JP2002145636A - 光増幅ガラス - Google Patents

光増幅ガラス

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Abstract

(57)【要約】 【課題】濃度消光による発光効率の低下が起りにくく、
かつガラス転移点が高い光増幅ガラスの提供。 【解決手段】マトリクスガラスに質量百分率表示で0.
01〜10%のErが添加されている光増幅ガラスであ
って、該マトリクスガラスがモル%表示で、Bi 23
20〜80%、Yb23を0.01〜10%、B23
SiO2を5〜75%、Ga23+WO3+TeO2
0.1〜35%含有する光増幅ガラス。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は光増幅ガラスに関す
る。特に、1.53〜1.63μmの波長の光に対し広
帯域で増幅可能な光増幅ガラスに関する。
【0002】
【従来の技術】光通信分野への応用を目的として、マト
リクスガラスにEr(エルビウム)を添加した光増幅ガ
ラスをコアとした光ファイバ増幅器(EDFA)の研究
開発が進められている。従来提案されている代表的なE
DFAとして、前記マトリクスガラスが石英系ガラスで
あるEr添加石英系ファイバ、前記マトリクスガラスが
フッ化物ガラスであるEr添加フッ化物ファイバが挙げ
られる。一方、将来見込まれる通信サービスの多様化に
対応するために、伝送容量の拡大が可能な波長多重光通
信方式(WDM)が提案されている。WDMは、波長多
重のチャンネル数を増加させて伝送容量の増大を図るも
のであり、前記EDFAのWDMへの応用も検討されて
いる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来知られているEr
添加石英系ファイバには、そのファイバ単位長さあたり
の光増幅率を増大させるためにEr添加量を増加してい
くと濃度消光によって発光効率が低下し、かえってファ
イバ単位長さあたりの光増幅率が低下する問題があっ
た。たとえば、1999年にAcademic Pre
ss社から発行されたErbium doped fi
ber amplifiers(Erドープファイバ増
幅器)という書物の113頁には、Er添加石英系ファ
イバにおいてEr3+の濃度が0.04モル%でも濃度消
光が起こる旨の記載がある。石英系ガラスであるマトリ
クスガラスを100%としたときの質量百分率表示で前
記濃度を表すと0.11%である。
【0004】Er添加石英系ファイバにおいては、濃度
消光のため、Er添加量増加によってファイバ単位長さ
あたりの光増幅率を増大させ短いファイバによって所望
の光増幅率を得ることは困難であり、その使用長は典型
的には10〜30mまたはそれ以上であった。
【0005】また、Er添加フッ化物ファイバには、光
増幅のための励起光の強度が大きくなると熱的に損傷す
るおそれがあった。これはフッ化物ガラスのガラス転移
点T gが低く、典型的には320℃以下であることによ
る。
【0006】近年、WDMシステムの開発の進展にとも
なってコンパクトな光増幅器が求められており、そのよ
うな光増幅器に用いられる光増幅媒体のコンパクト化が
望まれている。光増幅媒体のコンパクト化、すなわち短
い光増幅媒体によって所望の光増幅を得るためには、濃
度消光による発光効率の低下が起こりにくいこと、およ
び、励起光による熱的損傷のおそれがないことが求めら
れる。
【0007】本発明は、以上の課題を解決し、濃度消光
による発光効率の低下が起こりにくく、かつTgが高い
光増幅ガラスの提供を目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、マトリクスガ
ラスに質量百分率表示で0.01〜10%のErが添加
されている光増幅ガラスであって、該マトリクスガラス
がモル%表示で、Bi 23を20〜80%、Yb23
0.01〜10%含有し、かつ、B23およびSiO2
の少なくともいずれか一方を含有し、B23およびSi
2の含有量の合計が5〜75%であり、Ga23、W
3およびTeO2からなる群の1種以上を含有し、Ga
23、WO3およびTeO2の含有量の合計が0.1〜3
5%である光増幅ガラスを提供する。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明の光増幅ガラス(以下本発
明のガラスという。)は光増幅媒体であり、通常、コア
/クラッド構造を有するガラスファイバまたは同構造を
有する平面導波路のコアガラスとして使用される。
【0010】本発明のガラスのTgは360℃以上であ
ることが好ましい。その理由は、光増幅のための励起光
として強度の大きいレーザー光を使用するとガラスの温
度が局所的に高くなり、Tgが360℃未満では、ガラ
スが熱的に損傷し、その結果光損失が増加して光増幅が
不充分となるおそれがあるからである。より好ましくは
400℃以上、特に好ましくは420℃以上である。
【0011】本発明におけるマトリクスガラスには光増
幅機能を付与するためにErが添加される。マトリクス
ガラスを100%としたときのErの質量百分率表示の
添加量(Er添加量)が0.01%未満では、所望の光
増幅が得られない。好ましくは0.1%以上、より好ま
しくは0.3%以上である。10%超では、ガラス化が
困難になる、または、濃度消光のためにかえって光増幅
率が低下する。好ましくは8%以下、より好ましくは5
%以下、特に好ましくは4%以下である。光増幅媒体の
長さを小さくしたい場合にはEr添加量を多くすること
が好ましく、たとえば1%以上とすることが好ましい。
【0012】次に、本発明におけるマトリクスガラスの
成分について、モル%を単に%と表示して以下に説明す
る。Bi23は必須成分である。その含有量が20%未
満では利得が得られる波長幅Δλが小さい。好ましくは
30%以上、より好ましくは35%以上、特に好ましく
は40%以上である。80%超では、ガラス化が困難に
なる、ファイバ加工時に失透する、またはTgが低くな
りすぎる。好ましくは70%以下、より好ましくは60
%以下、特に好ましくは50%以下である。ここでいう
失透とは結晶析出の顕著なものであり、ファイバ加工時
にファイバ切れを起こしたり、光増幅ガラスファイバと
しての使用時にファイバ破壊を起こしたりするものであ
る。
【0013】Yb23は濃度消光を起こりにくくする効
果または光増幅率を増大させる効果を有し、必須であ
る。0.01%未満では前記効果が小さい。好ましくは
0.1%以上、より好ましくは0.5%以上である。1
0%超ではガラス化が困難になる。好ましくは8%以
下、より好ましくは5%以下である。
【0014】B23およびSiO2はネットワークフォ
ーマであり、ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス
形成を容易にするために、少なくともいずれか一方は含
有しなければならない。これらの含有量の合計が5%未
満では、ガラス化が困難になる、またはファイバ加工時
に失透する。より好ましくは10%以上、さらに好まし
くは15%以上、特に好ましくは19%以上、最も好ま
しくは25%以上である。75%超では光増幅率が低下
する。より好ましくは60%以下、さらに好ましくは5
5%以下、特に好ましくは45%以下、最も好ましくは
40%以下である。
【0015】B23の含有量は75%以下でなければな
らないが、好ましくは60%以下、より好ましくは45
%以下、特に好ましくは30%以下である。B23を含
有する場合、その含有量は1%以上であることが好まし
い。
【0016】SiO2の含有量は75%以下でなければ
ならないが、好ましくは60%以下、より好ましくは5
0%以下、特に好ましくは45%以下、最も好ましくは
40%以下である。SiO2を含有する場合、その含有
量は1%以上であることが好ましい。より好ましくは1
0%以上、特に好ましくは19%以上、最も好ましくは
25%以上である。
【0017】Ga23、WO3およびTeO2はΔλを大
きくする成分であり、これら3成分の1種以上を含有し
なければならない。これらの含有量の合計が0.1%未
満ではΔλが小さくなる。好ましくは3%以上、より好
ましくは5%以上、特に好ましくは10%以上である。
35%超では光増幅率が低下する。好ましくは30%以
下、より好ましくは25%以下である。
【0018】Ga23の含有量は30%以下であること
が好ましい。より好ましくは20%以下である。Ga2
3を含有する場合、その含有量は、好ましくは1%以
上、より好ましくは5%以上、特に好ましくは10%以
上である。
【0019】WO3の含有量は30%以下であることが
好ましい。より好ましくは20%以下、特に好ましくは
10%以下である。WO3を含有する場合、その含有量
は、好ましくは1%以上、より好ましくは3%以上であ
る。
【0020】TeO2の含有量は30%以下であること
が好ましい。より好ましくは20%以下である。TeO
2を含有する場合、その含有量は、好ましくは1%以
上、より好ましくは3%以上である。
【0021】本発明におけるマトリクスガラスは、下記
酸化物基準で、 Bi23 20〜80%、 Yb23 0.01〜10%、 B23 0〜60%、 SiO2 0〜60%、 Ga23 0〜30%、 WO3 0〜30%、 TeO2 0〜30%、 Al23 0〜10%、 GeO2 0〜30%、 CeO2 0〜2%、 TiO2 0〜30%、 SnO2 0〜30%、 から本質的になることが好ましい。
【0022】Bi23、Yb23、B23、SiO2
Ga23、WO3およびTeO2については先に説明した
のでこれら7成分以外の成分について以下に説明する。
【0023】Al23は必須ではないが、ガラス作製時
の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にするために1
0%まで含有してもよい。10%超では光増幅率が低下
するおそれがある。より好ましくは9%以下、さらに好
ましくは8%以下、特に好ましくは7%以下、最も好ま
しくは5%以下である。Al23を含有する場合、その
含有量は0.1%以上であることが好ましい。より好ま
しくは1%以上、特に好ましくは2%以上である。
【0024】ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス
形成を容易にするために、Al23およびGa23の少
なくともいずれか一方を含有し、これらの含有量の合計
が30%以下であることが好ましい。30%超ではガラ
ス化が困難になるおそれがある、またはガラス転移点が
低くなりすぎるおそれがある。より好ましくは25%以
下である。また、前記含有量の合計は、好ましくは1%
以上、より好ましくは3%以上、特に好ましくは10%
以上である。
【0025】GeO2は必須ではないが、ガラス形成を
容易にする効果、または屈折率を高くする効果を有し、
30%まで含有してもよい。30%超ではガラスが結晶
化しやすくなる。好ましくは10%以下、より好ましく
は5%以下である。GeO2を含有する場合、その含有
量は0.1%以上であることが好ましい。より好ましく
は1%以上である。
【0026】CeO2は必須ではないが、Bi23がガ
ラス融液中で金属ビスマスとなって析出しガラスの透明
性を低下させるのを防止するために、2%まで含有して
もよい。2%超ではガラスの黄色またはオレンジ色の着
色が顕著になり透過率が低下する。好ましくは1%以
下、より好ましくは0.5%以下である。CeO2を含
有する場合、その含有量は0.1%以上であることが好
ましい。透過率を高めたい場合はCeO2を実質的に含
有しないことが好ましい。
【0027】TiO2およびSnO2はいずれも必須では
ないが、ファイバ加工時の失透を抑制するために、それ
ぞれ30%までの範囲で含有してもよい。それぞれの含
有量は10%以下であることがより好ましい。
【0028】本発明における好ましいマトリクスガラス
は本質的に上記成分からなるが、他の成分を本発明の目
的を損なわない範囲で含有してもよい。該「他の成分」
の含有量の合計は10%以下であることが好ましい。た
とえば、ファイバ加工時の失透を抑制するため、または
ガラス化を容易にするために、MgO、CaO、Sr
O、BaO、ZrO2、La23、ZnO、CdO、I
23、PbO等を含有してもよい。
【0029】本発明のガラスの製造方法については特に
制限はなく、たとえば、原料を調合して混合し、白金ル
ツボ、アルミナルツボ、石英ルツボやイリジウムルツボ
中に入れ、800〜1300℃で空気中で溶解し、得ら
れた融液を所定のモールドにキャストする溶融法によっ
て製造できる。また、ゾルゲル法や気相蒸着法などの溶
融法以外の方法で製造してもよい。このようにして作製
したガラスからプリフォームを作成してファイバ化した
り、二重ルツボ法によってファイバ化することによって
光増幅ガラスファイバを作製できる。
【0030】
【実施例】表のBi23からCeO2までの欄にモル%
表示で示す組成のマトリクスガラスにErを添加したガ
ラスを、1200℃で溶解する溶融法により作製した。
Er添加量は、マトリクスガラスを100%とする質量
百分率表示で示す。例1〜4は実施例、例5は比較例で
ある。
【0031】例1〜5のガラスに、波長980nmのレ
ーザ光を照射して発光スペクトルを測定した。発光強度
の単位を任意単位として、発光スペクトルを図1に、発
光強度のピーク値を表に、それぞれ示す。また、波長
1.55μmにおける屈折率nをエリプソメータによ
り、ガラス転移点Tg(単位:℃)を示差熱分析(DT
A)により、それぞれ測定した。結果を表に示す。
【0032】例1〜5のガラスのEr添加量は質量百分
率表示で2.5%であって、前記Er添加石英系ファイ
バにおいて濃度消光が起るEr添加量0.11%よりも
大きいにもかかわらず、例1〜5においては顕著な濃度
消光は認められず光増幅が可能であることを示す。これ
は例1〜5におけるマトリクスガラスがBi23系ガラ
スであることによると考えられる。なかでも例1〜4の
ガラスの発光強度は、Er添加量が例1〜4と同じであ
って、かつYb23を含有しない例5のガラスの発光強
度に比べて大きく、より濃度消光が起りにくいものであ
ることがわかる。
【0033】
【表1】
【0034】
【発明の効果】本発明によれば、励起光として強度の大
きいレーザー光を使用しても熱的な損傷が起りにくく、
かつ、濃度消光の起こりにくい光増幅ガラスが得られ、
光増幅媒体のコンパクト化、さらには光増幅器のコンパ
クト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】例1〜例5の光増幅ガラスの発光スペクトルを
示す図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C03C 3/155 C03C 3/155 G02B 6/00 376 G02B 6/00 376B H01S 3/17 H01S 3/17 Fターム(参考) 2H050 AB18Z AB29Z AD00 4G062 AA04 AA06 BB01 BB05 BB07 CC10 DA01 DA02 DA03 DA04 DA05 DA06 DA10 DB01 DB02 DB03 DC01 DC02 DC03 DC04 DC05 DC06 DD01 DE01 DF01 EA01 EB01 EC01 ED01 EE01 EF01 EG01 FA01 FA10 FB01 FB02 FB03 FB04 FC01 FD01 FD02 FD03 FD04 FE01 FE02 FE03 FE04 FF01 FG01 FH01 FJ01 FK01 FL01 FL02 FL03 GA04 GA05 GA06 GA07 GB01 GC01 GD01 GD02 GD03 GD04 GE01 HH01 HH03 HH05 HH06 HH07 HH08 HH09 HH11 HH13 HH15 HH17 HH20 JJ01 JJ03 JJ05 JJ07 JJ10 KK01 KK03 KK05 KK06 KK07 KK08 KK10 MM04 NN01 5F072 AB09 AK06 JJ05 JJ20 RR01 YY17

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】マトリクスガラスに質量百分率表示で0.
    01〜10%のErが添加されている光増幅ガラスであ
    って、該マトリクスガラスがモル%表示で、Bi23
    20〜80%、Yb23を0.01〜10%含有し、か
    つ、B23およびSiO2の少なくともいずれか一方を
    含有し、B23およびSiO2の含有量の合計が5〜7
    5%であり、Ga23、WO3およびTeO2からなる群
    の1種以上を含有し、Ga23、WO3およびTeO2
    含有量の合計が0.1〜35%である光増幅ガラス。
  2. 【請求項2】マトリクスガラスが下記酸化物基準のモル
    %表示で、 Bi23 20〜80%、 Yb23 0.01〜10%、 B23 0〜60%、 SiO2 0〜60%、 Ga23 0〜30%、 WO3 0〜30%、 TeO2 0〜30%、 Al23 0〜10%、 GeO2 0〜30%、 CeO2 0〜2%、 TiO2 0〜30%、 SnO2 0〜30%、 から本質的になる請求項1に記載の光増幅ガラス。
  3. 【請求項3】マトリクスガラスがモル%表示で、Bi2
    3を35〜50%、Yb23を0.5〜5%、SiO2
    を25〜40%、Ga23を10〜20%、CeO2
    0.1〜0.5%含有する請求項2に記載の光増幅ガラ
    ス。
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