、 − 0-3重量部のＢａＯおよび − １００重量部の［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ］に関して 、０から５重量部未満のＦを含むが； 光信号増幅元素成分が実質的に含まれず； 前記能動セクションのガラス組成が、 − 60-70重量部のＳｉＯ₂またはＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂であって、ＳｉＯ₂が常に4 0重量部より多くを表し、 − 8-12重量部のＢ₂Ｏ₃、 − 10-25重量部のＭ₂Ｏであって、ここで、Ｍ₂Ｏが請求の範囲第１項に定義 したようなものであり、 − 0-3重量部のＢａＯ、 − 0.01-5重量部のＥｒ₂Ｏ₃から100重量部が構成されたもの、 0.1-12重量部のＹｂ₂Ｏ₃および0から5重量部未満のＦを含み、 前記受動セクションおよび能動セクションのガラス組成が四面体空間配位のホ ウ素原子を含有することを特徴とする光学素子。 12．前記ガラス組成内において、［ＢａＯ＋0.5（Ｌｉ₂Ｏ＋Ｎａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ）］ が、前記受動セクションに関しては［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋Ｂ ａＯ］の、前記能動セクションに関しては［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂ Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅｒ₂Ｏ₃］の100重量部に関して5-12重量部を示すことを特徴と する請求の範囲第11項記載の光学素子。 13．前記ガラス組成物は、前記受動セクションの［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂＋Ｂ₂Ｏ₃＋ Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ］の100重量部および前記能動セクションの［ＳｉＯ₂＋ＧｅＯ₂ ＋Ｂ₂Ｏ₃＋Ｍ₂Ｏ＋ＢａＯ＋Ｅｒ₂Ｏ₃］の１００重量部の、2重量部までを示す 合計量で酸化物：Ｓｂ₂Ｏ₃およびＡｓ₂Ｏ₃のうちの少なくとも一つを含有する ことを特徴とする請求の範囲第11項または第12項記載の光学素子。 14．前記酸化物Ｅｒ₂Ｏ₃およびＹｂ₂Ｏ₃が実質的に前記能動セクションのコア内 のみに存在することを特徴とする請求の範囲第11項から第13項いずれかに記載 の光学素子。