JP2004020994A

JP2004020994A - 光増幅ガラスファイバ

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Publication number: JP2004020994A
Application number: JP2002176812A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Kishimoto; 岸本　正一
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-18
Also published as: JP4114410B2

Abstract

【課題】少なくともコアが無機ガラスからなる光増幅ガラスファイバにおいて、その増幅特性を改善するためのは、その励起光を単一モードで伝搬でき、かつ信号光波長における開口数を高めることが必要である。このために必要な光ファイバの光学的性質を明らかにし、その光学的性質を実現するガラス組成物を提供する。
【解決手段】本発明の光増幅ガラスファイバは、そのコアを構成するガラスのアッベ数をクラッドを構成する材料のアッベ数より大きいかもしくは等しくするように、それぞれの材料を選ぶ。コアを構成する材料は、ビスマスの酸化物を含む酸化物ガラス組成物からなるのが好ましく、とくにビスマスの酸化物、二酸化ケイ素、酸化アルミニウムおよび２価金属酸化物を必須成分とするのが好ましい。
【選択図】　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信分野で利用される赤外波長域での光増幅媒体に関し、とくにコアに無機ガラス材料を用いた光増幅ガラスファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号を光のまま増幅する光増幅器は、希土類イオンをコアに添加したガラスファイバなどを媒体として１９９０年代頃を中心に精力的に研究開発が進められた結果、実用に供され、実際に様々な分野で利用されるようになっている。
こうした用途に用いられる光増幅ガラスファイバは、増幅のエネルギー源となるポンプ光と、実際に増幅したい信号光を、そのコア中で重畳できることが必要で、また光通信で要求される高速性のためには、コア内を伝播する光が単一モードであることが必要である。
【０００３】
光増幅ファイバの主要なパラメータはその開口数（ＮＡ）とコアの直径（以下では単にコア径と呼ぶ）であるが、概ねＮＡを高くするほど、あるいはコア径を小さくするほどその光増幅ファイバを用いた光増幅器の増幅利得を高くすることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、　コア径がある程度（例えば３μｍ）より細い光ファイバは安定に製造するのが容易でなく、また光増幅器を製造する際の光軸合わせが困難となる場合が多い。
そこで光ファイバのＮＡを高めることが考えられるが、不用意にＮＡを高くすると、励起光波長において、光が単一モードで伝播しなくなり、励起光と信号光との重なり度合いが小さくなり、増幅利得が激減してしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような従来技術における問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、励起光波長において伝播モードを単一モードを保ち、かつ信号光波長における開口数を高めることができ、したがって優れた光増幅特性を示す光増幅ガラスファイバを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明が対象とする光増幅ガラスファイバは、被増幅信号光を単一モードで伝搬する光ファイバである。構造は１層以上のコアの外周を１層以上のクラッドが覆う、コア／クラッド構造であり、少なくともコアは無機ガラス材料からなるものとする。このような光増幅ガラスファイバにおいて、そのコアを構成するガラスのアッベ数ν_１がクラッドを構成する材料のアッベ数ν_２に比して大きいかもしくは等しい、すなわち、
ν_１−ν_２≧０
なる関係が成り立つ材料を用いる。
【０００７】
上記の条件はコアを構成するガラスの屈折率の波長分散がクラッドを構成する材料のそれと同等か小さいことを示している。この条件により励起光におけるコアとクラッドの屈折率差が信号光波長における屈折率差より小さいか等しくなる。この条件が満たされていることにより、信号光波長におけるＮＡを励起光波長におけるＮＡより大きいか等しくすることができる。つまり、励起光波長において光が単一モードで伝搬し、かつ信号光波長におけるＮＡが大きい、光増幅特性に優れた光増幅ガラスファイバを得ることが容易になる。
【０００８】
本発明の光増幅ガラスファイバのコアガラスは、ビスマスの酸化物を含む酸化物ガラス組成物からなり、好ましくはビスマスの酸化物、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）および酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および２価金属酸化物を必須成分とし、励起光の照射により赤外波長域で蛍光を呈するガラス組成物からなる。　さらに前記２価金属酸化物は、少なくともＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯの何れか１つであることが好ましい。
【０００９】
上記組成物は９５０〜１６００ｎｍの広い波長域にわたって蛍光を示し、光増幅媒体として使用できる。この組成物をコアとして用いることにより、コアの屈折率の波長分散がクラッドのそれより小さい光増幅ガラスファイバを提供できる。
【００１０】
上記本発明の光増幅ガラスファイバは、　波長範囲９５０〜１６００ｎｍの少なくとも一部の波長領域に適用でき、好ましくは波長範囲１０００〜１４００ｎｍの少なくとも一部の波長領域、さらに好ましくは１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍの波長範囲で増幅利得を有する。
上記波長領域で増幅利得をもつファイバは光通信用としてとくに１３１０ｎｍ帯に好適である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明が対象とする光増幅ガラスファイバは、１層あるいはそれ以上の層からなるコアの外周を１層あるいはそれ以上の層からなるクラッドが覆う、コア／クラッド構造を有するものとする。この光増幅ガラスファイバは、図１に示すように単一モードの信号光が伝搬する光ファイバ１０にカプラ２０を用いて励起光（ポンプ光）を第２の光ファイバ１２から合流させ、増幅作用を有する光増幅ガラスファイバ３０に導入する構成がとられる。図１ではカプラ２０は主に光ファイバを用いて構成されるものを示しているが、その他レンズや波長選択反射鏡などを用いたカプラ、平面光導波路を用いたカプラなどを用いてもよい。
【００１２】
ここで、励起光は信号光を増幅するためのエネルギー源であるから、励起光の光子のエネルギーは信号光の光子のエネルギーより高くなければならない、つまり励起光の波長λｐは信号光の波長λｓより短い必要がある。
【００１３】
ところで、一般に光ファイバのコアとクラッドを構成する材料の屈折率は波長分散を有しており、波長が短くなるほど屈折率が高くなっている。例えば、図２（ａ）に示すような波長分散がある場合、励起光の波長λｐにおけるコアとクラッドの屈折率差Δｎ_ｐが、信号光の波長λｓにおける屈折率差Δｎｓより大きくなると、励起光の波長においては単一モードの伝搬が不能になる可能性がある。従来の光増幅ガラスファイバでは、このような屈折率の波長分散を有している場合が多い。
【００１４】
この問題は図２（ｂ）に示すような分散特性を有するコア、クラッド材料を用いることにより、解決できる。すなわち、励起光波長λｐにおける屈折率差Δｎ_ｐが信号光波長λｓにおける屈折率差Δｎｓより小さいか等しければ、信号光波長におけるＮＡを励起光波長におけるＮＡより大きいか等しくすることができる。単一モード伝搬条件はＮＡと波長の比が小さいほど満たされやすいから、信号光より波長の短い励起光におけるＮＡは信号光波長におけるより小さいことが望ましい。すなわち、図２（ｂ）に示すような特性をもつ材料を使用することにより、励起光波長において光が単一モードで伝搬し、かつ信号光波長におけるＮＡが大きい、光増幅特性に優れた光増幅ガラスファイバを得ることが容易になる。
【００１５】
屈折率の波長分散を示す指標としては、アッベ数が一般に用いられ、これを測定するアッベの屈折計なども市販されている。このアッベ数νは、次式で定義される。
ν＝（ｎ_Ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）　　　　（１）
ここで、ｎ_Ｄ、ｎ_Ｆ、ｎ_Ｃはそれぞれ　それらの波長がフラウンホーファーの輝線スペクトルとして知られている、　ナトリウムのＤ線（波長５８９．３ｎｍ）、水素のＦ線（波長４８６．１ｎｍ）およびＣ線（波長６５６．３ｎｍ）における屈折率である。（１）式の定義からもわかるようにアッベ数は屈折率の波長分散が大きい材料ほど小さくなる。
【００１６】
図２の関係をこのアッベ数を用いて表現すれば、実用上便利である。すなわち、コアガラスとクラッド材料のアッベ数をそれぞれν_１、ν_２とすると、（ａ）の場合は、
ν_１−ν_２＜０　　　　　　（２）
の関係が成り立つ。一方、（ｂ）の場合は、
ν_１−ν_２≧０　　　　　　（３）
の関係が成り立つ。すなわち、（３）式の関係はコアガラスの屈折率の波長分散がクラッド材料の屈折率の波長分散より小さいか、等しいという範囲を示している。
【００１７】
アッベ数は上記の定義から可視光領域の所定の波長域における波長分散の程度を示す指標であるが、その大小関係は通常、光通信で用いられる信号光の波長域１．３〜１．６μｍまで拡張しても成り立つと考えられる。したがって、信号光波長に対して（３）式の関係が満たされている単一モード光ファイバであれば、励起光も単一モードで伝搬する。
【００１８】
また、このように作製された本発明の光増幅ファイバでは、信号光の波長での開口数は励起光の波長における開口数より大きいか、または同程度になり、信号光の増幅利得を得ることができる。
【００１９】
本発明の発明者は、上記の条件を満たすガラス材料について探索した結果、コアガラスはビスマスの酸化物を含む酸化物ガラス組成物からなることが好ましいことを見出した。このコアガラスは、添加されたビスマスの作用によって赤外域で発光を示し、光増幅機能を発現する。また、その組成を選択することにより、クラッド材料として適した屈折率を有するガラス母材を準備することもできる。
【００２０】
ビスマスの酸化物の含有率は、Ｂｉ_２Ｏ_３に換算して、０．０１〜５モル％の範囲にあることが望ましい。その含有量が０．０１モル％未満の場合は、ビスマスの酸化物による赤外発光の強度が弱くなりすぎてしまい、一方、５モル％を越える場合は、赤外発光が発現しなくなり、何れの場合にも光増幅利得が得られなくなる。つまり、ビスマスの酸化物を三酸化ビスマス（Ｂｉ_２Ｏ_３）に換算した含有量で示して、０．０１〜５モル％であるのが好ましく、０．０１〜３モル％であることがより好ましく、さらには０．０１〜１モル％であることがさらに好ましい。
【００２１】
またコアガラスは上記ビスマスの酸化物に加えて、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）および酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および２価金属酸化物を必須成分とすることが好ましく、さらに　前記２価金属酸化物が、少なくともＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯの何れか１つ以上であることが好ましい。
【００２２】
その理由は、ＳｉＯ_２がガラスの網目構造を形成し、コアガラスをガラス状態に保ち得、２価金属酸化物とくにＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯの何れか１つ以上がガラスに含まれることによってガラス融液の粘性を適度に下げられ、ガラス組成物を製造しやすくするとともに光増幅特性、とりわけ増幅利得の波長依存性を制御することができる。また、Ａｌ_２Ｏ_３もまたコアガラスの必須成分とすることが好ましい。それはビスマスがＡｌ_２Ｏ_３とガラス中で共存した時のみ赤外域での発光を示し、増幅利得が得られるからである。
【００２３】
コアガラスのより好ましい組成は、酸化物の組成が、含有率の単位をモル％として、下記で示される範囲である。
ＳｉＯ_２　　　　　５５〜８０
Ａｌ_２Ｏ_３　　　　　　５〜２５
Ｌｉ_２Ｏ　　　　　　０〜１５
Ｎａ_２Ｏ　　　　　　０〜　５
Ｋ_２Ｏ　　　　　　　０〜　５
ＭｇＯ　　　　　　０〜４０
ＣａＯ　　　　　　０〜３０
ＳｒＯ　　　　　　０〜　５
ＢａＯ　　　　　　０〜　５
ＺｎＯ　　　　　　０〜２５
ＴｉＯ_２　　　　　　０〜１０
ＺｒＯ_２　　　　　　０〜　５
Ｂ_２Ｏ_３　　　　　　　０〜１０
これに加えて、２価金属酸化物の含有率の総和
ＭｇＯ＋ＣａＯ＋ＳｒＯ＋ＢａＯ＋ＺｎＯ
が、０．１〜４０モル％の範囲にあり、
かつ、ビスマスの酸化物のＢｉ_２Ｏ_３に換算した含有率が、０．０１〜５モル％の範囲にあることが望ましい。さらに酸化物としてＬｉ_２Ｏを含むことがとくに望ましい。
【００２４】
なお、クラッド材料は励起光および信号光波長で透明でその屈折率がコアのそれより小さく、アッベ数が上記の（３）式を満たせば無機ガラスに限らず高分子材料など有機物であっても差し支えない。しかし母材を加熱延伸してファイバを製造するためには、クラッド材料も無機ガラスであることが好ましく、酸化物ガラスであることがさらに好ましい。
【００２５】
クラッド材料として酸化物ガラスを用いる場合、そのクラッドガラスの組成は、そのアッベ数ν_２が、コアガラスのそれν_１と上述の（３）式の関係を満たすように決めることができる。
【００２６】
以下、この発明の実施形態を詳細に説明する。
（ガラス作製）
表１に示した各組成成分の含有率となるように、通常のガラス原料であるシリカ、アルミナ、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、酸化マグネシウム、炭酸カルシウム、炭酸ストロンチウム、炭酸バリウム、チタニア、ジルコニア、酸化ホウ素、および三酸化ビスマスなどを用いてバッチを調合した。
【００２７】
なお、三酸化ビスマスの還元の防止と、ガラスの清澄を目的として、ＭｇＯ成分の一部を試薬として市販されている硫酸マグネシウム（ＭｇＳＯ_４）に振り替え、またガラス組成にＮａ_２Ｏが含まれている場合は、Ｎａ_２Ｏ成分の一部を硫酸ナトリウム（ボウ硝、Ｎａ_２ＳＯ_４）に振り替えて導入した。振り替えた硫酸マグネシウムや硫酸ナトリウムの量は、三酸化ビスマスに対するモル比で１／２０とした。
【００２８】
調合したバッチを白金ルツボを用いて１６００℃で１８時間保持し、その後鉄板上に流し出した。流し出したガラス熔融液は１０数秒で固化し、このガラスを電気炉中で８００℃、３０分保持した後、炉の電源を切り、室温まで放冷してコアおよびクラッド用の母材ガラスとした。
【００２９】
（屈折率、アッベ数）
得られた母材ガラスから１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ５ｍｍの板状で、互いに直角を成す２面を鏡面研磨した測定用試料を作製した。この試料について市販のアッベ屈折計を用い、屈折率およびアッベ数を測定した。表１に示すコア用母材ガラス（以下、コアガラスと呼ぶ）およびクラッド用母材ガラス（以下、クラッドガラス）は、それぞれ屈折率が１．５１６および１．５１２、アッベ数６０．６および５７．３であった。
【００３０】
（ファイバ作製）
次にそれぞれの母材ガラスに対して機械加工を施し、コアガラスは直径５ｍｍの円柱状、クラッドガラスは外径２５ｍｍ、内径４ｍｍの円筒状にした。　コアガラス円柱をクラッドガラス円筒に挿入し、外径が４ｍｍになるように加熱延伸し、コア・クラッドが一体になった円柱を得た。　その円柱を、再度上記と同寸法の別のクラッドガラス円筒に挿入して　所定のコア／クラッド径になるように制御しながら紡糸を行ない、　コア径３．２μｍ、クラッド外径１２５μｍの光増幅ガラスファイバを得た。
【００３１】
本発明の光増幅ガラスファイバをコアガラス組成物およびクラッド材料から製造する方法は、上記に限定されない。　たとえば、コアとクラッドが一体になったプリフォームを作製し加熱延伸する方法、液体あるいは気体原料を分解してガラス微粒子を析出させ、加熱中実化・紡糸する方法、ノズル部が２重構造になったルツボを用い、融液から直接コアクラッド構造を持つファイバを紡糸する方法、などを用いることもできる。
【００３２】
（伝搬特性）
上記光増幅ガラスファイバを長さ約３ｍとり、断面が鏡面になるように切断した。これを直径が約２０ｃｍの楕円形になるように丸く曲げて束ねた。波長５３２ｎｍのレーザ光を、顕微鏡の対物レンズ（ＮＡ：０．２５）を用いて集光し、ファイバのコアに導入した。ファイバの出射端をＣＣＤカメラで観察し、伝播してくる光の強度分布を観測したところ、きれいな単峰分布を示しており、伝播光は単一モードであり、開口数は０．１１であることがわかった。次に、１３１０ｎｍのレーザ光の伝播特性を上記同様に観測したところ、伝播光はシングルモードであり、開口数は０．１２であることが分かった。
【００３３】
（光増幅特性）
光増幅特性は以下のようにして測定した。測定系の模式図を図３に示す。励起光源（Ｎｄ−ＹＡＧレーザの第２高調波）２が発生する波長５３２ｎｍのレーザ光（連続光）８と信号光源（半導体レーザ）３が発生する波長１３１０ｎｍのレーザ光（同じく連続光）９とは光合波器４を用いてそれらの進行方向を同軸で一致させる。この光合波器４はダイクロイックミラー４１と３つのコリメータレンズ４２，４３，４４から構成されるものを用いたが、他の構成のものを用いることもできる。
【００３４】
光合波器４から出射する励起光と信号光が合波された光１０を、本発明の光増幅ガラスファイバ１のコアに適切に入射する。光増幅ガラスファイバ１の反対端から出射されてくる光１１を光分波器５により再び信号光成分１３と励起光成分１２に分ける。この光分波器５は基本的に光合波器４と同様の構成で、ダイクロイックミラー５１と２つのコリメータレンズ５２，５３からなる。
【００３５】
こうして分離された信号光の波長成分だけの強度を光検出器６で測定し、表示器７に表示する。このため、励起光成分１２はビームストップ５３によって終端する。また信号光側に赤外透過可視光吸収フィルタ５５を挿入し、信号光側に混入する励起光成分を遮断する。
【００３６】
励起光を入射させずに信号光のみを入射させたときには、光増幅ガラスファイバからはファイバを透過した信号光だけが出射する。その強度と信号光とともにポンプ光を入射させたときに光増幅ガラスファイバから出射する信号光の波長成分の強度とを比較することにより、本発明の光増幅ガラスファイバによる信号光の増幅倍率を求めることができる。
【００３７】
上記光増幅ガラスファイバを、断面が鏡面になるように長さ１３０ｃｍに切断し、上記の光増幅測定系にセットした。光合波器を介し、信号光としての波長１３１０ｎｍのレーザ光を光増幅ガラスファイバに入射し、ファイバを出射してくる光の強度を測定した。次に波長１３１０ｎｍのレーザ光を入射したまま、さらに波長５３２ｎｍの励起光を光増幅ガラスファイバに入射し、ファイバを出射してくる光の強度を測定した。励起光の強度は光増幅ガラスファイバの入射端で測定して３０ｍＷであった。上記、励起光を入射しなかったときと、励起光を入射したときの出射光強度を比較すると、励起光を入射したときの出射光強度の方が１．５倍強かった。　つまり、波長１３１０ｎｍにおいて、１．５倍の増幅利得が得られた。
【００３８】
さらに、波長５３２ｎｍの励起光だけを入射し、図３の光検出器６の代りに、蛍光光度計に接続しＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）スペクトルを測定した結果を図４に示す。なお、波長１３１０ｎｍのレーザ光を入射しなかった理由は、増幅された波長１３１０ｎｍの光によって、蛍光光度計の検出器が破損されるのを防ぐためである。
【００３９】
図４から明らかなように、発光スペクトルは波長約１１４０ｎｍにピークを持ち、９５０〜１６００ｎｍに渡る広い発光帯域が得られている。したがって少なくともこの波長範囲の一部で増幅利得が得られる。発光強度が最大になる波長は約１１４０ｎｍであり、最大発光強度の１／ｅ以上の強度が得られる波長範囲はおよそ１０００ｎｍ〜１４００ｎｍであるから、少なくともこの３００ｎｍ以上の波長範囲の一部で高い増幅利得が得られる。
【００４０】
上記のように、実際にこの波長範囲内の１３１０ｎｍにおいて増幅利得が観測されている。このことは本発明の光増幅ガラスファイバが、現在光通信で主に用いられている波長領域の一つである１３１０ｎｍ帯（１３００〜１３２０ｎｍ）で有効に利用できることを示している。これに加え、これまで適切な光増幅材料が知られていないため、光通信で利用することのできなかった、１１００〜１３００ｎｍの範囲の波長で動作する新たな光増幅媒体を提供することができる。
【００４１】
また図４に示すように、９５０ｎｍから１６００ｎｍにわたる蛍光スペクトルの広がりから、極めて広い波長範囲で動作する光増幅器が実現できる。さらに、上記の光増幅特性を利用し、極めて広い波長範囲で発振するレーザを実現することもできる。
【００４２】
【表１】

【００４３】
【発明の効果】
本発明の光増幅ガラスファイバは、その励起光におけるコアとクラッドの屈折率差を信号光波長における屈折率差より小さくできるため、励起光が光増幅ガラスファイバ中を単一モード伝搬することを保証できる。したがって光通信用として広い波長域において増幅利得をもつ光増幅ガラスファイバを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバ増幅器の基本構成を示す図である。
【図２】光増幅ガラスファイバのコアとクラッドの屈折率の波長分散を示す模式図である。
【図３】光増幅ガラスファイバの増幅利得の測定装置を示す図である。
【図４】本発明の光増幅光ファイバのコアを構成するガラスのＡＳＥスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１　光増幅ガラスファイバ
２　励起光源
３　信号光源
４　光合波器
５　光分波器
６　光検出器
１０、１２　光ファイバ
２０　カプラ

Claims

少なくともコアが無機ガラス材料からなり、被増幅信号光を単一モードで伝搬し、それぞれ１層以上のコア／クラッド構造をもつ光増幅ガラスファイバにおいて、前記コアを構成するガラス材料のアッベ数がクラッドを構成する材料のアッベ数に比して大きいかもしくは等しいことを特徴とする光増幅ガラスファイバ。
前記コアを構成するガラスが、ビスマスの酸化物を含む酸化物ガラス組成物からなることを特徴とする請求項１に記載の光増幅ガラスファイバ。
前記コアを構成するガラスが、ビスマスの酸化物、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）および酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および２価金属酸化物を必須成分とし、赤外波長域で蛍光を呈するガラス組成物からなることを特徴とする請求項２に記載の光増幅ガラスファイバ。
前記２価金属酸化物が、少なくともＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯの何れか１つである請求項３に記載の光増幅ガラスファイバ。
少なくとも波長範囲９５０〜１６００ｎｍの一部で増幅利得が得られる請求項１〜４のいずれか一項に記載の光増幅ガラスファイバ。
少なくとも波長範囲１０００〜１４００ｎｍの一部で増幅利得が得られる請求項５に記載の光増幅ガラスファイバ。
少なくとも波長範囲１３００〜１３２０ｎｍで増幅利得が得られる請求項６に記載の光増幅ガラスファイバ。