JP2004168578A

JP2004168578A - Optical amplification glass and optical waveguide

Info

Publication number: JP2004168578A
Application number: JP2002334671A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sasai; 淳笹井; Setsuo Ito; 節郎伊藤
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2002-11-19
Filing date: 2002-11-19
Publication date: 2004-06-17

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical amplification glass, which can amplify to a broad band in a wavelength region of 1.50-1.65 μm and to provide an optical waveguide. <P>SOLUTION: The optical amplification glass is composed of matrix glass and Er which is added in the matrix in an amount of 0.01-10 mass %. The matrix glass contains, by molar percentage, 20-80% SiO<SB>2</SB>. 2-50% Al<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, 1-40% La<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, and at least one kind selected from the group of Li<SB>2</SB>O, Na<SB>2</SB>O, K<SB>2</SB>O, Y<SB>2</SB>O<SB>3</SB>and Ga<SB>2</SB>O<SB>3</SB>, with the proviso that the total content of Li<SB>2</SB>O, Na<SB>2</SB>O, K<SB>2</SB>O, Y<SB>2</SB>O<SB>3</SB>and Ga<SB>2</SB>O<SB>3</SB>is 3-40%. The optical guide is manufactured by using the optical amplification glass as a core. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に１．５０〜１．６５μｍの波長域で広帯域に増幅可能な光増幅ガラスおよびこの光増幅ガラスを用いた光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信サービスの多様化に対応できる光通信方式として、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波長多重光通信方式（ＷＤＭ）等が提案されている。
【０００３】
ところで、Ｃバンド（波長：１５３０〜１５６０ｎｍ）またはＬバンド（波長：１５７０〜１６２０ｎｍ）の光を信号光とするＷＤＭ等においてはこれら信号光を増幅する光ファイバ増幅器が必須であり、このような増幅器としてＥＤＦＡの開発が行われている。
【０００４】
ＥＤＦＡ（Ｅｒｕｂｉｕｍｄｏｐｅｄｆｉｂｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒ）とは、その光ファイバのコアがＥｒ添加ガラスからなる光ファイバ増幅器である。このような光ファイバとして、Ｅｒ添加石英系ファイバ、および、Ｅｒ添加フッ化物ガラスファイバが例示される。
【０００５】
従来知られているＥｒ添加石英系ファイバの場合、利得の波長依存性が急峻であり、十分な利得が得られる波長幅は１０〜３０ｎｍ程度と狭い。その結果、従来のＥＤＦＡを使用する限り、波長多重チャンネル数は、３０〜４０チャンネル程度に限られる。
【０００６】
さらに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ることが困難であり、使用長は１０〜３０ｍまたはそれ以上であった。
【０００７】
この問題を解決するために、ＥｒとともにＹｂやＬａなどの希土類イオンを共添加することで、Ｅｒイオンの周りにこれらの希土類イオンが複数個配位し、クラスターを形成することでＥｒイオン同士のイオン間距離が広がり、従来のＥＤＦＡの場合に比べて濃度消光が抑制されることが知られているが、石英系ファイバにおいては増幅波長の十分な広帯域化は実現されていない。
【０００８】
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強度が大きくなると熱的に損傷する恐れがあった。これは、フッ化物ガラスのガラス転移点Ｔｇが低く、典型的には３２０℃以下であることによる。
【０００９】
近年ＷＤＭシステムの開発の進展に伴い、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、及び励起光による熱的損傷の恐れが無いことが求められる。
【００１０】
このような問題を解決するために、波長に対する増幅利得特性が異なる増幅器を直列や並列に配置することによって、広い波長域で使用可能な光増幅器が提案されているが、構造が煩雑になったり、波長域の中心付近に増幅できない領域が存在する問題があった。そのため、広帯域の増幅可能なガラスが必要であり、このガラスとして、酸化テルライト系ガラスが（特許文献１参照）、また酸化ビスマス系ガラス（特許文献２参照）が提案されている。
【００１１】
一般に、マトリクスガラスにＥｒが添加されている光増幅ガラスにおいては、利得波長幅はマトリクスガラスの屈折率に依存し、該屈折率が高くなると利得波長幅は大きくなると考えられてきた。これは、Ｅｒがマトリクスガラス中で受ける電場が、屈折率が高くなることによって強くなり、その結果Ｅｒのエネルギー準位が広がって発光スペクトルがブロードになるためである、と解釈されている。
そのため、これらテルライト系ガラスおよび酸化ビスマス系ガラスは一般に１．９以上の高い屈折率を持ち、ブロードな発光スペクトルを示す。
【００１２】
一方で、高い屈折率を持つことは、石英ガラスの屈折率（約１．４９）との屈折率差が大きくなるために、石英系光ファイバーとテルライト系ガラスまたは酸化ビスマス系光増幅ガラスファイバーとの接続部分でのロスが非常に大きくなるという問題があり、また四光波混合等の非線形光学現象が起こりやすい特徴があった。
加えて、ガラス転移点が低いフッ化物ガラスやテルライト系ガラスは石英ガラスファイバとの融着ができないが、これは石英ガラスのガラス転移点（およそ１０１０℃）との温度差が大きいためである。また前述の酸化ビスマス系ガラスでは石英ガラスとの融着が可能であるが、融着強度を上げることや、融着プロセスを容易にするためにはさらに高いガラス転移点であることが好ましい。
更に、光増幅器の増幅利得を向上させるためには高強度の励起レーザー光をガラス中に入射する必要があるが、ガラス転移点が低いガラスでは強いレーザー光によって熱的に損傷を生じたり、屈折率の高いガラスでは非線形光学現象によるノイズが大きくなったりする可能性があった。
【００１３】
【特許文献１】
特開平８−１１０５３５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１３６３５号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、１．５０〜１．６５μｍの波長域で広帯域に利得が得られる光増幅ガラス、さらに転移点が６００℃以上で、屈折率が１．８０未満の、利得が得られる波長幅が大きな光増幅ガラス、およびこの光増幅ガラスを用いた光導波路を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、質量百分率表示（酸化物基準）でマトリクスガラスに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（酸化物基準）でＳｉＯ_２を２０〜８０％、Ａｌ_２Ｏ_３を２〜５０％、Ｌａ_２Ｏ_３を１〜４０％、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｙ_２Ｏ_３およびＧａ_２Ｏ_３からなる群から選ばれる少なくとも１種類以上を含有し、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｙ_２Ｏ_３およびＧａ_２Ｏ_３の含有量の合計が３〜４０％である光増幅ガラスを提供する。
【００１６】
また、質量百分率表示（酸化物基準）でマトリクスガラスに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下記酸化物基準のモル％表示で、
ＳｉＯ_２３０〜７０％、
Ａｌ_２Ｏ_３５〜３５％、
Ｙ_２Ｏ_３０〜３０％、
Ｌｉ_２Ｏ０〜３０％
Ｎａ_２Ｏ０〜３０％、
Ｋ_２Ｏ０〜３０％、
Ｇａ_２Ｏ_３０〜１５％、
Ｌａ_２Ｏ_３３〜３０％、
から本質的になり、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｙ_２Ｏ_３およびＧａ_２Ｏ_３の含有量の合計が３〜４０％である光増幅ガラスを提供する。
【００１７】
また、上記光増幅ガラスであって、転移点が６００℃以上、屈折率が１．８０未満の光増幅ガラスを提供する。
さらに、前記光増幅ガラスをコアとする光導波路を提供する。
【００１８】
【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、通常コア／クラッド構造の光導波路、たとえば中心軸がコア、その周囲がクラッドで覆われた構造のガラスファイバのコアとして、あるいはコアとクラッドとが積層された平面導波路のコアとして使用される。なお、このような光導波路は本発明の光導波路である。
【００１９】
本発明の光導波路は１５２０〜１６３０ｎｍの波長の光、特に１５３０〜１５６０ｎｍの波長帯のＣバンドの光を短い長さで増幅するのに好適である。
この増幅は、増幅されるべき光（信号光）とともに励起光をコアに入射することによって行われ、前記励起光としては通常、波長が９７０〜９９０ｎｍまたは１４７０〜１４９０ｎｍのレーザー光が使用される。
【００２０】
本発明のガラスをコアとする光ファイバ（以下本発明の光ファイバという。）におけるコア径、クラッド径はそれぞれ典型的には２〜１０μｍ、１００〜２００μｍである。
【００２１】
本発明の光ファイバのクラッドの屈折率ｎ_２とコアすなわち本発明のガラスの屈折率ｎ_１とは次式を満足することが好ましい。
０．０００５≦（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_１≦０．１
また、前記クラッドはガラスからなることが好ましく、該ガラスはモル％表示で本質的に、ＳｉＯ_２：２０〜８０％、Ａｌ_２Ｏ_３：２〜５０％、Ｌａ_２Ｏ_３：１〜４０％、Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＋Ｙ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３：３〜４０％からなることがより好ましい。
【００２２】
本発明の光ファイバは、たとえばコアガラスとクラッドガラスを複合化したプリフォームを延伸して作製したり、二重ルツボ法によって作製できる。
【００２３】
本発明のガラスのガラス転移点Ｔ_ｇは６００℃以上であることが好ましい。Ｔ_ｇが６００℃未満では、励起光として強度の大きいレーザー光を使用したときにガラスの温度が局所的に高くなって熱的に損傷し、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。加えて、石英系ガラスの光ファイバのＴ_ｇと本発明による光増幅ガラスファイバーのＴ_ｇとの差が大きくなりすぎて、両者を融着することが困難になる可能性がある。より好ましくは７００℃以上、特に好ましくは７５０℃以上である。
【００２４】
さらに、本発明のガラスの屈折率ｎは１．８０未満であることが好ましい。ｎが１．８０以上では、励起光として強度の大きいレーザー光を使用したときに、四光波混合などの非線形光学効果が発現し、ノイズが大きくなる可能性がある。加えて、石英系ガラスの光ファイバと本発明による光増幅ガラスファイバーとの屈折率差が大きくなり、両者の接続部分でのロスが大きくなる可能性がある。より好ましくは１．７０以下、特に好ましくは１．６５以下である。
【００２５】
以下、本発明のガラスについて説明する。
本発明のガラスにおけるマトリクスガラスは、Ｅｒが添加されたガラスからなる。
【００２６】
マトリクスガラスに対するＥｒは、質量百分率表示（質量％）でマトリクスガラスに対し０．０１〜１０％添加されている。マトリクスガラスに対して０．０１質量％未満では十分な利得が得られない。好ましくは０．１質量％以上、より好ましくは０．２質量％、特に好ましくは０．５質量％以上である。１０質量％超では、濃度消光のためにかえって利得が低下する。好ましくは７質量％以下、より好ましくは４質量％以下、特に好ましくは３質量％以下である。
次に、本発明のガラスにおけるマトリクスガラスの組成についてモル％表示を単に％と表示して説明する。
【００２７】
ＳｉＯ_２はネットワークフォーマであり、２０〜８０％含有される。ＳｉＯ_２は、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効果を有し、また、Ｔ_ｇを上げる効果を有し、必須である。ＳｉＯ_２の含有量が２０％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３０％以上、さらに好ましくは４０％以上である。８０％超ではガラス作製が難しくなる。より好ましくは７０％以下、さらに好ましくは６５％以下である。
【００２８】
Ａｌ_２Ｏ_３は２〜５０％含有される。Ａｌ_２Ｏ_３は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。更に、Ｔ_ｇを高くし、Δλ（利得が得られる波長幅、発光強度の割合が３における波長幅）を大きくし、濃度消光を抑制する効果を有し、必須である。好ましくは５％以上、より好ましくは７％以上である。５０％超ではガラス形成が困難になる。好ましくは４０％以下、より好ましくは３５％以下である。
【００２９】
Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｙ_２Ｏ_３およびＧａ_２Ｏ_３からなる群から選ばれる少なくとも１種類以上を含有される、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、Ｙ_２Ｏ_３およびＧａ_２Ｏ_３の含有量の合計は３〜４０％である。Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｉ_２Ｏ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２ＯおよびＧａ_２Ｏ_３はガラスの液相温度を下げ、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成分であり、これら５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Ｙ_２Ｏ_３＋Ｌｉ_２Ｏ＋Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＋Ｇａ_２Ｏ_３が３％未満ではガラス形成が困難になる。好ましくは５％以上である。４０％超ではガラス化が困難になる。好ましくは３５％以下、より好ましくは３０％以下である。
【００３０】
なお、光増幅ガラスの光増幅帯域を広くしたい場合、Ｙ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３を含有することが好ましい。
【００３１】
Ｙ_２Ｏ_３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。Ｙ_２Ｏ_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。
【００３２】
Ｇａ_２Ｏ_３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。Ｇａ_２Ｏ_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。
【００３３】
Ｌｉ_２Ｏ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。Ｌｉ_２Ｏ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。
【００３４】
Ｎａ_２Ｏ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。Ｎａ_２Ｏ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。
【００３５】
Ｋ_２Ｏ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。Ｋ_２Ｏ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。
【００３６】
Ｌａ_２Ｏ_３は必須成分であり、１％〜４０％含有される。その含有量が１％未満では濃度消光が起こりやすい。好ましくは３％以上、より好ましくは７％以上、特に好ましくは１０％以上である。また４０％超では、ガラス作成が困難になる。好ましくは３０％以下である。また、利得が得られる波長幅Δλを十分に大きくするためには、Ｌａイオンの数がＥｒイオン数の少なくとも２０倍以上であることが好ましい。これにより、Ｌａイオンがエルビウムの周囲に配位してクラスターを作り、その中にＥｒイオンが入り込むことによって、従来から知られている濃度消光を抑制する効果だけでなく、Ｅｒイオンの周囲のみでの屈折率の上昇をもたらすことで、バルクガラスの屈折率を低く抑えつつ利得波長幅を広げることができる。
【００３７】
本発明におけるマトリクスガラスは、下記酸化物基準で、
ＳｉＯ_２３０〜７０％、
Ａｌ_２Ｏ_３５〜３５％、
Ｙ_２Ｏ_３０〜３０％、
Ｌｉ_２Ｏ０〜３０％
Ｎａ_２Ｏ０〜３０％、
Ｋ_２Ｏ０〜３０％、
Ｇａ_２Ｏ_３０〜１５％、
Ｌａ_２Ｏ_３３〜３０％、
から本質的になることが好ましい。
【００３８】
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。この「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、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ_２、Ｙｂ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＣｄＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、ＰｂＯ、Ｂ_２Ｏ_３、Ｐ_２Ｏ_５等を含有してもよい。また、屈折率を上昇させる目的で、Ｔａ_２Ｏ_３、Ａｇ_２Ｏなどを含有してもよい。
【００３９】
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、金ルツボ、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、１２００〜１６５０℃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。このようにして作成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成できる。その他にも、イオン交換法によって、光増幅平面導波路を作成できる。
【００４０】
【実施例】
表１のＳｉＯ_２からＬａ_２Ｏ_３までの欄にモル％表示で示す組成のマトリクスガラスに、表１に質量％表示で示す割合のＥｒを添加したガラスを１６００℃で溶解する溶融法により作製した。例１〜８は実施例、例９、例１０は比較例である。
【００４１】
例１のガラスと比較例としての例９のガラスおよび従来から知られている石英系ガラス（Ｅｒ添加石英系ガラス。例１０）の平板状のサンプルについて、波長９８０ｎｍのレーザー光を照射して発光スペクトルおよび蛍光寿命を測定した。発光強度の単位を任意単位として、発光スペクトルを図に示す。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Ｔ_ｇ（単位：℃）を示差膨張計によりそれぞれ測定した。結果を表に示す。
【００４２】
表１の例１〜８は本発明の光増幅ガラスの好ましい態様の例であり、例９、例１０は比較例である。図１は例１の光増幅ガラス中のＥｒ^３＋イオンの上順位^４Ｉ_１３／２順位から下順位^４Ｉ_１５ _／ _２への発光における発光強度、および従来から知られている石英系ガラス（Ｅｒ添加石英系ガラス）中のＥｒ^３＋イオンの同様の発光における発光強度の波長依存性を比較したグラフである。発光強度の単位は任意単位である。
【００４３】
典型的な石英系ガラスの場合、利得が得られる波長は１５２０〜１５６０ｎｍであり、その幅は４０ｎｍである事が知られている。これは図１において、蛍光強度が３．０以上であるスペクトルの波長幅Δλに対応する。一方、例１の光増幅ガラスの場合１５２０〜１５６５ｎｍであり、その幅Δλは４５ｎｍにも達する。例２〜例８の光増幅ガラスについても４３〜４７ｎｍの値を示している。また、Ｌａ_２Ｏ_３を含有しない例８においては３８ｎｍという値を示している。
【００４４】
図２は、例１および例９と同じ母組成のガラスに異なる量のＥｒを添加した光増幅ガラス中のＥｒ^３＋イオンの上順位^４Ｉ_１３／２順位から下順位^４Ｉ_１５ _／ _２への発光における蛍光寿命とガラス中のＥｒ添加量（質量百分率）との関係を比較したグラフである。なお、図中において、実線は例１、点線は例９を示す。濃度消光は、Ｅｒ添加量が増加した場合に蛍光寿命が減少するという現象で観測されるが、例１と同じ母組成のガラスでは、１％よりも大きな濃度で濃度消光が起こっているものの、１％以下の濃度では蛍光寿命が一定であり、濃度消光が起こっていないことが示されている。一方、例９と同じ母組成のＬａ_２Ｏ_３を含まないガラスでは、蛍光寿命が一定の部分は観測されず、０．４％未満の濃度で濃度消光が起こっていることが示されている。
【００４５】
表１中で、例１〜８のガラスのＥｒ添加量は質量百分率表示で０．４３％以上であって、前記Ｅｒ添加石英系ファイバにおいて濃度消光がおこるＥｒ添加量０．１１％よりも大きいにもかかわらず、例１〜８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している。
【００４６】
さらに、例１〜８のガラスはガラス転移点Ｔ_ｇの値が７００℃以上であり、熱的な損傷を抑制するために望まれる６００℃以上のＴ_ｇの値を持つことが示されている。
【００４７】
【表１】

【００４８】
【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およびより広帯域の増幅機能を有する光導波路が得られる。また、長さが短くとも所望の増幅機能を有し、石英ガラスファイバと容易に融着でき、ボビン状に巻くことなくＥＤＦＡに使用できる光ファイバが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例１に係る光増幅ガラスと例９のＬａ_２Ｏ_３を含有しないガラスと例１０の石英系ガラスの発光スペクトルを示すグラフ。
【図２】本発明の例１と同じ母組成である光増幅ガラスと例９と同じ母組成であるＬａ_２Ｏ_３を含有しないガラスの蛍光寿命のＥｒイオン濃度依存性を示すグラフ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical amplification glass that can be amplified in a wide band particularly in a wavelength range of 1.50 to 1.65 μm, and an optical waveguide using the optical amplification glass.
[0002]
[Prior art]
As an optical communication method that can cope with diversification of communication services, a wavelength division multiplexing optical communication method (WDM) or the like that increases the transmission capacity by increasing the number of wavelength multiplexing channels has been proposed.
[0003]
By the way, an optical fiber amplifier that amplifies the signal light is indispensable in WDM or the like that uses C-band (wavelength: 1530 to 1560 nm) or L-band (wavelength: 1570 to 1620 nm) light as signal light. EDFA is being developed.
[0004]
An EDFA (Erubium doped fiber amplifier) is an optical fiber amplifier in which the core of the optical fiber is made of Er-doped glass. Examples of such an optical fiber include an Er-added silica-based fiber and an Er-added fluoride glass fiber.
[0005]
In the case of a conventionally known Er-doped silica-based fiber, the wavelength dependence of gain is steep, and the wavelength width for obtaining a sufficient gain is as narrow as about 10 to 30 nm. As a result, as long as the conventional EDFA is used, the number of wavelength multiplexing channels is limited to about 30 to 40 channels.
[0006]
Further, in the Er-doped silica-based fiber, it is difficult to increase the optical gain per unit length of the fiber by increasing the Er addition amount due to concentration quenching, and the use length is 10 to 30 m or more.
[0007]
In order to solve this problem, by co-adding rare earth ions such as Yb and La together with Er, a plurality of these rare earth ions are coordinated around Er ions to form clusters. It is known that the distance between ions is widened and concentration quenching is suppressed as compared with the case of the conventional EDFA. However, in the silica-based fiber, a sufficiently wide band of the amplification wavelength is not realized.
[0008]
Further, the Er-doped fluoride fiber may be thermally damaged when the excitation light intensity for optical amplification increases. This is because the glass transition point Tg of fluoride glass is low, typically 320 ° C. or lower.
[0009]
In recent years, with the progress of development of WDM systems, compact optical amplifiers are demanded, and it is desired to make optical amplification media used in such optical amplifiers compact. In order to make the optical amplification medium compact, that is, to obtain a desired optical amplification with a short optical amplification medium, it is required that the light emission efficiency is not lowered due to concentration quenching and that there is no fear of thermal damage due to excitation light. .
[0010]
In order to solve such problems, optical amplifiers that can be used in a wide wavelength range have been proposed by arranging amplifiers having different amplification gain characteristics with respect to wavelengths in series or in parallel, but the structure becomes complicated. There is a problem that there is a region that cannot be amplified near the center of the wavelength region. Therefore, a broadband amplifiable glass is required, and as this glass, tellurite oxide glass (see Patent Document 1) and bismuth oxide glass (see Patent Document 2) have been proposed.
[0011]
In general, in an optical amplification glass in which Er is added to a matrix glass, the gain wavelength width depends on the refractive index of the matrix glass, and it has been considered that the gain wavelength width increases as the refractive index increases. This is interpreted to be because the electric field that Er receives in the matrix glass increases as the refractive index increases, and as a result, the energy level of Er broadens and the emission spectrum becomes broader.
Therefore, these tellurite-based glass and bismuth oxide-based glass generally have a high refractive index of 1.9 or more and show a broad emission spectrum.
[0012]
On the other hand, having a high refractive index increases the refractive index difference from the refractive index of quartz glass (about 1.49), so that the silica-based optical fiber and the tellurite-based glass or the bismuth oxide-based optical amplification glass fiber There is a problem that the loss at the connection portion becomes very large, and there is a feature that nonlinear optical phenomena such as four-wave mixing are likely to occur.
In addition, fluoride glass or tellurite glass having a low glass transition point cannot be fused with the quartz glass fiber because the temperature difference from the glass transition point of quartz glass (approximately 1010 ° C.) is large. The bismuth oxide glass described above can be fused with quartz glass, but a higher glass transition point is preferable in order to increase the fusion strength and facilitate the fusion process.
Furthermore, in order to improve the amplification gain of an optical amplifier, high-intensity excitation laser light needs to be incident on the glass. However, glass with a low glass transition point is thermally damaged or refracted by strong laser light. With high-rate glass, noise due to nonlinear optical phenomena may increase.
[0013]
[Patent Document 1]
JP-A-8-110535 [Patent Document 2]
JP 2001-213635 A
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is an optical amplifying glass capable of obtaining a gain in a wide band in a wavelength range of 1.50 to 1.65 μm, and a wavelength capable of obtaining a gain having a transition point of 600 ° C. or higher and a refractive index of less than 1.80. An object of the present invention is to provide an optical amplification glass having a large width and an optical waveguide using the optical amplification glass.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a light amplification glass in which 0.01 to 10% of Er is added to a matrix glass in terms of mass percentage (based on oxide), and the matrix glass is represented by SiO 2 in terms of mol% (based on oxide). ₂ to 20%, Al ₂ O ₃ to 2 to 50%, La ₂ O ₃ to 1 to 40%, Li ₂ O, Na ₂ O, K ₂ O, Y ₂ O ₃ and Ga ₂ O ₃ Provided is a light amplifying glass containing at least one selected from the group, wherein the total content of Li ₂ O, Na ₂ O, K ₂ O, Y ₂ O ₃ and Ga ₂ O ₃ is ₃ to 40% To do.
[0016]
Further, it is a light amplification glass in which 0.01 to 10% of Er is added to the matrix glass in terms of mass percentage (oxide basis), and the matrix glass is represented by the following oxide basis mol%.
SiO ₂ 30~70%,
Al ₂

O

₃ 5~35%,
Y ₂ O ₃ 0-30%,
Li ₂ O 0-30%
Na ₂ O 0-30%,
K ₂ O 0-30%,
Ga ₂ O ₃ 0~15%,
La ₂ O ₃ 3-30%,
And a light amplification glass having a total content of Li ₂ O, Na ₂ O, K ₂ O, Y ₂ O ₃ and Ga ₂ O ₃ of ₃ to 40%.
[0017]
Further, the present invention provides an optical amplification glass having a transition point of 600 ° C. or higher and a refractive index of less than 1.80.
Furthermore, an optical waveguide having the optical amplification glass as a core is provided.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The optical amplifying glass of the present invention (hereinafter referred to as the glass of the present invention) is usually an optical waveguide having a core / cladding structure, for example, as a glass fiber core having a structure in which the central axis is covered with a core and the periphery thereof is covered with a cladding. And a core of a planar waveguide in which a clad is laminated. Such an optical waveguide is the optical waveguide of the present invention.
[0019]
The optical waveguide of the present invention is suitable for amplifying light having a wavelength of 1520 to 1630 nm, particularly C-band light having a wavelength band of 1530 to 1560 nm with a short length.
This amplification is performed by making excitation light enter the core together with light to be amplified (signal light), and laser light having a wavelength of 970 to 990 nm or 1470 to 1490 nm is usually used as the excitation light.
[0020]
The core diameter and clad diameter of an optical fiber having the glass of the present invention as a core (hereinafter referred to as the optical fiber of the present invention) are typically 2 to 10 μm and 100 to 200 μm, respectively.
[0021]
It is preferable that the refractive index n ₁ of glass having a refractive index n ₂ and the core i.e. the invention of the cladding of the optical fiber of the present invention satisfies the following equation.
0.0005 ≦ (n ₁ −n ₂ ) / n ₁ ≦ 0.1
Moreover, the clad is preferably made of glass, the glass is essentially by _{_{_{mol%, SiO 2: 20~80%, Al}}} 2 O 3: 2~50%, La 2 O 3: 1~40% Li ₂ O + Na ₂ O + K ₂ O + Y ₂ O ₃ + Ga ₂ O ₃ : More preferably, the content is _{3 to} 40%.
[0022]
The optical fiber of the present invention can be produced, for example, by stretching a preform in which a core glass and a clad glass are combined, or by a double crucible method.
[0023]
Glass transition point T _g of the glass of the present invention is preferably 600 ° C. or higher. The T _g of less than 600 ° C., the temperature of the glass when using a large laser beam intensity as the excitation light is locally thermally damaged is high, insufficient optical amplification result of light loss is increased There is a risk of becoming. In addition, the difference between the T _g of the optical amplifying glass fiber by T _g and the invention of the optical fiber of silica glass becomes too large, it may become difficult to fuse the two. More preferably, it is 700 degreeC or more, Most preferably, it is 750 degreeC or more.
[0024]
Furthermore, the refractive index n of the glass of the present invention is preferably less than 1.80. When n is 1.80 or more, when laser light having a high intensity is used as excitation light, a nonlinear optical effect such as four-wave mixing may appear and noise may increase. In addition, the refractive index difference between the silica-based optical fiber and the optical amplifying glass fiber according to the present invention is increased, and there is a possibility that the loss at the connection portion between the two is increased. More preferably, it is 1.70 or less, Especially preferably, it is 1.65 or less.
[0025]
Hereinafter, the glass of the present invention will be described.
The matrix glass in the glass of the present invention is made of glass to which Er is added.
[0026]
Er with respect to the matrix glass is added in an amount of 0.01 to 10% with respect to the matrix glass in terms of mass percentage (mass%). If it is less than 0.01% by mass with respect to the matrix glass, a sufficient gain cannot be obtained. Preferably it is 0.1 mass% or more, More preferably, it is 0.2 mass%, Most preferably, it is 0.5 mass% or more. If it exceeds 10% by mass, the gain is reduced due to concentration quenching. Preferably it is 7 mass% or less, More preferably, it is 4 mass% or less, Most preferably, it is 3 mass% or less.
Next, the composition of the matrix glass in the glass of the present invention will be described by simply indicating mol% as%.
[0027]
SiO ₂ is a network former and is contained in 20 to 80%. SiO ₂ is to suppress crystal deposition during the glass making has the effect of facilitating glass formation, also has the effect of increasing the T _g, is essential. When the content of SiO ₂ is less than 20%, vitrification becomes difficult or devitrification occurs during fiber processing. More preferably, it is 30% or more, More preferably, it is 40% or more. If it exceeds 80%, glass production becomes difficult. More preferably, it is 70% or less, More preferably, it is 65% or less.
[0028]
Al ₂ O ₃ is contained in an amount of 2 to 50%. Al ₂ O ₃ facilitates glass formation by suppressing crystal precipitation during glass production. Furthermore, a higher T _g, [Delta] [lambda] (wavelength width in which the gain is obtained, the ratio of the emission intensity wavelength width of 3) by increasing the, has an effect of suppressing concentration quenching, it is essential. Preferably it is 5% or more, More preferably, it is 7% or more. If it exceeds 50%, glass formation becomes difficult. Preferably it is 40% or less, More preferably, it is 35% or less.
[0029]
_{_{_{Li 2 O, Na 2 O,}}} K 2 O, is at least one or more selected from the group consisting of Y 2 _{O 3} and _{_{_{_{Ga 2 O 3, Li 2 O}}}} , Na 2 O, K 2 O, Y 2 The total content of O ₃ and Ga ₂ O ₃ is ₃ to 40%. Y ₂ O ₃ , Li ₂ O, Na ₂ O, K ₂ O, and Ga ₂ O ₃ are components that lower the liquidus temperature of the glass and suppress crystal precipitation during glass production to facilitate glass formation, It must contain one or more of these five components. If the total of these contents Y ₂ O ₃ + Li ₂ O + Na ₂ O + K ₂ O + Ga ₂ O ₃ is less than 3%, glass formation becomes difficult. Preferably it is 5% or more. If it exceeds 40%, vitrification becomes difficult. Preferably it is 35% or less, More preferably, it is 30% or less.
[0030]
When it is desired to widen the optical amplification band of the optical amplification glass, it is preferable to contain Y ₂ O ₃ and Ga ₂ O ₃ .
[0031]
The content of Y ₂ O ₃ is preferably 30% or less. More preferably, it is 20% or less. When Y ₂ O ₃ is contained, the content is preferably 1% or more, more preferably 5% or more, and particularly preferably 10% or more.
[0032]
The Ga ₂ O ₃ content is preferably 30% or less. More preferably, it is 20% or less. When Ga ₂ O ₃ is contained, its content is preferably 1% or more, more preferably 5% or more, and particularly preferably 10% or more.
[0033]
The content of Li ₂ O is preferably 30% or less. More preferably, it is 20% or less, and particularly preferably 10% or less. When Li ₂ O is contained, the content is preferably 1% or more, more preferably 3% or more.
[0034]
The content of Na ₂ O is preferably 30% or less. More preferably, it is 20% or less, and particularly preferably 10% or less. When Na ₂ O is contained, the content is preferably 1% or more, more preferably 3% or more.
[0035]
The content of K ₂ O is preferably 30% or less. More preferably, it is 20% or less, and particularly preferably 10% or less. When it contains K ₂ O, its content is preferably 1% or more, more preferably 3% or more.
[0036]
La ₂ O ₃ is an essential component, is contained 1% to 40%. If the content is less than 1%, concentration quenching tends to occur. Preferably it is 3% or more, More preferably, it is 7% or more, Most preferably, it is 10% or more. If it exceeds 40%, glass production becomes difficult. Preferably it is 30% or less. In order to sufficiently increase the wavelength width Δλ for obtaining gain, the number of La ions is preferably at least 20 times the number of Er ions. As a result, La ions are coordinated around erbium to form a cluster, and Er ions enter into the cluster, thereby suppressing not only the conventionally known concentration quenching, but also only around the Er ions. As a result, the gain wavelength width can be widened while keeping the refractive index of the bulk glass low.
[0037]
The matrix glass in the present invention is based on the following oxides:
SiO ₂ 30~70%,
Al ₂ O ₃ 5~35%,
Y ₂ O ₃ 0-30%,
Li ₂ O 0-30%
Na ₂ O 0-30%,
K ₂ O 0-30%,
Ga ₂ O ₃ 0~15%,
La ₂ O ₃ 3-30%,
Preferably consisting essentially of
[0038]
A preferred matrix glass in the present invention consists essentially of the above components, but may contain other components within a range not impairing the object of the present invention. The total content of these “other components” is preferably 10% or less. For example, to suppress devitrification during fiber processing or to facilitate vitrification, MgO, CaO, SrO, BaO, ZrO ₂ , Yb ₂ O ₃ , ZnO, CdO, In ₂ O ₃ , PbO, B ₂ O ₃ , P ₂ O _{5 and the} like may be contained. For the purpose of increasing the refractive index _may contain such _{_{Ta 2 O 3, Ag 2 O}} .
[0039]
The method for producing the glass of the present invention is not particularly limited. For example, the raw materials are prepared and mixed, and placed in a gold crucible, platinum crucible, alumina crucible, quartz crucible or iridium crucible, and in the air at 1200 to 1650 ° C. It can be produced by a melting method that melts and casts the obtained melt into a predetermined mold. Moreover, you may manufacture by methods other than melting methods, such as a sol-gel method and a vapor deposition method. An optical amplification glass fiber can be prepared by forming a preform from the glass thus prepared and forming a fiber, or forming a fiber by a double crucible method. In addition, an optical amplification planar waveguide can be created by an ion exchange method.
[0040]
【Example】
Produced by a melting method in which a glass having a composition represented by mol% in the columns from SiO ₂ to La ₂ O ₃ in Table 1 and Er having a ratio represented by mass% in Table 1 is added at 1600 ° C. did. Examples 1 to 8 are examples, and examples 9 and 10 are comparative examples.
[0041]
A flat sample of the glass of Example 1 and the glass of Example 9 as a comparative example and a conventionally known quartz glass (Er-added quartz glass. Example 10) is irradiated with laser light having a wavelength of 980 nm. Spectra and fluorescence lifetime were measured. The emission spectrum is shown in the figure with the unit of emission intensity as an arbitrary unit. The refractive index n at a wavelength of 1.55 μm was measured with an ellipsometer, and the glass transition point T _g (unit: ° C.) was measured with a differential dilatometer. The results are shown in the table.
[0042]
Examples 1 to 8 in Table 1 are examples of preferred embodiments of the light amplification glass of the present invention, and Examples 9 and 10 are comparative examples. Figure 1 is a silica-based glass which is known from the emission intensity, and conventional in the light emitting from the top rank ⁴ I _13/2 order of ^{Er 3+} ions in an optical amplifying glass of Example 1 to the lower order ⁴ I _{_{_15/2}} (Er It is the graph which compared the wavelength dependence of the emitted light intensity in the same light emission of Er3 ⁺ ion in (addition silica glass). The unit of emission intensity is an arbitrary unit.
[0043]
In the case of typical quartz-based glass, it is known that the wavelength at which gain is obtained is 1520 to 1560 nm, and the width is 40 nm. This corresponds to the wavelength width Δλ of the spectrum having a fluorescence intensity of 3.0 or more in FIG. On the other hand, in the case of the light amplification glass of Example 1, it is 1520 to 1565 nm, and its width Δλ reaches 45 nm. The values of 43 to 47 nm are shown for the light amplification glasses of Examples 2 to 8. Further, in Example 8 not containing _La 2 _{O 3} indicates a value of 38 nm.
[0044]
2, from upper rank ⁴ I _13/2 order of ^{Er 3+} ions in an optical amplifying glass with the addition of different amounts of Er in the glass of the same matrix composition as Example 1 and Example 9 to the lower order ⁴ I _{_{_15/2}} It is the graph which compared the relationship between the fluorescence lifetime in light emission, and the Er addition amount (mass percentage) in glass. In the figure, solid lines indicate Example 1 and dotted lines indicate Example 9. Concentration quenching is observed as a phenomenon in which the fluorescence lifetime decreases when the Er addition amount is increased. In the glass having the same matrix composition as in Example 1, concentration quenching occurs at a concentration higher than 1%. At a concentration of 1% or less, the fluorescence lifetime is constant, indicating that no concentration quenching has occurred. On the other hand, in the glass not containing La ₂ O ₃ having the same matrix composition as in Example 9, a portion with a constant fluorescence lifetime was not observed, indicating that concentration quenching occurred at a concentration of less than 0.4%. .
[0045]
In Table 1, the Er addition amount of the glasses of Examples 1 to 8 is 0.43% or more in terms of mass percentage, and is larger than the Er addition amount of 0.11% at which concentration quenching occurs in the Er-doped silica-based fiber. Nevertheless, in Examples 1 to 8, no significant concentration quenching was observed, indicating that light amplification is possible.
[0046]
Furthermore, the glasses of Examples 1-8 is the value of the glass transition point T _g is 700 ° C. or higher, have been shown to have a value of 600 ° C. or higher T _g of desired to reduce thermal damage .
[0047]
[Table 1]

[0048]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain an optical amplifying glass and an optical waveguide having a broader amplifying function that are less likely to be thermally damaged even when a laser beam having a high intensity is used as excitation light and in which concentration quenching is unlikely to occur. . Moreover, even if the length is short, an optical fiber that has a desired amplification function, can be easily fused with a quartz glass fiber, and can be used for an EDFA without being wound into a bobbin shape is obtained.
[Brief description of the drawings]
1 is a graph showing emission spectra of an optical amplification glass according to Example 1 of the present invention, a glass not containing La ₂ O ₃ of Example 9 and a silica-based glass of Example 10. FIG.
FIG. 2 is a graph showing the Er ion concentration dependence of the fluorescence lifetime of a light-amplifying glass having the same matrix composition as Example 1 of the present invention and a glass not containing La ₂ O ₃ having the same matrix composition as Example 9.

Claims

A light amplifying glass in which 0.01 to 10% of Er is added to a matrix glass in terms of mass percentage, and the matrix glass displays 20 to 80% of SiO ₂ and ₂ to ₂ of Al ₂ O ₃ in terms of mol%. 50%, 1 to 40% of La ₂ O ₃ , containing at least one selected from the group consisting of Li ₂ O, Na ₂ O, K ₂ O, Y ₂ O ₃ and Ga ₂ O ₃ , Li ₂ A light amplifying glass in which the total content of O, Na ₂ O, K ₂ O, Y ₂ O ₃ and Ga ₂ O ₃ is ₃ to 40%.

The matrix glass is expressed in mol% based on the following oxides:
SiO ₂ 30~70%,
Al ₂ O ₃ 5~35%,
Y ₂ O ₃ 0-30%,
Li ₂ O 0-30%
Na ₂ O 0-30%,
K ₂ O 0-30%,
Ga ₂ O ₃ 0~15%,
La ₂ O ₃ 3-30%,
The light amplification glass according to claim 1 consisting essentially of:

The light amplification glass according to claim 1 or 2, having a transition point of 600 ° C or higher and a refractive index of less than 1.80.

An optical waveguide having the optical amplification glass according to claim 1, 2 or 3 as a core.