JP2003512988A - ナノ結晶ガラスセラミックファイバの製造方法 - Google Patents
ナノ結晶ガラスセラミックファイバの製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
ガラスセラミックの製造方法であって、光電子工学装置に用いるクラッド光ファイバもしくは別の部品のような、光電子工学材料の製造方法。前記方法は、遷移金属もしくはランタニド元素などから、少なくとも１種類の光学的活性イオンを添加されたナノ結晶体ガラスセラミックの素となる、先駆ガラスのガラス組成塊を用意するステップと、前記塊を溶解するステップと、ガラス棒を形成するステップと、チューブ形状の化学的に不活性なクラッド材料で前記ガラス棒を取り囲むステップと、組み合わされた先駆ガラス「ケイン−イン−チューブ」から、前記先駆ガラス組成の液相線温度よりやや高い温度で、ガラスファイバを引き伸ばすステップと、引き伸ばされたクラッドガラスファイバの少なくとも一部に、前記コア組成内でナノ結晶を進展させるための条件で熱処理を施すステップと、によって構成され、ガラスセラミックが形成される。
Description
【０００１】
本出願は1999年10月18日にジョージ エイチ．ビール、リンダ アール．ピン
クニー、ウィリアム ヴォックロースおよびジー ワングらによって「ナノ結晶
ガラスセラミックファイバおよびその製造方法」と題してなされた、米国仮出願
第60/160,052号の利益を主張する。
クニー、ウィリアム ヴォックロースおよびジー ワングらによって「ナノ結晶
ガラスセラミックファイバおよびその製造方法」と題してなされた、米国仮出願
第60/160,052号の利益を主張する。
【０００２】
本発明はガラスセラミック、特に、少なくとも１種類の光学的活性金属をドー
プされたナノ結晶を含む光電子材料の製造方法に関する。
プされたナノ結晶を含む光電子材料の製造方法に関する。
【０００３】
ここ数十年にわたって、ファイバ光システムは長距離通信の標準となってきて
いる。この光システムの優位性は、より古い金属製ベースのシステムに対して、
光リンクでのいくつかの利点から生じている。これらの利点は低損失であること
、高情報容量であること、１チャネルあたりのコストが低いこと、漏話や電気的
干渉のないこと、さらには物理的質量が小さいことなどである。現在、光ファイ
バシステムは1000kmを超える距離でも、１秒間に数百テラビットの情報を運んで
いる。光ファイバの通信容量は金属リンクの容量を超えるオーダーではあるが、
世界規模の通信では、年々倍のシステム通信容量が求められている。
いる。この光システムの優位性は、より古い金属製ベースのシステムに対して、
光リンクでのいくつかの利点から生じている。これらの利点は低損失であること
、高情報容量であること、１チャネルあたりのコストが低いこと、漏話や電気的
干渉のないこと、さらには物理的質量が小さいことなどである。現在、光ファイ
バシステムは1000kmを超える距離でも、１秒間に数百テラビットの情報を運んで
いる。光ファイバの通信容量は金属リンクの容量を超えるオーダーではあるが、
世界規模の通信では、年々倍のシステム通信容量が求められている。
【０００４】
遷移金属は、それらが赤外線領域（1000〜1500nm）付近で蛍光を発し、かつそ
れらは広い波長帯域において見られることから、結晶への光学的活性ドーパント
として長く用いられている。例えばアルファノらによる米国特許出願第4,987,57
5号において、Cr4+がドープされて1.3μm付近でレージング（lasing）可能な結
晶が開示されている。他にはチタンをドープしたサファイア（Ti：Al2O3）の例
があり、これはおよそ650〜1100nmの範囲の光ゲインを提供する。
れらは広い波長帯域において見られることから、結晶への光学的活性ドーパント
として長く用いられている。例えばアルファノらによる米国特許出願第4,987,57
5号において、Cr4+がドープされて1.3μm付近でレージング（lasing）可能な結
晶が開示されている。他にはチタンをドープしたサファイア（Ti：Al2O3）の例
があり、これはおよそ650〜1100nmの範囲の光ゲインを提供する。
【０００５】
多くの遷移金属ドーパントの有用な波長域やバンド幅が与えられることで、そ
れらの有利な特性が、テレコミュニケーション装置において良好に用いられるこ
とが理解できる。しかしながら、上記した第4,987,575号特許の結晶ホスト遷移
金属技術は、これらの用途には向いていない。なぜなら基本的な光通信媒体はガ
ラスベースの光ファイバだからである。一方で遷移金属ドーパントをガラスに含
ませることも考えられるが、かかる場合の性能は（特に効率の面で）、残念なが
ら非結晶ホストに対しては低下してしまい、特に結晶場の強さは、単一結晶ホス
トの場合に比べて著しく小さくなってしまうことが明らかになった。代わりに遷
移金属イオンを用いても、単に非結晶体中に含まれるだけで、増幅や送信品質へ
の貢献や影響は小さい。
れらの有利な特性が、テレコミュニケーション装置において良好に用いられるこ
とが理解できる。しかしながら、上記した第4,987,575号特許の結晶ホスト遷移
金属技術は、これらの用途には向いていない。なぜなら基本的な光通信媒体はガ
ラスベースの光ファイバだからである。一方で遷移金属ドーパントをガラスに含
ませることも考えられるが、かかる場合の性能は（特に効率の面で）、残念なが
ら非結晶ホストに対しては低下してしまい、特に結晶場の強さは、単一結晶ホス
トの場合に比べて著しく小さくなってしまうことが明らかになった。代わりに遷
移金属イオンを用いても、単に非結晶体中に含まれるだけで、増幅や送信品質へ
の貢献や影響は小さい。
【０００６】
別のアプローチが、前出のアルファノらによって米国出願特許第5,717,517号
で検討されている。ここではレーザ活性Cr+4（もしくはV+3）をドープした結晶
が、大量の粒子として製造されて非ガス状媒体中で分散せしめられる。この態様
では、ドーパントは結晶ホスト中でレーザ活性物として残り、一方でより大きな
これを取り囲む媒体は、ファイバ光技術と両立が可能である。かかる複合媒体か
らの光学的損失を最小限に留めるために、該粒子およびまわりを取り囲む媒体の
屈折率の差はどちらも小さくなければならない。これらの必要条件は前記アルフ
ァノらの特許出願でも認識されており、それゆえ該粒子径は0.05〜500μmでなけ
ればならないと明記されている。一方で、該屈折率のずれは0.1以下になるよう
規定されている。
で検討されている。ここではレーザ活性Cr+4（もしくはV+3）をドープした結晶
が、大量の粒子として製造されて非ガス状媒体中で分散せしめられる。この態様
では、ドーパントは結晶ホスト中でレーザ活性物として残り、一方でより大きな
これを取り囲む媒体は、ファイバ光技術と両立が可能である。かかる複合媒体か
らの光学的損失を最小限に留めるために、該粒子およびまわりを取り囲む媒体の
屈折率の差はどちらも小さくなければならない。これらの必要条件は前記アルフ
ァノらの特許出願でも認識されており、それゆえ該粒子径は0.05〜500μmでなけ
ればならないと明記されている。一方で、該屈折率のずれは0.1以下になるよう
規定されている。
【０００７】
非結晶媒体中の分散結晶粒子の概念が有効である間は、この技術にはいくつか
の厳しい障害があり、第１の障害は、適切な基質中に微細な粒子を作ることおよ
び、それらを一様に分布させることである。確かに損失は粒子の大きさによって
減少し、それゆえに粒子の大きさは最も小さい方（0.05μm）が望ましい。しか
しながら、素材を磨耗させることは、一般的に1μm以下の粒子を作ることが困難
であることを意味しており、カンラン石を生成するゾル−ゲル法でさえ、1μmよ
り小さい粒子を達成することは難しい。いくつかの技術によっては0.5μmスケー
ルの粒子を達成することができるが、別のオーダーを小さくすることは困難であ
ると思われる。たとえ最小の粒子サイズの0.05μmを可能ならしめたとしても、
簡単な散逸損失の分析によって、本技術の別の重大な欠点が明らかになる。
の厳しい障害があり、第１の障害は、適切な基質中に微細な粒子を作ることおよ
び、それらを一様に分布させることである。確かに損失は粒子の大きさによって
減少し、それゆえに粒子の大きさは最も小さい方（0.05μm）が望ましい。しか
しながら、素材を磨耗させることは、一般的に1μm以下の粒子を作ることが困難
であることを意味しており、カンラン石を生成するゾル−ゲル法でさえ、1μmよ
り小さい粒子を達成することは難しい。いくつかの技術によっては0.5μmスケー
ルの粒子を達成することができるが、別のオーダーを小さくすることは困難であ
ると思われる。たとえ最小の粒子サイズの0.05μmを可能ならしめたとしても、
簡単な散逸損失の分析によって、本技術の別の重大な欠点が明らかになる。
【０００８】
前述の材料面および技術面の欠点を克服するために、ガラスセラミック製光フ
ァイバの製造方法を説明する。ガラスセラミックの利点は、2000年10月11日にジ
ョージ エイチ．ビール、ニコラス エフ．ボレッリ、リンダ アール．ピンク
ニーおよびエリック ジェイ．モズディーらによって、「ガラスセラミックゲイ
ン媒体の遷移金属（TRANSITION-METAL GLASS-CERAMIC GAIN MEDIA）」と題して
米国特許に記述されており、ここでその開示内容は本明細書に記載されたものと
する。内部の核形成プロセスはガラスセラミックを形成し、このとき結晶化する
場所は小さく、かつ前記ガラスコアの至るところに一様に分布している。この結
晶は米国特許第5,717,517号に開示されているような新しい材料を導入すること
なく、元のガラス溶融体の組成材料から形成される。さらに光学的活性ドーパン
トは、単に散乱しただけの粒子と対比して、媒体全体に導入される。
ァイバの製造方法を説明する。ガラスセラミックの利点は、2000年10月11日にジ
ョージ エイチ．ビール、ニコラス エフ．ボレッリ、リンダ アール．ピンク
ニーおよびエリック ジェイ．モズディーらによって、「ガラスセラミックゲイ
ン媒体の遷移金属（TRANSITION-METAL GLASS-CERAMIC GAIN MEDIA）」と題して
米国特許に記述されており、ここでその開示内容は本明細書に記載されたものと
する。内部の核形成プロセスはガラスセラミックを形成し、このとき結晶化する
場所は小さく、かつ前記ガラスコアの至るところに一様に分布している。この結
晶は米国特許第5,717,517号に開示されているような新しい材料を導入すること
なく、元のガラス溶融体の組成材料から形成される。さらに光学的活性ドーパン
トは、単に散乱しただけの粒子と対比して、媒体全体に導入される。
【０００９】
ガラスセラミック材料から光ファイバを製造する際に、一般的に該ガラスセラ
ミック材料の性質には、ガラスファイバとして材料を引き伸ばすことと、結晶相
を増進させるために、その後ファイバに好ましい熱処理を施すことが必要とされ
る。現在知られている大部分のガラスセラミックファイバは、二重るつぼ（doub
le-crucible）法を用いて作られている。よって、ガラスをガラスセラミックへ
と変える引き伸ばし工程で、二重るつぼ法として知られる装置を採用することは
慣例となっている。この２つのるつぼによって、ファイバのコアガラスに用いる
ための中央部チューブが具現化される。該中央部チューブを取り囲むより大きな
径のチューブは、クラッドされたガラスで与えられる。前述のそれぞれのガラス
は溶融状態で各々のるつぼ内に管理され、クラッドファイバとして引き伸ばされ
るべく、チューブ型の流出口から流れ出す。
ミック材料の性質には、ガラスファイバとして材料を引き伸ばすことと、結晶相
を増進させるために、その後ファイバに好ましい熱処理を施すことが必要とされ
る。現在知られている大部分のガラスセラミックファイバは、二重るつぼ（doub
le-crucible）法を用いて作られている。よって、ガラスをガラスセラミックへ
と変える引き伸ばし工程で、二重るつぼ法として知られる装置を採用することは
慣例となっている。この２つのるつぼによって、ファイバのコアガラスに用いる
ための中央部チューブが具現化される。該中央部チューブを取り囲むより大きな
径のチューブは、クラッドされたガラスで与えられる。前述のそれぞれのガラス
は溶融状態で各々のるつぼ内に管理され、クラッドファイバとして引き伸ばされ
るべく、チューブ型の流出口から流れ出す。
【００１０】
ガラスセラミック組成から光ファイバを引き伸ばす上で、最も重大なことは、
ガラスファイバを形成しようとする際に、どのようにしてガラス組成が結晶化す
る強い傾向を抑制するかにある。この現象は、ガラスセラミックとなる先駆ガラ
スの組成、とりわけ本目的のためには高温のガラスセラミックが有用であるが、
結晶化のために意図的にデザインされているという事実による。従って本目的の
ためのクラッドガラスを引き伸ばす上で、重大な問題となるのは結晶化する強い
傾向を如何に抑制するかであり、それによってファイバをガラスとして管理する
。
ガラスファイバを形成しようとする際に、どのようにしてガラス組成が結晶化す
る強い傾向を抑制するかにある。この現象は、ガラスセラミックとなる先駆ガラ
スの組成、とりわけ本目的のためには高温のガラスセラミックが有用であるが、
結晶化のために意図的にデザインされているという事実による。従って本目的の
ためのクラッドガラスを引き伸ばす上で、重大な問題となるのは結晶化する強い
傾向を如何に抑制するかであり、それによってファイバをガラスとして管理する
。
【００１１】
我々はこれまでに二重るつぼ法を用いる上での様々な問題点を見出した。しか
し、本発明が行おうとしているアプローチにおける主要な欠点は、前記コア材料
と前記クラッド材料との間の強い化学的な相互拡散および（もしくは）相互作用
を受けるそれぞれのガラス成分の特性を改善することにある。なぜなら、どちら
のガラスも明らかに流体もしくは液相の状態にあるからである。該コアと該クラ
ッドのどちらの組成も、典型的にかなりの量の一価および二価イオンを含んでお
り、該イオンはコアとクラッドの界面を移動しやすい。拡散の問題点は、コアガ
ラスセラミックの構成物を部分的に大きく変えてしまうかもしれないということ
であり、さらに、その後の熱処理においてセラミック化（cerammed）できなくし
てしまうということである。
し、本発明が行おうとしているアプローチにおける主要な欠点は、前記コア材料
と前記クラッド材料との間の強い化学的な相互拡散および（もしくは）相互作用
を受けるそれぞれのガラス成分の特性を改善することにある。なぜなら、どちら
のガラスも明らかに流体もしくは液相の状態にあるからである。該コアと該クラ
ッドのどちらの組成も、典型的にかなりの量の一価および二価イオンを含んでお
り、該イオンはコアとクラッドの界面を移動しやすい。拡散の問題点は、コアガ
ラスセラミックの構成物を部分的に大きく変えてしまうかもしれないということ
であり、さらに、その後の熱処理においてセラミック化（cerammed）できなくし
てしまうということである。
【００１２】
それゆえに、問題点は本発明が解決すべく存在する。本発明は、前記光ファイ
バの製造プロセスにおける、コア材料およびクラッド材料間の相互拡散を最小化
するための方法を提供する。本発明の方法は、以下に記述するが、ガラスセラミ
ック材料のファイバ化に対する全く異なる方法であり、とりわけクラッドの方法
に関して特別な利点を提供する。また本方法は、ある特定のガラスセラミック組
成に対して好ましいファイバ化方法である。
バの製造プロセスにおける、コア材料およびクラッド材料間の相互拡散を最小化
するための方法を提供する。本発明の方法は、以下に記述するが、ガラスセラミ
ック材料のファイバ化に対する全く異なる方法であり、とりわけクラッドの方法
に関して特別な利点を提供する。また本方法は、ある特定のガラスセラミック組
成に対して好ましいファイバ化方法である。
【００１３】
本発明は、光ファイバを引き伸ばし成形する際に、レーザや増幅器を含む光電
子工学へ応用するために、クラッド光ファイバおよび他の材料を、不必要にクラ
ッド材料によってファイバコアが汚染されることなく製造する方法に属する。よ
り詳しく言えば、本発明は、クラッド光ファイバを作成するロッド−イン−チュ
ーブ（rod-in-tube）プロセスを修正することによって、光電子材料を作るため
の独特な方法を提供する。該ガラスセラミックファイバコアの原料である、先駆
ガラス組成への汚染要素の散乱は最小限に保たれる。このコアの純度および光へ
の透明度を保つことは、光電子工学への応用の上で実用的でかつ好まれている。
この方法はビスカス−リキッド−イン−チューブ（viscous-liquid-in-tube）プ
ロセスと表現されるのが最も良いだろう。よって、ガラスセラミック材料を作る
ための、光学的活性イオンをドープされたナノ結晶を含む先駆ガラス組成は、よ
り耐火性もしくは耐熱性のクラッド材料が用いられる。本発明の方法によれば、
先駆ガラス組成は、第１に調合され棒状に成形される。第２に、例えば変形され
たシリカを含む化学的に不活性なクラッド材料は、ガラス棒をうまく取り囲むよ
うなチューブ形状に成形される。第３に、ガラスファイバは、ファイバコアガラ
ス組成の液相線よりやや高い温度で、併用型のプレカーソル−グラス−ケイン−
イン−チューブ（precursor-glass-cane-in-tube）法によって引き伸ばされ、そ
の後、少なくとも引き伸ばされたクラッドガラスファイバの一部は、コア組成の
中にナノ結晶を発生させるために熱処理を加えられて、ガラスセラミックを形成
する。
子工学へ応用するために、クラッド光ファイバおよび他の材料を、不必要にクラ
ッド材料によってファイバコアが汚染されることなく製造する方法に属する。よ
り詳しく言えば、本発明は、クラッド光ファイバを作成するロッド−イン−チュ
ーブ（rod-in-tube）プロセスを修正することによって、光電子材料を作るため
の独特な方法を提供する。該ガラスセラミックファイバコアの原料である、先駆
ガラス組成への汚染要素の散乱は最小限に保たれる。このコアの純度および光へ
の透明度を保つことは、光電子工学への応用の上で実用的でかつ好まれている。
この方法はビスカス−リキッド−イン−チューブ（viscous-liquid-in-tube）プ
ロセスと表現されるのが最も良いだろう。よって、ガラスセラミック材料を作る
ための、光学的活性イオンをドープされたナノ結晶を含む先駆ガラス組成は、よ
り耐火性もしくは耐熱性のクラッド材料が用いられる。本発明の方法によれば、
先駆ガラス組成は、第１に調合され棒状に成形される。第２に、例えば変形され
たシリカを含む化学的に不活性なクラッド材料は、ガラス棒をうまく取り囲むよ
うなチューブ形状に成形される。第３に、ガラスファイバは、ファイバコアガラ
ス組成の液相線よりやや高い温度で、併用型のプレカーソル−グラス−ケイン−
イン−チューブ（precursor-glass-cane-in-tube）法によって引き伸ばされ、そ
の後、少なくとも引き伸ばされたクラッドガラスファイバの一部は、コア組成の
中にナノ結晶を発生させるために熱処理を加えられて、ガラスセラミックを形成
する。
【００１４】
前述のように、大部分のガラスセラミック組成から光ファイバを引き伸ばす従
来の方法は、二重るつぼ法の使用が不可欠であった。この方法は、クラッド材料
によって、ファイバコアで用いられる先駆ガラスの汚染を悪化させてしまう傾向
がある。汚染によって、後で成形された前記コアのガラスセラミック材料組成は
、一部を大きく変えられてしまう。本発明では、電気通信の分野で用いられるク
ラッド光ファイバおよび他の光電子工学装置に対する、独自の製造方法が提案さ
れている。本発明は、クラッド光ファイバをレーザおよび増幅器のような光電子
工学装置として示すことで説明される。しかし、本発明はその説明によって限定
される必要はなく、クラッド材料の当業者であれば、疑いなく容易に別の適用例
が理解できるだろう。
来の方法は、二重るつぼ法の使用が不可欠であった。この方法は、クラッド材料
によって、ファイバコアで用いられる先駆ガラスの汚染を悪化させてしまう傾向
がある。汚染によって、後で成形された前記コアのガラスセラミック材料組成は
、一部を大きく変えられてしまう。本発明では、電気通信の分野で用いられるク
ラッド光ファイバおよび他の光電子工学装置に対する、独自の製造方法が提案さ
れている。本発明は、クラッド光ファイバをレーザおよび増幅器のような光電子
工学装置として示すことで説明される。しかし、本発明はその説明によって限定
される必要はなく、クラッド材料の当業者であれば、疑いなく容易に別の適用例
が理解できるだろう。
【００１５】
本発明は、丈夫なクラッドと併用する透明なガラスセラミックファイバコアを
製造する方法において、材料の温度特性を用いることを必要とする。図１Ａおよ
び図１Ｂに、本発明に関連する熱力学原理を示す。現在低い温度範囲で用いられ
ているロッド−イン−チューブ引き伸ばしプロセスと対照的に、図１Ａで示され
るガラス遷移温度（Tg）と結晶化温度（Tx）との間で、本発明のプロセスは、高
い温度範囲で生じる。本発明で用いられている範囲より低い温度では、しばしば
大きすぎる結晶が形成されて効果的な光の透過を妨げてしまい、コアのガラス組
成は不透明になってしまう傾向がある。それゆえ、引き伸ばしおよびクラッドの
過程では、ガラスファイバのいかなる制御不能な結晶化も避けることが望ましい
。製造過程の早い段階での結晶形成は不都合であり、後の段階で多くの複雑な要
因を引き起こすことがある。該コアのガラス組成は、製造の早い段階ではガラス
状のままで保持されるべきである。図１Ｂに見られるように、予備の引き伸ばし
を行う際に完全にガラスセラミック組成の結晶化を避けるために、引き伸ばし工
程は、ファイバのコアとしての候補となる材料の液相線温度（Tl）の、ほんの少
し上の温度で行われるべきである。他の極端な温度では、現在の二重るつぼプロ
セスに対して適当に、外側のクラッド材料はやわらか過ぎる状態になり、合成種
（compositional species）は可動性となる。従って、前述の通り、コアとクラ
ッド組成との間に多くの化学反応が起こりすぎてしまう。高い温度に抵抗を示し
、前記コアガラス組成と化学的に反応もしくは拡散する見込みがないクラッド材
料は、引き伸ばし工程が始まる前にファイバコアを取り囲むために用いられる。
従って、新しい方法は、本質的にコアおよびクラッド材料それぞれの温度力学の
転換が必要となる。言い換えれば、たとえ両材料が引き伸ばしプロセスで同じ温
度に置かれたとしても、それらの温度は、さらに粘性のある前記クラッド材料の
動的に制御された結晶化温度（Tx）より低い温度に同時に保たれている間は、コ
ア内部のガラスの液相線温度（Tl）よりやや高くなる。本プロセスは、概念的に
は、ロッド−イン−チューブ法と二重るつぼ法との混成物と表現することもでき
る。
製造する方法において、材料の温度特性を用いることを必要とする。図１Ａおよ
び図１Ｂに、本発明に関連する熱力学原理を示す。現在低い温度範囲で用いられ
ているロッド−イン−チューブ引き伸ばしプロセスと対照的に、図１Ａで示され
るガラス遷移温度（Tg）と結晶化温度（Tx）との間で、本発明のプロセスは、高
い温度範囲で生じる。本発明で用いられている範囲より低い温度では、しばしば
大きすぎる結晶が形成されて効果的な光の透過を妨げてしまい、コアのガラス組
成は不透明になってしまう傾向がある。それゆえ、引き伸ばしおよびクラッドの
過程では、ガラスファイバのいかなる制御不能な結晶化も避けることが望ましい
。製造過程の早い段階での結晶形成は不都合であり、後の段階で多くの複雑な要
因を引き起こすことがある。該コアのガラス組成は、製造の早い段階ではガラス
状のままで保持されるべきである。図１Ｂに見られるように、予備の引き伸ばし
を行う際に完全にガラスセラミック組成の結晶化を避けるために、引き伸ばし工
程は、ファイバのコアとしての候補となる材料の液相線温度（Tl）の、ほんの少
し上の温度で行われるべきである。他の極端な温度では、現在の二重るつぼプロ
セスに対して適当に、外側のクラッド材料はやわらか過ぎる状態になり、合成種
（compositional species）は可動性となる。従って、前述の通り、コアとクラ
ッド組成との間に多くの化学反応が起こりすぎてしまう。高い温度に抵抗を示し
、前記コアガラス組成と化学的に反応もしくは拡散する見込みがないクラッド材
料は、引き伸ばし工程が始まる前にファイバコアを取り囲むために用いられる。
従って、新しい方法は、本質的にコアおよびクラッド材料それぞれの温度力学の
転換が必要となる。言い換えれば、たとえ両材料が引き伸ばしプロセスで同じ温
度に置かれたとしても、それらの温度は、さらに粘性のある前記クラッド材料の
動的に制御された結晶化温度（Tx）より低い温度に同時に保たれている間は、コ
ア内部のガラスの液相線温度（Tl）よりやや高くなる。本プロセスは、概念的に
は、ロッド−イン−チューブ法と二重るつぼ法との混成物と表現することもでき
る。
【００１６】
図２は、本発明によるクラッドファイバの断面図である。図２では、クラッド
ファイバは番号10で明示されている。クラッドファイバ10は、ファイバ12に積層
され、これを包むクラッド層14を有するコアファイバ12で構成されている。寸法
は明瞭になるように、かなり誇張されている。 該ファイバコア12は、ほぼ100ないし200から2500ポアズの範囲の液相線上粘性
を有する高温ガラスセラミック材料で作られる。液相線温度のガラスコア組成の
粘性は、従来のガラス標準によって低くなるかもしれないが、にもかかわらず該
コア材料は、成分要素の拡散を最小化するために、液相線温度で十分な高粘性を
有する。ファイバを作成する本発明の方法で、良好に機能できるガラスセラミッ
ク組成は、典型的に約900℃より高い軟化点温度を有する。かかる種類のガラス
組成に対する具体例は、十分に透明で光の活性度を与える遷移金属をドープされ
た、アルファおよびベータウィレマイト（珪酸亜鉛鉱）ガラスセラミック（リン
ダ・アール・ピンクニーによってなされ、本出願と同じ出願人に譲渡されている
米国特許出願（発明の名称「アルファおよびベータウィレマイトに基づくガラス
セラミックス（GLASS-CERAMICS BASED ON ALPHA- AND BETA-WILLEMITE）」）を
含み、もしくは、遷移金属をドープされ、光増幅器および（または）レーザポン
プの利得媒体のように、適当な性質を示すガラスセラミック材料（ジョージ・エ
イチ・ビールおよびリンダ・アール・ピンクニーによってなされ、同様に本出願
と同じ出願人に譲渡されている米国特許出願（発明の名称「透明な（リチウム、
亜鉛、マグネシウム）オルト珪酸塩ガラスセラミックス（TRANSPARENT（LITHIUM
、ZINC、MAGNESIUM）ORTHOSILICATE GLASS-CERAMICS）」）を含む。前述の両特
許出願は、2000年10月11日に出願されたもので、その開示内容は本明細書に記載
されたものとする。これらのガラスセラミックの組成は、定義する結晶相が現存
するナノ結晶であると特徴づけられる。すなわち、結晶の径がおよそ50nmから25
nmより大きくならない範囲で変動し、10nmから5nmほどに小さくなる時さえある
。さらに、これらの組成は、少なくとも１種類の光学的活性イオンをドープされ
ている。光学的活性イオンは、例えば、遷移金属もしくはランタニド元素のどち
らかから選択することができる。
ファイバは番号10で明示されている。クラッドファイバ10は、ファイバ12に積層
され、これを包むクラッド層14を有するコアファイバ12で構成されている。寸法
は明瞭になるように、かなり誇張されている。 該ファイバコア12は、ほぼ100ないし200から2500ポアズの範囲の液相線上粘性
を有する高温ガラスセラミック材料で作られる。液相線温度のガラスコア組成の
粘性は、従来のガラス標準によって低くなるかもしれないが、にもかかわらず該
コア材料は、成分要素の拡散を最小化するために、液相線温度で十分な高粘性を
有する。ファイバを作成する本発明の方法で、良好に機能できるガラスセラミッ
ク組成は、典型的に約900℃より高い軟化点温度を有する。かかる種類のガラス
組成に対する具体例は、十分に透明で光の活性度を与える遷移金属をドープされ
た、アルファおよびベータウィレマイト（珪酸亜鉛鉱）ガラスセラミック（リン
ダ・アール・ピンクニーによってなされ、本出願と同じ出願人に譲渡されている
米国特許出願（発明の名称「アルファおよびベータウィレマイトに基づくガラス
セラミックス（GLASS-CERAMICS BASED ON ALPHA- AND BETA-WILLEMITE）」）を
含み、もしくは、遷移金属をドープされ、光増幅器および（または）レーザポン
プの利得媒体のように、適当な性質を示すガラスセラミック材料（ジョージ・エ
イチ・ビールおよびリンダ・アール・ピンクニーによってなされ、同様に本出願
と同じ出願人に譲渡されている米国特許出願（発明の名称「透明な（リチウム、
亜鉛、マグネシウム）オルト珪酸塩ガラスセラミックス（TRANSPARENT（LITHIUM
、ZINC、MAGNESIUM）ORTHOSILICATE GLASS-CERAMICS）」）を含む。前述の両特
許出願は、2000年10月11日に出願されたもので、その開示内容は本明細書に記載
されたものとする。これらのガラスセラミックの組成は、定義する結晶相が現存
するナノ結晶であると特徴づけられる。すなわち、結晶の径がおよそ50nmから25
nmより大きくならない範囲で変動し、10nmから5nmほどに小さくなる時さえある
。さらに、これらの組成は、少なくとも１種類の光学的活性イオンをドープされ
ている。光学的活性イオンは、例えば、遷移金属もしくはランタニド元素のどち
らかから選択することができる。
【００１７】
遷移金属をドープされたナノ結晶ガラスセラミックは、光電子工学に適用され
る新しいレーザおよび光増幅材料の特有の集合となる。特に、実用的な遷移金属
ドーパントは、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（Mn
）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、銅（Cu）などを含み、もしくは鉄（Fe）
さえも含むことができる。遷移金属イオンをドープされたガラスセラミック材料
は、典型的な広い放射特性を保護するだけでなく、同様にドーパントをドープさ
れた不定形の純ガラスホストに比べて、高くかつ結晶のような量子収量を示す傾
向がある。従って、前記材料は、分光器特性に関して純粋な結晶の利点を与える
。同じく、これらの材料は、その処理に関する範囲ではガラスの利点を与える。
同様の効果はランタニド元素の場合にも認められ、例えば、エルビウム（Er）、
ツリウム（Tm）、ネオジム（Nd）、プラセオジム（Pr）、もしくは、イッテルビ
ウム（Yb）、ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）などがガラスセラミック
にドープされる。
る新しいレーザおよび光増幅材料の特有の集合となる。特に、実用的な遷移金属
ドーパントは、チタン（Ti）、バナジウム（V）、クロム（Cr）、マンガン（Mn
）、コバルト（Co）、ニッケル（Ni）、銅（Cu）などを含み、もしくは鉄（Fe）
さえも含むことができる。遷移金属イオンをドープされたガラスセラミック材料
は、典型的な広い放射特性を保護するだけでなく、同様にドーパントをドープさ
れた不定形の純ガラスホストに比べて、高くかつ結晶のような量子収量を示す傾
向がある。従って、前記材料は、分光器特性に関して純粋な結晶の利点を与える
。同じく、これらの材料は、その処理に関する範囲ではガラスの利点を与える。
同様の効果はランタニド元素の場合にも認められ、例えば、エルビウム（Er）、
ツリウム（Tm）、ネオジム（Nd）、プラセオジム（Pr）、もしくは、イッテルビ
ウム（Yb）、ジスプロシウム（Dy）、ホルミウム（Ho）などがガラスセラミック
にドープされる。
【００１８】
いくつかのケースでは、前記コア材料中の少量のアルカリもしくはハロゲンイ
オンは失われ、該コアガラス組成の初期塊に少量の特別な揮発性成分を加えるこ
とによって、容易に補償されることができる。 光ファイバの製造における共通の実施事項は、光ファイバコアにクラッド層を
付けることである。該クラッド層は、図２のクラッド層14に示されるようにファ
イバを取り囲んでいる。また該クラッド層は、前記コアより屈折率が小さいので
、該ファイバコア内部の光信号を維持する役目を果たす。しかしながら、応力お
よび潜在的な亀裂を避けるために、該クラッドはコアの熱膨張係数（CTE）とか
なり近い値のものを用いるべきである。好ましくは、該クラッドの熱膨張係数は
、小さな圧縮応力を生じさせ、機械的強度の源を与えるために、コアの熱膨張係
数よりやや小さい方が良い。
オンは失われ、該コアガラス組成の初期塊に少量の特別な揮発性成分を加えるこ
とによって、容易に補償されることができる。 光ファイバの製造における共通の実施事項は、光ファイバコアにクラッド層を
付けることである。該クラッド層は、図２のクラッド層14に示されるようにファ
イバを取り囲んでいる。また該クラッド層は、前記コアより屈折率が小さいので
、該ファイバコア内部の光信号を維持する役目を果たす。しかしながら、応力お
よび潜在的な亀裂を避けるために、該クラッドはコアの熱膨張係数（CTE）とか
なり近い値のものを用いるべきである。好ましくは、該クラッドの熱膨張係数は
、小さな圧縮応力を生じさせ、機械的強度の源を与えるために、コアの熱膨張係
数よりやや小さい方が良い。
【００１９】
ここで、本発明に用いる光路にどのようなクラッド材料を選ぶべきかという問
題が生じる。本発明は光ファイバのための適切なクラッド材料を選定する上で、
以下に挙げる２点を満足する。第１かつ主要な点は、クラッド材料は比較的高い
粘性を示し、クラッド内で大量の可動種R+およびR2+がない状態であるべきであ
り、コア材料中での元素の拡散率を最小化する。この特性は、コアおよびクラッ
ド材料との間での相互拡散量を減らす。しかし、該クラッドは、該コア材料が溶
け過ぎ、柔らかすぎ、もしくは揮発する状態になる前に、十分柔らかく、または
引き伸ばしやすくなければならない。言い換えれば、該クラッドは、引き伸ばし
プロセスの温度で引き伸ばせる余地がある程十分に粘性を有していなければなら
ず、その間コアガラスは組織的に安定している、すなわち、膨大な揮発を避ける
ために、十分低い気体圧を有する必要がある。本発明のによれば、コア材料に対
するクラッド材料の粘性比率は、および３桁の大きさの違いがあり（クラッド：
コアで106：103）、拡散が最小化される。
題が生じる。本発明は光ファイバのための適切なクラッド材料を選定する上で、
以下に挙げる２点を満足する。第１かつ主要な点は、クラッド材料は比較的高い
粘性を示し、クラッド内で大量の可動種R+およびR2+がない状態であるべきであ
り、コア材料中での元素の拡散率を最小化する。この特性は、コアおよびクラッ
ド材料との間での相互拡散量を減らす。しかし、該クラッドは、該コア材料が溶
け過ぎ、柔らかすぎ、もしくは揮発する状態になる前に、十分柔らかく、または
引き伸ばしやすくなければならない。言い換えれば、該クラッドは、引き伸ばし
プロセスの温度で引き伸ばせる余地がある程十分に粘性を有していなければなら
ず、その間コアガラスは組織的に安定している、すなわち、膨大な揮発を避ける
ために、十分低い気体圧を有する必要がある。本発明のによれば、コア材料に対
するクラッド材料の粘性比率は、および３桁の大きさの違いがあり（クラッド：
コアで106：103）、拡散が最小化される。
【００２０】
液体コア材料は、できる限り低い蒸気圧を有する粘性液体として保たれる必要
がある。第２には、第１の場合と同時に、前記クラッドは、前記コアのガラスに
対して化学的に不活性でなければならない。すなわち、該クラッド材料は、粘性
液体コアに対して最小限の反応のみ行う。 これらの２点を満たすクラッド材料は、主としてドーパントで変質せしめられ
たシリカの組成を含む。シリカ変更のための適切なドーパントは、ホウ素（B）
、ゲルマニウム（Ge）、リン（P）、アルミニウム（Al）、ガリウム（Ga）、タ
ンタル（Ta）、チタン（Ti）、およびアンチモン（Sb）などの酸化物を含む。こ
れらの酸化物ドーパントは、シリカを伴う条件付きガラス形成酸化物として知ら
れており、これらのドーパントは、任意の１つが単独もしくは別のドーパントと
組み合わせて用いられる。
がある。第２には、第１の場合と同時に、前記クラッドは、前記コアのガラスに
対して化学的に不活性でなければならない。すなわち、該クラッド材料は、粘性
液体コアに対して最小限の反応のみ行う。 これらの２点を満たすクラッド材料は、主としてドーパントで変質せしめられ
たシリカの組成を含む。シリカ変更のための適切なドーパントは、ホウ素（B）
、ゲルマニウム（Ge）、リン（P）、アルミニウム（Al）、ガリウム（Ga）、タ
ンタル（Ta）、チタン（Ti）、およびアンチモン（Sb）などの酸化物を含む。こ
れらの酸化物ドーパントは、シリカを伴う条件付きガラス形成酸化物として知ら
れており、これらのドーパントは、任意の１つが単独もしくは別のドーパントと
組み合わせて用いられる。
【００２１】
前記ドーパントによって変質せしめられたシリカ材料、特にホウ素、ゲルマニ
ウム、および（もしくは）リンは、いくつかの関連性のある特性を示す。第１に
、ブリッジ結合のない酸素がこれらのクラッド材料の中に存在し、すべての原子
結合は完全に飽和状態にある。従って、これらの材料は化学的に強い不活性特性
を示す。ホウ素、ゲルマニウムおよびリン酸化物はそれぞれ好ましいが、中でも
ホウ素およびゲルマニウムがやや好ましい。リンは軟化点温度を下げるのにより
効果的であり、二重結合によって、ガラス構造に大きな空隙を残してしまう場合
がある。この空隙は、クラッドの化学的不活性特性を減らしつつ、アルカリイオ
ンに進入する余地を与えてしまう。一般に、アルカリ金属およびアルカリ土類金
属酸化物は、拡大の可能性を避ける。これらの化合物は、化学的不活性を減らし
、ガラスの軟化点温度を必要以上に低下させてしまう傾向がある。
ウム、および（もしくは）リンは、いくつかの関連性のある特性を示す。第１に
、ブリッジ結合のない酸素がこれらのクラッド材料の中に存在し、すべての原子
結合は完全に飽和状態にある。従って、これらの材料は化学的に強い不活性特性
を示す。ホウ素、ゲルマニウムおよびリン酸化物はそれぞれ好ましいが、中でも
ホウ素およびゲルマニウムがやや好ましい。リンは軟化点温度を下げるのにより
効果的であり、二重結合によって、ガラス構造に大きな空隙を残してしまう場合
がある。この空隙は、クラッドの化学的不活性特性を減らしつつ、アルカリイオ
ンに進入する余地を与えてしまう。一般に、アルカリ金属およびアルカリ土類金
属酸化物は、拡大の可能性を避ける。これらの化合物は、化学的不活性を減らし
、ガラスの軟化点温度を必要以上に低下させてしまう傾向がある。
【００２２】
第２に、アルカリ金属およびアルカリ土類金属酸化物を避けることで、前述の
金属群の軟化点温度は、およそ1200℃から純シリカの軟化点温度までの範囲で大
きく変化し、コア材料組成の性質に対する必要条件に依存する。本発明の実施例
によれば、高い軟化点温度によって、引き伸ばし温度がコア組成の液相線温度よ
りやや高くなる。第３に、高温のガラスセラミックは、およそ10〜90×10-7/℃
の範囲の熱膨張係数を有することができるが、20〜70×10-7/℃、もしくは30〜6
0×10-7/℃の範囲内になる方がさらに多くなる。用いられるクラッド材料は、そ
の後好ましくは、コアガラスの熱膨張係数よりいくらか低い値を有するようにな
る。例えば、該クラッドはその後、およそ5〜70×10-7/℃、もしくは15〜60×10 -7 /℃の範囲の熱膨張係数を有することができるが、15〜25×10-7/℃の範囲の方
がより多く見られる。前述した通り、前記熱膨張係数の差によって、圧縮応力が
クラッドファイバの強化を助長する。
金属群の軟化点温度は、およそ1200℃から純シリカの軟化点温度までの範囲で大
きく変化し、コア材料組成の性質に対する必要条件に依存する。本発明の実施例
によれば、高い軟化点温度によって、引き伸ばし温度がコア組成の液相線温度よ
りやや高くなる。第３に、高温のガラスセラミックは、およそ10〜90×10-7/℃
の範囲の熱膨張係数を有することができるが、20〜70×10-7/℃、もしくは30〜6
0×10-7/℃の範囲内になる方がさらに多くなる。用いられるクラッド材料は、そ
の後好ましくは、コアガラスの熱膨張係数よりいくらか低い値を有するようにな
る。例えば、該クラッドはその後、およそ5〜70×10-7/℃、もしくは15〜60×10 -7 /℃の範囲の熱膨張係数を有することができるが、15〜25×10-7/℃の範囲の方
がより多く見られる。前述した通り、前記熱膨張係数の差によって、圧縮応力が
クラッドファイバの強化を助長する。
【００２３】
本発明で製造されたファイバの、別の好ましい特徴は、シリカを主とするファ
イバ技術と両立可能であること、およびクラッドが多量のシリカを含むので、 容易に溶融接続できることなどがある。 カレット−インーチューブ（cullet-in-tube）法のような他の手法では、カレ
ットを加熱および溶かすために多くの時間が必要となり、クラッドにかなりの量
の拡散が生じることがある。本発明で用いられているコア材料は、すでにうまく
ガラス材料を形成しているので、成分元素の拡散傾向は低減される。
イバ技術と両立可能であること、およびクラッドが多量のシリカを含むので、 容易に溶融接続できることなどがある。 カレット−インーチューブ（cullet-in-tube）法のような他の手法では、カレ
ットを加熱および溶かすために多くの時間が必要となり、クラッドにかなりの量
の拡散が生じることがある。本発明で用いられているコア材料は、すでにうまく
ガラス材料を形成しているので、成分元素の拡散傾向は低減される。
【００２４】
ナノ結晶、ガラスセラミックコアおよび変質せしめられたシリカクラッド材料
などの性質が議論されることによって、本発明によるファイバ化の新しい方法は
容易に理解できるだろう。本方法は、ロッド−イン−チューブ法と似たアプロー
チであるが、本発明による方法は前述の材料の熱特性をより良く利用するため、
かなり異なる方法である。前段で触れた通り、本発明によるファイバの引き伸ば
しプロセスが、一般にガラスファイバコアの液相線温度よりも、ほんの少し高い
温度で実行されるべきであることは明白である。これは、結晶化の反応速度が十
分遅いかどうかについて関知しないわけではないが、該ファイバは、該コアガラ
スの液相線温度より低い温度で引き伸ばされることが可能である。加えて、変更
シリカクラッドのさらなる屈折性は、従来のロッド−イン−チューブ法のアプロ
ーチで用いられる以前のクラッド材料よりも、はるかに高い温度に対して耐え得
る。本発明の方法では、クラッドガラスファイバは、前述のように、先駆ガラス
から棒状に引き伸ばされ、変質せしめられたシリカのクラッド材料でクラッドさ
れることによって、最初に製造される。この変質せしめられたシリカチューブは
、好ましくは、外付け法（OVD）および気相軸析出法（VAD）などのような外付け
化学蒸着法（CVD）プロセスによって製作されが、伝統的な溶融もしくは炎色プ
ロセスも同様に用いることができる。化学蒸着法（CVD）は一価および二価のイ
オンを含む傾向のない変質せしめられたシリカクラッドを生成する。クラッドは
、機械的プロセスにおいてクラッド内部にコアを置くことによって、該コアに取
り付けられる。図１Ｂに示す通り、かかる引き伸ばしプロセスは、前記コアの液
相線温度より高く、かつ前記クラッドの結晶化温度より低い温度で行われる。該
クラッドガラスファイバは引き伸ばされ、その後結晶化のために、通例として、
引き伸ばしプロセスの間と（もしくは）その後のステップで適切な熱処理が施さ
れる。
などの性質が議論されることによって、本発明によるファイバ化の新しい方法は
容易に理解できるだろう。本方法は、ロッド−イン−チューブ法と似たアプロー
チであるが、本発明による方法は前述の材料の熱特性をより良く利用するため、
かなり異なる方法である。前段で触れた通り、本発明によるファイバの引き伸ば
しプロセスが、一般にガラスファイバコアの液相線温度よりも、ほんの少し高い
温度で実行されるべきであることは明白である。これは、結晶化の反応速度が十
分遅いかどうかについて関知しないわけではないが、該ファイバは、該コアガラ
スの液相線温度より低い温度で引き伸ばされることが可能である。加えて、変更
シリカクラッドのさらなる屈折性は、従来のロッド−イン−チューブ法のアプロ
ーチで用いられる以前のクラッド材料よりも、はるかに高い温度に対して耐え得
る。本発明の方法では、クラッドガラスファイバは、前述のように、先駆ガラス
から棒状に引き伸ばされ、変質せしめられたシリカのクラッド材料でクラッドさ
れることによって、最初に製造される。この変質せしめられたシリカチューブは
、好ましくは、外付け法（OVD）および気相軸析出法（VAD）などのような外付け
化学蒸着法（CVD）プロセスによって製作されが、伝統的な溶融もしくは炎色プ
ロセスも同様に用いることができる。化学蒸着法（CVD）は一価および二価のイ
オンを含む傾向のない変質せしめられたシリカクラッドを生成する。クラッドは
、機械的プロセスにおいてクラッド内部にコアを置くことによって、該コアに取
り付けられる。図１Ｂに示す通り、かかる引き伸ばしプロセスは、前記コアの液
相線温度より高く、かつ前記クラッドの結晶化温度より低い温度で行われる。該
クラッドガラスファイバは引き伸ばされ、その後結晶化のために、通例として、
引き伸ばしプロセスの間と（もしくは）その後のステップで適切な熱処理が施さ
れる。
【００２５】
従って要点を繰り返すと、本発明は、部分的には光電子工学の材料を作る１つ
の方法である。前記方法は、以下に挙げるいくつかのステップから構成される。 a）少なくとも１種類の光学的活性イオンをドープされた結晶ガラスセラミック
の素となる先駆ガラスのガラス組成を用意するステップ b）前記先駆ガラスをガラス棒状に形成するステップ c）前記ガラス棒を、好ましくは変更シリカから作られた化学的不活性クラッド
材料と組み合わせるステップ d）例えばファイバのような光学部品を、組み合わされたガラス棒とクラッドか
ら、比較的より流体に近い先駆ガラスの液相線温度よりやや高い温度で、かつ粘
性（ガラス）材料の動的結晶化温度より低い温度のもとで作ること e）前記先駆ガラス内のナノ結晶を進展させるために、この光学部品の少なくと
も一部を熱処理すること 光学的活性ドーパント元素は、遷移金属およびランタニドの中から選定される。
該ナノ結晶は、大きさがおよそ50nmより大きくない、5nm程度に小さいガラスセ
ラミックから形成される。
の方法である。前記方法は、以下に挙げるいくつかのステップから構成される。 a）少なくとも１種類の光学的活性イオンをドープされた結晶ガラスセラミック
の素となる先駆ガラスのガラス組成を用意するステップ b）前記先駆ガラスをガラス棒状に形成するステップ c）前記ガラス棒を、好ましくは変更シリカから作られた化学的不活性クラッド
材料と組み合わせるステップ d）例えばファイバのような光学部品を、組み合わされたガラス棒とクラッドか
ら、比較的より流体に近い先駆ガラスの液相線温度よりやや高い温度で、かつ粘
性（ガラス）材料の動的結晶化温度より低い温度のもとで作ること e）前記先駆ガラス内のナノ結晶を進展させるために、この光学部品の少なくと
も一部を熱処理すること 光学的活性ドーパント元素は、遷移金属およびランタニドの中から選定される。
該ナノ結晶は、大きさがおよそ50nmより大きくない、5nm程度に小さいガラスセ
ラミックから形成される。
【００２６】
本発明の方法によってガラス光ファイバを作製する上で、クラッド材料は引き
伸ばし温度で十分に粘性があり、コアガラスがクラッド材料よりも流動的であっ
ても、化学的に安定しており、前述の引き伸ばし温度で引き伸ばされる。このク
ラッドガラス塊は、化学蒸着法プロセスによってチューブとして形成される。該
クラッドガラスは、変質せしめられたシリカを含むガラスを与えるが、該シリカ
はホウ素、ゲルマニウム、リン、ガリウム、アルミニウム、タンタル、チタンお
よびアンチモンなどの酸化物で構成させるグループから、少なくとも１つ選択す
ることで変質せしめられる。従って、変質せしめられた前記クラッドガラスは、
少なくとも900〜1000℃、または1200℃の軟化点温度を有し、場合によっては純
溶融シリカの温度（1640〜1650℃）と同じくらい高くなることさえある。
伸ばし温度で十分に粘性があり、コアガラスがクラッド材料よりも流動的であっ
ても、化学的に安定しており、前述の引き伸ばし温度で引き伸ばされる。このク
ラッドガラス塊は、化学蒸着法プロセスによってチューブとして形成される。該
クラッドガラスは、変質せしめられたシリカを含むガラスを与えるが、該シリカ
はホウ素、ゲルマニウム、リン、ガリウム、アルミニウム、タンタル、チタンお
よびアンチモンなどの酸化物で構成させるグループから、少なくとも１つ選択す
ることで変質せしめられる。従って、変質せしめられた前記クラッドガラスは、
少なくとも900〜1000℃、または1200℃の軟化点温度を有し、場合によっては純
溶融シリカの温度（1640〜1650℃）と同じくらい高くなることさえある。
【００２７】
さらに、本発明の方法によって作成された光ファイバは、クラッドに囲まれた
ナノ結晶ガラスセラミックファイバコアで構成され、そのコアとクラッドとの間
の化学的な成分要素の移動は、ファイバ化プロセス並びに、該コアおよび該クラ
ッド材料の組成および温度パラメータを制御することによって最小化されるよう
になる。さらに、成分要素の移動は、コアとクラッドガラスとの間の屈折界面が
、該コアでの透過と導波に悪影響を及ぼさないように低減される。このファイバ
コアは、およそ10〜90×10-7/℃の範囲の熱膨張係数を有し、同様にクラッド材
料はおよそ5〜70×10-7/℃の範囲の熱膨張係数を有する。
ナノ結晶ガラスセラミックファイバコアで構成され、そのコアとクラッドとの間
の化学的な成分要素の移動は、ファイバ化プロセス並びに、該コアおよび該クラ
ッド材料の組成および温度パラメータを制御することによって最小化されるよう
になる。さらに、成分要素の移動は、コアとクラッドガラスとの間の屈折界面が
、該コアでの透過と導波に悪影響を及ぼさないように低減される。このファイバ
コアは、およそ10〜90×10-7/℃の範囲の熱膨張係数を有し、同様にクラッド材
料はおよそ5〜70×10-7/℃の範囲の熱膨張係数を有する。
【００２８】
現在のところ、発明者らによる実験は極めて良好に機能する方法を示し、実験
条件のもとで、申し分なく、セラミック化できるような、興味深い光通信適用の
ための遷移金属イオンの妥当な放出スペクトルを有する光ファイバを作成するこ
とができた。本発明の好ましい実施例が内容の説明のために詳細に開示されてき
たが、当業者であれば、添付の請求項および均等物によって定義されるように、
実施例に変更および変形などが行われ、他の実施例が発明の範囲を外れることな
く認められることが理解できるだろう。
条件のもとで、申し分なく、セラミック化できるような、興味深い光通信適用の
ための遷移金属イオンの妥当な放出スペクトルを有する光ファイバを作成するこ
とができた。本発明の好ましい実施例が内容の説明のために詳細に開示されてき
たが、当業者であれば、添付の請求項および均等物によって定義されるように、
実施例に変更および変形などが行われ、他の実施例が発明の範囲を外れることな
く認められることが理解できるだろう。
【図１Ａ】現在のロッド−イン−チューブ（RIT）および二重るつぼ（DC）ファ
イバ引き伸ばし方法を用いた、それぞれの温度域の示差熱分析（DTA）曲線であ
る。
イバ引き伸ばし方法を用いた、それぞれの温度域の示差熱分析（DTA）曲線であ
る。
【図１Ｂ】本発明によるビスカス−リキッド−イン−チューブプロセスを用いた
、ガラスセラミックのファイバ化の形成範囲における示差熱分析曲線である。
、ガラスセラミックのファイバ化の形成範囲における示差熱分析曲線である。
【図２】本発明によるクラッド光ファイバの断面図である。
─────────────────────────────────────────────────────
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）
Ｇ０２Ｂ 6/00 ３５６ Ｇ０２Ｂ 6/00 ３５６Ａ
(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，
ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ
Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＥ，ＡＧ，Ａ
Ｌ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ
，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，
ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ
Ｄ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ
，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，
ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，Ｍ
Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ
，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，
ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，Ｕ
Ｓ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ
(72)発明者 ヴォックロース ウィリアム ディー．
アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14830
コーニング ウェストポルトニーストリ
ート 133
(72)発明者 ワング ジー
アメリカ合衆国 ニューヨーク州 14870
ペインテッドポスト ジェイコブドライ
ブ ７
Ｆターム(参考） 4G015 EA02
4G021 BA02 BA03 EA03 HA00
4G062 AA06 AA07 BB01 LA02 LA03
LA04 LA06 LA07 LA10 LB02
LB03 LB04 LB06 LB07 LB10
MM04 MM40 NN19 NN20
Claims (21)
- 【請求項１】ガラスセラミック光電子材料の製造方法であって、 a) 少なくとも1種類の光学的活性イオンがドープされた、ナノ結晶からなるガラ
スセラミックのための結晶化温度を有する先駆ガラスを得るためのガラス組成を
用意する工程と、 b) 前記先駆ガラスからガラス棒を形成する工程と、 c) 前記ガラス棒を化学的に不活性なクラッド材料で覆う工程と、 d) 前記先駆ガラスの結晶化温度以上の温度下で、前記ガラス棒から光学部品の
少なくとも一部を形成する工程と、 e)前記光学部品の少なくとも一部を熱処理し、前記先駆ガラス内にナノ結晶を発
生させて、ガラスセラミックを形成する工程と、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項２】前記光学的活性イオンは遷移金属およびランタニドから選択される
ことを特徴とする請求項１記載の方法。 - 【請求項３】前記ガラスセラミックにドープされる遷移金属が、Ti、V、Cr、Mn
、Co、Ni、CuもしくはFeからなるグループから選択されることを特徴とする請求
項２記載の方法。 - 【請求項４】前記ガラスセラミックにドープされる遷移金属が、Cr、Niもしくは
Coからなるグループから選択されることを特徴とする請求項３記載の方法。 - 【請求項５】前記ガラスセラミックにドープされるランタニドが、Er、Tm、Nd、
Pr、Yb、DyもしくはHoからなるグループから選択されることを特徴とする請求項
２記載の方法。 - 【請求項６】前記ナノ結晶の大きさが、約50nmより大きくないことを特徴とする
請求項１記載の方法。 - 【請求項７】前記光電子材料が、クラッド光ファイバの形状であることを特徴と
する請求項１記載の方法。 - 【請求項８】前記光ファイバクラッドが少なくとも１つの酸化物によって変質せ
しめられたシリカガラスであり、この酸化物がB、Ge、P、Ga、Al、Ta、Tiもしく
はSbの酸化物からなるグループから選択されることを特徴とする請求項７記載の
方法。 - 【請求項９】前記光ファイバが酸化物によって変質せしめられたシリカガラスで
あり、この酸化物がB2O3、GeO2およびP2O5からなるグループから選択されること
を特徴とする請求項８記載の方法。 - 【請求項１０】前記ガラスセラミックが光ファイバのコアを形成し、前記コアが
10〜90×10-7/℃の範囲の熱膨張係数を有し、前記クラッドが5〜70×10-7/℃の
範囲の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項７記載の方法。 - 【請求項１１】前記ガラスセラミックのコアが20〜70×10-7/℃の範囲の熱膨張
係数を有し、前記クラッドが15〜60×10-7/℃の範囲の熱膨張係数を有すること
を
特徴とする請求項10記載の方法。 - 【請求項１２】少なくとも1種類の光学的活性イオンがドープされたコアを有す
るナノ結晶ガラスセラミック光ファイバの製造方法であって、 a) 先駆ガラス棒を形成する工程と、 b) 変質せしめられたシリカのクラッド材料を作る工程と、 c) 前記先駆ガラス棒を前記クラッド材料に混合させる工程と、 d) 混合された前記先駆ガラス棒とクラッド材料を、前記先駆ガラスの結晶化温
度以上でかつ前記クラッド材料の運動結晶化温度以下の温度下で引き伸ばす工程
と、 e)前記コア内部のナノ結晶化を増進させてガラスセラミックを形成する条件下で
、引き伸ばした前記クラッドファイバに熱処理を施す工程と、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項１３】クラッド光ファイバの製造方法であって、 一塊を溶融して遷移金属をドープされたナノ結晶ガラスセラミックのための先
駆ガラスを得る工程と、 該先駆ガラス溶融体からガラス棒を形成する工程と、 クラッドチューブに前記ガラス棒を機械的に組み合わせる工程と、 該組み合わせガラスファイバを、その液相線温度よりやや高い温度下で引き伸
ばす工程と、 得られるクラッドガラスファイバの少なくとも一部に、ナノ結晶を作り出す条
件下で熱処理を施す工程と、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項１４】前記ガラスファイバにクラッドガラスを設ける工程をさらに含み
、前記コアガラスが流体でありながら、揮発を回避するに十分低い気体圧を有す
る温度にて引き伸ばす引き伸ばし温度にて、十分な粘性を有することを特徴とす
る請求項１もしくは13記載の方法。 - 【請求項１５】化学蒸着法（CVD）プロセスによって、前記クラッドガラスを形
成することをさらに含むことを特徴とする請求項１もしくは13記載の方法。 - 【請求項１６】前記ガラスファイバに、シリカおよび少なくとも１つの変質を生
ずる酸化物を含むガラスを供給する溶融物をクラッドする工程を含み、こうして
得られるガラスは、少なくとも約900℃の軟化温度を有することを特徴とする請
求項１もしくは13記載の方法。 - 【請求項１７】前記ガラスファイバに、シリカおよびB、Ge、Pのグループから選
ばれた、少なくとも１つの酸化物からなる組成を含むガラスをクラッドすること
をさらに含むことを特徴とする請求項16記載の方法。 - 【請求項１８】ナノ結晶ガラスセラミックファイバコアと、前記コアを取り囲む
クラッドとからなり、ファイバ化プロセスの熱パラメータを制御することによっ
て、前記クラッドとコアとの間での成分要素移動を最小化したことを特徴とする
光ファイバ。 - 【請求項１９】前記成分要素移動が抑制されて、前記コアとクラッドとの間の界
面が、前記コア内での伝達および導波に悪影響を与えないようになっていること
を特徴とする請求項18記載の光ファイバ。 - 【請求項２０】前記クラッドの結晶化温度より低い温度に前記クラッド材の温度
を保持する一方で、前記ファイバが前記コア組成の結晶化温度よりも高い温度で
引き伸ばされることを特徴とする請求項18記載の光ファイバ。 - 【請求項２１】請求項１による方法で作られるファイバを含むことを特徴とする
光通信システム。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US16005299P | 1999-10-18 | 1999-10-18 | |
| US60/160,052 | 1999-10-18 | ||
| PCT/US2000/028804 WO2001031367A2 (en) | 1999-10-18 | 2000-10-18 | Method for making nanocrystalline glass-ceramic fibers |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003512988A true JP2003512988A (ja) | 2003-04-08 |
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Family Applications (1)
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| CN1317574C (zh) * | 2005-03-04 | 2007-05-23 | 浙江工业大学 | 纳米晶体量子点光纤及光纤放大器 |
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Citations (1)
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-
2000
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- 2000-10-18 EP EP00991848A patent/EP1240113A2/en not_active Withdrawn
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