JP2004307306A - 光増幅ガラスおよび光導波路 - Google Patents
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Abstract
【課題】ファイバ加工時の結晶析出が起こりにくい光増幅ガラスの提供。
【解決手段】モル％で、Ｂｉ２Ｏ３ ４〜８０％、ＳｉＯ２ ４〜６０％、Ｉｎ２Ｏ３ ０．１〜２０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３ ０．１〜１５％、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３ ０．０５〜５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３ ０〜４５モル％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５％、ＣｅＯ２ ０〜２％、から本質的になる光増幅ガラス。前記光増幅ガラスをコアとする光導波路。
【選択図】なし
【解決手段】モル％で、Ｂｉ２Ｏ３ ４〜８０％、ＳｉＯ２ ４〜６０％、Ｉｎ２Ｏ３ ０．１〜２０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３ ０．１〜１５％、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３ ０．０５〜５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３ ０〜４５モル％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５％、ＣｅＯ２ ０〜２％、から本質的になる光増幅ガラス。前記光増幅ガラスをコアとする光導波路。
【選択図】なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長が１５３０〜１５６５ｎｍ（Ｃバンド）、１５６５〜１６２５ｎｍ（Ｌバンド）等の光の増幅に好適な光増幅ガラスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信サービスの多様化または高速化の要請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分割多重方式（ＷＤＭ）が提案されている。
【０００３】
伝送用シリカファイバの低損失領域であるＣバンド、Ｌバンド、Ｓバンド（波長：１４６０〜１５３０ｎｍ）等の光を信号光とするＷＤＭ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る。
【０００４】
ＣバンドからＬバンドの光の増幅器として光ファイバのコアがＥｒ添加ガラスである光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が、またＳバンド用増幅器として光ファイバのコアがＴｍ添加ガラスである光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）の開発が行われている。
【０００５】
ＥＤＦＡ、ＴＤＦＡ等に好適な光増幅ガラスとして、従来は石英系ガラスをベースとしたものが多く提案されていたが、近年、ファイバ長が短くとも所望の特性が得られるＢｉ２Ｏ３系ガラスをベースとしたものが提案されている（たとえば特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１０２６６１号公報（第１〜４頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来知られているＢｉ２Ｏ３系ガラスをベースとした光増幅ガラスは光学活性イオンとしてＥｒイオンまたはＴｍイオンを含有するが、ＥｒまたはＴｍがクラスタリングを起こし、励起された光子の熱的緩和（無輻射緩和）確率が高くなることがあった。
【０００８】
本発明者はこの問題を解決するために特願２００２−２５１１２９号においてＥｒ含有Ｂｉ２Ｏ３系光増幅ガラスにＬａ２Ｏ３を添加することを提案した。
【０００９】
しかし、Ｌａ２Ｏ３添加Ｅｒ含有Ｂｉ２Ｏ３系光増幅ガラスにおいてその利得を高くすべくＢ２Ｏ３含有量を低減させると伝搬損失が高くなることがあった。
本発明はこのような問題を解決できる、Ｂｉ２Ｏ３系ガラスをベースとしＬａ２Ｏ３を含有する光増幅ガラスおよび光導波路の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３ ４〜８０％、ＳｉＯ２ ４〜６０％、Ｉｎ２Ｏ３ ０．１〜２０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３ ０．１〜１５％、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３ ０．０５〜５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３ ０〜４５モル％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５％、ＣｅＯ２ ０〜２％、から本質的になる光増幅ガラスを提供する。
また、前記光増幅ガラスをコアとする光導波路を提供する。
【００１１】
本発明者は、Ｌａ２Ｏ３を添加したＥｒ含有Ｂｉ２Ｏ３系光増幅ガラスであってＢ２Ｏ３を含有しないガラス（後記例３のガラス）をコアとする光ファイバ（コア径：５μｍ、クラッド径：１２５μｍ）を複数本作製し、そのうちの１本について波長が９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍである光で励起しそのコア内を伝搬する光をＩＲビューワを用いて観察した。
【００１２】
その結果、その光ファイバには１ｃｍあたり１〜２個程度の輝点（散乱点）が認められた。この散乱点はファイバ加工（ファイバの線引き）時に析出した結晶と考えられる。なお、この光ファイバの伝搬損失は測定しなかったがきわめて大きいものであったと推定される。すなわち、ニアフィールドパターンを観察したところ光の大部分がクラッドモードに洩れていた。
このことから、前記結晶の析出を抑制することによりこの結晶に起因する伝搬損失を低減できると考え、本発明に至った。
【００１３】
【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、たとえば同構造のガラスファイバまたは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。
【００１４】
本発明の光導波路を波長が１５３０〜１６３０ｎｍの光の増幅等に用いる場合、そのコアは本発明のガラスであってＥｒ２Ｏ３を含有するものであることが好ましい。この態様は、短い長さで光を増幅したい場合に特に好適である。
【００１５】
本発明の光導波路をＳバンドの光の増幅等に用いる場合、そのコアは本発明のガラスであってＴｍ２Ｏ３を含有するものであることが好ましい。この態様は、短い長さで光を広帯域増幅したい場合に特に好適である。
【００１６】
光の増幅は通常、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、波長が９７０〜９９０ｎｍ、１４７０〜１４９０ｎｍ、１０４０〜１０６０ｎｍまたは１４００〜１４２０ｎｍのレーザー光等が使用される。典型的には、Ｃバンドの光の増幅には波長が９７０〜９９０ｎｍの励起光が、Ｌバンドの光の増幅には波長が１４７０〜１４９０ｎｍの励起光が、Ｓバンドの光の増幅には１０４０〜１０６０ｎｍまたは１４００〜１４２０ｎｍの励起光がそれぞれ使用される。
【００１７】
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。
【００１８】
本発明の光ファイバをボビン状に巻かずにＥＤＦＡに使用する場合、その長さは８ｃｍ以下であることが好ましい。より好ましくは６ｃｍ以下、特に好ましくは５ｃｍ以下である。
【００１９】
本発明の光ファイバのクラッドの屈折率ｎ２とコアすなわち本発明のガラスの屈折率ｎ１とは次式を満足することが好ましい。なお、ｎ１は典型的には１．８〜２．２である。
０．０００５≦（ｎ１−ｎ２）／ｎ１≦０．１。
【００２０】
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、Ｂｉ２Ｏ３ ５〜８０％、Ｂ２Ｏ３＋ＳｉＯ２ ５〜７５％、Ｉｎ２Ｏ３ ０．１〜２０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３ ０．１〜１５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３ ０．１〜４５％、ＣｅＯ２ ０．０１〜２％、からなることがより好ましい。なお、当該より好ましいガラスは本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。
【００２１】
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周知の押出し成形法によって作製し、このプリフォームを延伸して作製される。
【００２２】
本発明のガラスのガラス転移点Ｔｇは３６０℃以上であることが好ましい。Ｔｇが３６０℃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、その結果伝搬損失が増加して光増幅が不充分となるおそれがある。より好ましくは４５０℃以上、特に好ましくは４８０℃以上である。
【００２３】
次に、本発明のガラスにおけるガラスの組成についてモル％を単に％と表示して説明する。
Ｂｉ２Ｏ３は必須成分である。その含有量が４％未満では利得が得られる波長幅Δλが小さい、または屈折率が小さすぎるために所望の利得が得られない。好ましくは９％以上、より好ましくは１９％以上、特に好ましくは２９％以上である。８０％超では、ガラス化が困難になる、ファイバ加工時に結晶が析出する、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。
【００２４】
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の必須成分である。４％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結晶が析出する。より好ましくは９％以上、さらに好ましくは１４％以上、特に好ましくは１９％以上、最も好ましくは２４％以上である。６０％超では利得が低下する。より好ましくは５０％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。
【００２５】
Ｉｎ２Ｏ３はファイバ加工時の結晶析出を抑制し伝搬損失を低下させるための必須成分である。また、Ｉｎ２Ｏ３はガラス形成を容易にする効果を有することがある。０．１％未満ではファイバ加工時の結晶析出抑制効果が小さい。好ましくは１％以上である。２０％超ではガラス化がかえって困難になる、またはファイバ加工時にかえって結晶が析出しやすくなる。好ましくは１５％以下、より好ましくは１０％以下である。
【００２６】
Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３およびＹｂ２Ｏ３は濃度消光を起こりにくくする効果または利得を増大させる効果を有し、これら４成分のうちの１種以上を含有しなければならない。これら４成分の含有量の合計Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３が０．１％未満では前記効果が小さい。好ましくは０．５％以上である。１５％超ではガラス化が困難になる、またはファイバ加工時に結晶が析出しやすくなる。好ましくは１２％以下、より好ましくは１０％以下である。
【００２７】
前記４成分のうち少なくともＬａ２Ｏ３を含有することが好ましい。
この好ましい態様においては、Ｌａ２Ｏ３含有量は０．５〜１０％、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３およびＹｂ２Ｏ３の含有量の合計Ｙ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３は０〜３％であることがより好ましい。ここで、Ｙ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３が０〜３％であるとは、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３およびＹｂ２Ｏ３はいずれも含有しなくてもよいし、これらのいずれかを含有する場合はそれらの含有量の合計は３％以下である、の意である。
【００２８】
Ｅｒ２Ｏ３およびＴｍ２Ｏ３は光増幅のための成分であり、いずれか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Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３が０．０５％未満では充分な利得が得られない。好ましくは０．１％以上、より好ましくは０．２％以上である。５％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利得が低下する。好ましくは３％以下、より好ましくは２％以下である。
【００２９】
波長が１５３０〜１６３０ｎｍの光を増幅する等の場合にはＥｒ２Ｏ３のみを含有し、Ｔｍ２Ｏ３はＥｒイオンに起因する所望の遷移を阻害するおそれがあるので含有しないことが好ましい。この場合、Ｅｒ２Ｏ３は０．４〜０．６％であることがより好ましい。
【００３０】
Ｓバンドの光を増幅する等の場合にはＴｍ２Ｏ３のみを含有し、Ｅｒ２Ｏ３はＴｍイオンに起因する所望の遷移を阻害するおそれがあるので含有しないことが好ましい。
【００３１】
本発明のガラスを、ボビン状に巻かずにＥＤＦＡに使用される光ファイバ（その長さは典型的には８ｃｍ以下）に使用する場合、またはＥＤＦＡに使用されるコンパクトな平面導波路（その大きさは典型的には８ｃｍ以下）に使用する場合、Ｅｒ２Ｏ３含有量は好ましくは０．５〜３％である。より好ましくは１％以上である。また、これらの場合においてＬａ２Ｏ３を含有するときはその含有量は２．５％以上であることが好ましい。
【００３２】
Ｌａ２Ｏ３を含有する場合、Ｌａ２Ｏ３含有量／Ｅｒ２Ｏ３含有量は１．０以上であることが好ましい。１．０未満では濃度消光抑制効果または利得を増大させる効果が小さい。
【００３３】
Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３はいずれも必須ではないが、ガラス形成を容易にするため、またはファイバ加工時の結晶析出を抑制するために、いずれか一方または両者をこれらの含有量の合計Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３が４５％以下の範囲で含有してもよい。４５％超ではガラス化が困難になる、またはＴｇが低くなるおそれがある。より好ましくは３０％以下、特に好ましくは２５％以下である。また、Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を含有する場合、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３は好ましくは３％以上、より好ましくは８％以上、特に好ましくは１１％以上である。
【００３４】
Ａｌ２Ｏ３を含有する場合その含有量は０．１〜１０％であることが好ましい。０．１％未満ではＡｌ２Ｏ３含有効果が小さいおそれがある。より好ましくは１％以上、特に好ましくは２％以上である。１０％超ではガラス形成が困難になるおそれがある。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。
【００３５】
Ｇａ２Ｏ３は前記効果の他にΔλを大きくする効果を有することがある。Δλをより大きくしたい、等の場合にはＧａ２Ｏ３を含有することが好ましい。
Ｇａ２Ｏ３を含有する場合その含有量は１〜３０％であることが好ましい。１％未満ではＧａ２Ｏ３含有効果が小さいおそれがある。より好ましくは５％以上、特に好ましくは９％以上である。３０％超ではガラス形成が困難になるおそれがある。より好ましくは２０％以下である。
【００３６】
Ｂ２Ｏ３は必須ではないが、ガラス形成を容易にするために５％まで含有してもよい。５％超では耐水性または利得が低下するおそれがある。耐水性をより向上させたい、利得をより高めたい、等の場合にはＢ２Ｏ３を含有しないことが好ましい。
【００３７】
ＣｅＯ２は必須ではないが、Ｂｉ２Ｏ３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過率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かえって低下する。好ましくは１％以下、より好ましくは０．５％以下である。ガラスの黄色またはオレンジ色の着色による透過率低下を避けたい場合はＣｅＯ２を含有しないことが好ましい。なお、ＣｅＯ２を含有する場合その含有量は０．０５％以上であることが好ましい。
【００３８】
本発明のガラスは本質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。この場合当該その他の成分の含有量の合計は、好ましくは３０％以下、より好ましくは１５％以下、特に好ましくは１０％以下である。
【００３９】
前記その他の成分としては以下のようなものが例示される。
Δλを大きくしたい等の場合には、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５またはＴｅＯ２をそれぞれ３０％まで含有してもよい。３０％超では利得が低下するおそれがある。より好ましくはそれぞれ１０％以下である。ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５またはＴｅＯ２を含有する場合その含有成分の各含有量は、好ましくは１％以上、より好ましくは３％以上である。
【００４０】
屈折率を高くするため、またはガラス形成を容易にするために、ＧｅＯ２を３０％まで含有してもよい。３０％超ではガラス形成がかえって困難になるおそれがある。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１％以上であることが好ましい。
【００４１】
ファイバ加工時の結晶析出をより抑制したい等の場合には、ＴｉＯ２またはＳｎＯ２をそれぞれ３０％まで含有してもよい。３０％超ではガラス形成が困難になるおそれがある。好ましくはそれぞれ１０％以下である。
【００４２】
ファイバ加工時の結晶析出を抑制する成分、またはガラス形成を容易にする成分として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＰｂＯ、Ｓｂ２Ｏ３等も挙げることができる。
【００４３】
本発明のガラスにおいては、Ｂｉ２Ｏ３が２９〜５０％、ＳｉＯ２が２４〜４０％、Ｉｎ２Ｏ３が１〜１０％、Ｌａ２Ｏ３が０．５〜１０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３が０〜３％、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３が０．１〜１％、Ａｌ２Ｏ３が１〜５％、Ｇａ２Ｏ３が９〜２０％、ＣｅＯ２が０〜０．５％、であることが好ましい。
【００４４】
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、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、溶融法以外の方法、たとえばゾルゲル法や気相蒸着法などの方法で製造してもよい。
【００４５】
【実施例】
表１のＢｉ２Ｏ３からＣｅＯ２までの欄にモル％表示で示す組成のガラスを１２００℃で溶解する溶融法を用いて作製した。得られたガラスのガラス転移点Ｔｇ（単位：℃）、線引き温度（単位：℃）、波長１５５０ｎｍの光に対する屈折率ｎを同表に示す。例１は実施例、例２、３は比較例である。
【００４６】
線引き温度は粘度が１０５．５Ｐａ・ｓである温度であり、ここでは次のようにしてその値を推定した。すなわち、温度−粘度曲線が例１〜３のガラスと似ていると考えられるガラス（モル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．６％、ＳｉＯ２３５．５％、Ｅｒ２Ｏ３ ０．５％、Ａｌ２Ｏ３ ３．５％、Ｇａ２Ｏ３ １７．７％、ＣｅＯ２ ０．２％）の温度−粘度曲線を測定した結果、Ｔｇ＝４８５℃、線引き温度＝５９０℃であった（ＴｇはＤＴＡにより、線引き温度は平行板測定法によりそれぞれ求めた）。例１〜３においてもＴｇと線引き温度の差は１０５℃（＝５９０℃−４８５℃）であるとして例１〜３のガラスの線引き温度を推定した。
【００４７】
【表１】
【００４８】
例１〜３のガラスを粉末にし、線引き温度付近におけるＴ．Ｔ．Ｔ線図（時間温度変態線図）を求めるべく、示差熱分析（ＤＴＡ）および示差走査型熱量計（ＤＳＣ）を用いてこれら粉末の結晶化開始温度Θ（単位：℃）と結晶化開始時間ｔＣ（単位：秒）の関係を調べた。結果を表２に示す。なお、ｔＣが６秒のデータはＤＴＡ（昇温速度＝１０℃／秒）により、６０秒のデータはＤＴＡ（昇温速度＝１℃／秒）により、その他のデータはＤＳＣにより求めた。
【００４９】
横軸をｔＣ、縦軸をΘとして得られたデータをプロットし、これらを滑らかな曲線で結んで例１〜３のそれぞれのガラスについてＴ．Ｔ．Ｔ線図を作成した。
【００５０】
【表２】
【００５１】
本発明者は、例１〜３のガラスをコアガラスとし、このコアガラスとそれぞれに対して適切に選ばれたクラッドガラスとを用いて周知の押出し成形法によってプリフォームを作製し、これをファイバ加工して光ファイバを作製する場合において、伝搬損失をもたらすような結晶析出が起こりにくいか起こりやすいかを次のようにして評価した。
【００５２】
すなわち、前記Ｔ．Ｔ．Ｔ線図から各線引き温度におけるｔＣを求めこれをｔＣ０とし、ｔＣ０が２４０秒以上の場合には前記結晶析出は起こりにくく、ｔＣ０が２４０秒より小さい場合には前記結晶析出は起こりやすい、と評価した。
例１、２、３のｔＣ０はそれぞれ１１０００秒、１６０秒、１１秒であった。すなわち、例１はファイバ加工時の結晶析出は起こりにくいと考えられるが、例２、３においてはファイバ加工時の結晶析出は起こりやすいと考えられる。
【００５３】
なお、前記評価において２４０秒を基準として用いたのは以下に述べる理由による。すなわち、本発明の光ファイバの最も典型的なコア径、クラッド径はそれぞれ４〜５μｍ、１２５μｍであるが、プリフォームをファイバ加工する場合のプリフォーム変形領域滞在時間は２４０秒であった。
【００５４】
ここで、プリフォーム変形領域とは直径１０ｍｍのプリフォームをファイバ加工する際に変形してネック状になっている領域のうちの、直径が９．５ｍｍから０．５ｍｍまで変化している領域であり、プリフォーム変形領域滞在時間とはプリフォーム変形領域長さをプリフォーム送り速度で除して得られる時間である。プリフォーム変形領域の代表的温度が線引き温度であり、この領域より下流においてはガラスの温度は線引き温度よりも顕著に低く新たな結晶析出は起こらないと考えられる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、ファイバ加工時の結晶析出が起こりにくい光増幅ガラスが得られ、このガラスをコアとする光ファイバ等の光導波路の伝搬損失の低減が可能になる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長が１５３０〜１５６５ｎｍ（Ｃバンド）、１５６５〜１６２５ｎｍ（Ｌバンド）等の光の増幅に好適な光増幅ガラスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信サービスの多様化または高速化の要請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分割多重方式（ＷＤＭ）が提案されている。
【０００３】
伝送用シリカファイバの低損失領域であるＣバンド、Ｌバンド、Ｓバンド（波長：１４６０〜１５３０ｎｍ）等の光を信号光とするＷＤＭ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る。
【０００４】
ＣバンドからＬバンドの光の増幅器として光ファイバのコアがＥｒ添加ガラスである光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が、またＳバンド用増幅器として光ファイバのコアがＴｍ添加ガラスである光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）の開発が行われている。
【０００５】
ＥＤＦＡ、ＴＤＦＡ等に好適な光増幅ガラスとして、従来は石英系ガラスをベースとしたものが多く提案されていたが、近年、ファイバ長が短くとも所望の特性が得られるＢｉ２Ｏ３系ガラスをベースとしたものが提案されている（たとえば特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１０２６６１号公報（第１〜４頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来知られているＢｉ２Ｏ３系ガラスをベースとした光増幅ガラスは光学活性イオンとしてＥｒイオンまたはＴｍイオンを含有するが、ＥｒまたはＴｍがクラスタリングを起こし、励起された光子の熱的緩和（無輻射緩和）確率が高くなることがあった。
【０００８】
本発明者はこの問題を解決するために特願２００２−２５１１２９号においてＥｒ含有Ｂｉ２Ｏ３系光増幅ガラスにＬａ２Ｏ３を添加することを提案した。
【０００９】
しかし、Ｌａ２Ｏ３添加Ｅｒ含有Ｂｉ２Ｏ３系光増幅ガラスにおいてその利得を高くすべくＢ２Ｏ３含有量を低減させると伝搬損失が高くなることがあった。
本発明はこのような問題を解決できる、Ｂｉ２Ｏ３系ガラスをベースとしＬａ２Ｏ３を含有する光増幅ガラスおよび光導波路の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３ ４〜８０％、ＳｉＯ２ ４〜６０％、Ｉｎ２Ｏ３ ０．１〜２０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３ ０．１〜１５％、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３ ０．０５〜５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３ ０〜４５モル％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５％、ＣｅＯ２ ０〜２％、から本質的になる光増幅ガラスを提供する。
また、前記光増幅ガラスをコアとする光導波路を提供する。
【００１１】
本発明者は、Ｌａ２Ｏ３を添加したＥｒ含有Ｂｉ２Ｏ３系光増幅ガラスであってＢ２Ｏ３を含有しないガラス（後記例３のガラス）をコアとする光ファイバ（コア径：５μｍ、クラッド径：１２５μｍ）を複数本作製し、そのうちの１本について波長が９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍである光で励起しそのコア内を伝搬する光をＩＲビューワを用いて観察した。
【００１２】
その結果、その光ファイバには１ｃｍあたり１〜２個程度の輝点（散乱点）が認められた。この散乱点はファイバ加工（ファイバの線引き）時に析出した結晶と考えられる。なお、この光ファイバの伝搬損失は測定しなかったがきわめて大きいものであったと推定される。すなわち、ニアフィールドパターンを観察したところ光の大部分がクラッドモードに洩れていた。
このことから、前記結晶の析出を抑制することによりこの結晶に起因する伝搬損失を低減できると考え、本発明に至った。
【００１３】
【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、たとえば同構造のガラスファイバまたは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。
【００１４】
本発明の光導波路を波長が１５３０〜１６３０ｎｍの光の増幅等に用いる場合、そのコアは本発明のガラスであってＥｒ２Ｏ３を含有するものであることが好ましい。この態様は、短い長さで光を増幅したい場合に特に好適である。
【００１５】
本発明の光導波路をＳバンドの光の増幅等に用いる場合、そのコアは本発明のガラスであってＴｍ２Ｏ３を含有するものであることが好ましい。この態様は、短い長さで光を広帯域増幅したい場合に特に好適である。
【００１６】
光の増幅は通常、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、波長が９７０〜９９０ｎｍ、１４７０〜１４９０ｎｍ、１０４０〜１０６０ｎｍまたは１４００〜１４２０ｎｍのレーザー光等が使用される。典型的には、Ｃバンドの光の増幅には波長が９７０〜９９０ｎｍの励起光が、Ｌバンドの光の増幅には波長が１４７０〜１４９０ｎｍの励起光が、Ｓバンドの光の増幅には１０４０〜１０６０ｎｍまたは１４００〜１４２０ｎｍの励起光がそれぞれ使用される。
【００１７】
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。
【００１８】
本発明の光ファイバをボビン状に巻かずにＥＤＦＡに使用する場合、その長さは８ｃｍ以下であることが好ましい。より好ましくは６ｃｍ以下、特に好ましくは５ｃｍ以下である。
【００１９】
本発明の光ファイバのクラッドの屈折率ｎ２とコアすなわち本発明のガラスの屈折率ｎ１とは次式を満足することが好ましい。なお、ｎ１は典型的には１．８〜２．２である。
０．０００５≦（ｎ１−ｎ２）／ｎ１≦０．１。
【００２０】
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、Ｂｉ２Ｏ３ ５〜８０％、Ｂ２Ｏ３＋ＳｉＯ２ ５〜７５％、Ｉｎ２Ｏ３ ０．１〜２０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３ ０．１〜１５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３ ０．１〜４５％、ＣｅＯ２ ０．０１〜２％、からなることがより好ましい。なお、当該より好ましいガラスは本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。
【００２１】
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周知の押出し成形法によって作製し、このプリフォームを延伸して作製される。
【００２２】
本発明のガラスのガラス転移点Ｔｇは３６０℃以上であることが好ましい。Ｔｇが３６０℃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、その結果伝搬損失が増加して光増幅が不充分となるおそれがある。より好ましくは４５０℃以上、特に好ましくは４８０℃以上である。
【００２３】
次に、本発明のガラスにおけるガラスの組成についてモル％を単に％と表示して説明する。
Ｂｉ２Ｏ３は必須成分である。その含有量が４％未満では利得が得られる波長幅Δλが小さい、または屈折率が小さすぎるために所望の利得が得られない。好ましくは９％以上、より好ましくは１９％以上、特に好ましくは２９％以上である。８０％超では、ガラス化が困難になる、ファイバ加工時に結晶が析出する、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。
【００２４】
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の必須成分である。４％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結晶が析出する。より好ましくは９％以上、さらに好ましくは１４％以上、特に好ましくは１９％以上、最も好ましくは２４％以上である。６０％超では利得が低下する。より好ましくは５０％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。
【００２５】
Ｉｎ２Ｏ３はファイバ加工時の結晶析出を抑制し伝搬損失を低下させるための必須成分である。また、Ｉｎ２Ｏ３はガラス形成を容易にする効果を有することがある。０．１％未満ではファイバ加工時の結晶析出抑制効果が小さい。好ましくは１％以上である。２０％超ではガラス化がかえって困難になる、またはファイバ加工時にかえって結晶が析出しやすくなる。好ましくは１５％以下、より好ましくは１０％以下である。
【００２６】
Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３およびＹｂ２Ｏ３は濃度消光を起こりにくくする効果または利得を増大させる効果を有し、これら４成分のうちの１種以上を含有しなければならない。これら４成分の含有量の合計Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３が０．１％未満では前記効果が小さい。好ましくは０．５％以上である。１５％超ではガラス化が困難になる、またはファイバ加工時に結晶が析出しやすくなる。好ましくは１２％以下、より好ましくは１０％以下である。
【００２７】
前記４成分のうち少なくともＬａ２Ｏ３を含有することが好ましい。
この好ましい態様においては、Ｌａ２Ｏ３含有量は０．５〜１０％、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３およびＹｂ２Ｏ３の含有量の合計Ｙ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３は０〜３％であることがより好ましい。ここで、Ｙ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３が０〜３％であるとは、Ｙ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３およびＹｂ２Ｏ３はいずれも含有しなくてもよいし、これらのいずれかを含有する場合はそれらの含有量の合計は３％以下である、の意である。
【００２８】
Ｅｒ２Ｏ３およびＴｍ２Ｏ３は光増幅のための成分であり、いずれか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Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３が０．０５％未満では充分な利得が得られない。好ましくは０．１％以上、より好ましくは０．２％以上である。５％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利得が低下する。好ましくは３％以下、より好ましくは２％以下である。
【００２９】
波長が１５３０〜１６３０ｎｍの光を増幅する等の場合にはＥｒ２Ｏ３のみを含有し、Ｔｍ２Ｏ３はＥｒイオンに起因する所望の遷移を阻害するおそれがあるので含有しないことが好ましい。この場合、Ｅｒ２Ｏ３は０．４〜０．６％であることがより好ましい。
【００３０】
Ｓバンドの光を増幅する等の場合にはＴｍ２Ｏ３のみを含有し、Ｅｒ２Ｏ３はＴｍイオンに起因する所望の遷移を阻害するおそれがあるので含有しないことが好ましい。
【００３１】
本発明のガラスを、ボビン状に巻かずにＥＤＦＡに使用される光ファイバ（その長さは典型的には８ｃｍ以下）に使用する場合、またはＥＤＦＡに使用されるコンパクトな平面導波路（その大きさは典型的には８ｃｍ以下）に使用する場合、Ｅｒ２Ｏ３含有量は好ましくは０．５〜３％である。より好ましくは１％以上である。また、これらの場合においてＬａ２Ｏ３を含有するときはその含有量は２．５％以上であることが好ましい。
【００３２】
Ｌａ２Ｏ３を含有する場合、Ｌａ２Ｏ３含有量／Ｅｒ２Ｏ３含有量は１．０以上であることが好ましい。１．０未満では濃度消光抑制効果または利得を増大させる効果が小さい。
【００３３】
Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３はいずれも必須ではないが、ガラス形成を容易にするため、またはファイバ加工時の結晶析出を抑制するために、いずれか一方または両者をこれらの含有量の合計Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３が４５％以下の範囲で含有してもよい。４５％超ではガラス化が困難になる、またはＴｇが低くなるおそれがある。より好ましくは３０％以下、特に好ましくは２５％以下である。また、Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を含有する場合、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３は好ましくは３％以上、より好ましくは８％以上、特に好ましくは１１％以上である。
【００３４】
Ａｌ２Ｏ３を含有する場合その含有量は０．１〜１０％であることが好ましい。０．１％未満ではＡｌ２Ｏ３含有効果が小さいおそれがある。より好ましくは１％以上、特に好ましくは２％以上である。１０％超ではガラス形成が困難になるおそれがある。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。
【００３５】
Ｇａ２Ｏ３は前記効果の他にΔλを大きくする効果を有することがある。Δλをより大きくしたい、等の場合にはＧａ２Ｏ３を含有することが好ましい。
Ｇａ２Ｏ３を含有する場合その含有量は１〜３０％であることが好ましい。１％未満ではＧａ２Ｏ３含有効果が小さいおそれがある。より好ましくは５％以上、特に好ましくは９％以上である。３０％超ではガラス形成が困難になるおそれがある。より好ましくは２０％以下である。
【００３６】
Ｂ２Ｏ３は必須ではないが、ガラス形成を容易にするために５％まで含有してもよい。５％超では耐水性または利得が低下するおそれがある。耐水性をより向上させたい、利得をより高めたい、等の場合にはＢ２Ｏ３を含有しないことが好ましい。
【００３７】
ＣｅＯ２は必須ではないが、Ｂｉ２Ｏ３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過率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かえって低下する。好ましくは１％以下、より好ましくは０．５％以下である。ガラスの黄色またはオレンジ色の着色による透過率低下を避けたい場合はＣｅＯ２を含有しないことが好ましい。なお、ＣｅＯ２を含有する場合その含有量は０．０５％以上であることが好ましい。
【００３８】
本発明のガラスは本質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。この場合当該その他の成分の含有量の合計は、好ましくは３０％以下、より好ましくは１５％以下、特に好ましくは１０％以下である。
【００３９】
前記その他の成分としては以下のようなものが例示される。
Δλを大きくしたい等の場合には、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５またはＴｅＯ２をそれぞれ３０％まで含有してもよい。３０％超では利得が低下するおそれがある。より好ましくはそれぞれ１０％以下である。ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５またはＴｅＯ２を含有する場合その含有成分の各含有量は、好ましくは１％以上、より好ましくは３％以上である。
【００４０】
屈折率を高くするため、またはガラス形成を容易にするために、ＧｅＯ２を３０％まで含有してもよい。３０％超ではガラス形成がかえって困難になるおそれがある。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１％以上であることが好ましい。
【００４１】
ファイバ加工時の結晶析出をより抑制したい等の場合には、ＴｉＯ２またはＳｎＯ２をそれぞれ３０％まで含有してもよい。３０％超ではガラス形成が困難になるおそれがある。好ましくはそれぞれ１０％以下である。
【００４２】
ファイバ加工時の結晶析出を抑制する成分、またはガラス形成を容易にする成分として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＰｂＯ、Ｓｂ２Ｏ３等も挙げることができる。
【００４３】
本発明のガラスにおいては、Ｂｉ２Ｏ３が２９〜５０％、ＳｉＯ２が２４〜４０％、Ｉｎ２Ｏ３が１〜１０％、Ｌａ２Ｏ３が０．５〜１０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３が０〜３％、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３が０．１〜１％、Ａｌ２Ｏ３が１〜５％、Ｇａ２Ｏ３が９〜２０％、ＣｅＯ２が０〜０．５％、であることが好ましい。
【００４４】
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、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、溶融法以外の方法、たとえばゾルゲル法や気相蒸着法などの方法で製造してもよい。
【００４５】
【実施例】
表１のＢｉ２Ｏ３からＣｅＯ２までの欄にモル％表示で示す組成のガラスを１２００℃で溶解する溶融法を用いて作製した。得られたガラスのガラス転移点Ｔｇ（単位：℃）、線引き温度（単位：℃）、波長１５５０ｎｍの光に対する屈折率ｎを同表に示す。例１は実施例、例２、３は比較例である。
【００４６】
線引き温度は粘度が１０５．５Ｐａ・ｓである温度であり、ここでは次のようにしてその値を推定した。すなわち、温度−粘度曲線が例１〜３のガラスと似ていると考えられるガラス（モル％表示組成：Ｂｉ２Ｏ３ ４２．６％、ＳｉＯ２３５．５％、Ｅｒ２Ｏ３ ０．５％、Ａｌ２Ｏ３ ３．５％、Ｇａ２Ｏ３ １７．７％、ＣｅＯ２ ０．２％）の温度−粘度曲線を測定した結果、Ｔｇ＝４８５℃、線引き温度＝５９０℃であった（ＴｇはＤＴＡにより、線引き温度は平行板測定法によりそれぞれ求めた）。例１〜３においてもＴｇと線引き温度の差は１０５℃（＝５９０℃−４８５℃）であるとして例１〜３のガラスの線引き温度を推定した。
【００４７】
【表１】
例１〜３のガラスを粉末にし、線引き温度付近におけるＴ．Ｔ．Ｔ線図（時間温度変態線図）を求めるべく、示差熱分析（ＤＴＡ）および示差走査型熱量計（ＤＳＣ）を用いてこれら粉末の結晶化開始温度Θ（単位：℃）と結晶化開始時間ｔＣ（単位：秒）の関係を調べた。結果を表２に示す。なお、ｔＣが６秒のデータはＤＴＡ（昇温速度＝１０℃／秒）により、６０秒のデータはＤＴＡ（昇温速度＝１℃／秒）により、その他のデータはＤＳＣにより求めた。
【００４９】
横軸をｔＣ、縦軸をΘとして得られたデータをプロットし、これらを滑らかな曲線で結んで例１〜３のそれぞれのガラスについてＴ．Ｔ．Ｔ線図を作成した。
【００５０】
【表２】
本発明者は、例１〜３のガラスをコアガラスとし、このコアガラスとそれぞれに対して適切に選ばれたクラッドガラスとを用いて周知の押出し成形法によってプリフォームを作製し、これをファイバ加工して光ファイバを作製する場合において、伝搬損失をもたらすような結晶析出が起こりにくいか起こりやすいかを次のようにして評価した。
【００５２】
すなわち、前記Ｔ．Ｔ．Ｔ線図から各線引き温度におけるｔＣを求めこれをｔＣ０とし、ｔＣ０が２４０秒以上の場合には前記結晶析出は起こりにくく、ｔＣ０が２４０秒より小さい場合には前記結晶析出は起こりやすい、と評価した。
例１、２、３のｔＣ０はそれぞれ１１０００秒、１６０秒、１１秒であった。すなわち、例１はファイバ加工時の結晶析出は起こりにくいと考えられるが、例２、３においてはファイバ加工時の結晶析出は起こりやすいと考えられる。
【００５３】
なお、前記評価において２４０秒を基準として用いたのは以下に述べる理由による。すなわち、本発明の光ファイバの最も典型的なコア径、クラッド径はそれぞれ４〜５μｍ、１２５μｍであるが、プリフォームをファイバ加工する場合のプリフォーム変形領域滞在時間は２４０秒であった。
【００５４】
ここで、プリフォーム変形領域とは直径１０ｍｍのプリフォームをファイバ加工する際に変形してネック状になっている領域のうちの、直径が９．５ｍｍから０．５ｍｍまで変化している領域であり、プリフォーム変形領域滞在時間とはプリフォーム変形領域長さをプリフォーム送り速度で除して得られる時間である。プリフォーム変形領域の代表的温度が線引き温度であり、この領域より下流においてはガラスの温度は線引き温度よりも顕著に低く新たな結晶析出は起こらないと考えられる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、ファイバ加工時の結晶析出が起こりにくい光増幅ガラスが得られ、このガラスをコアとする光ファイバ等の光導波路の伝搬損失の低減が可能になる。
Claims (4)
- 下記酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３ ４〜８０％、ＳｉＯ２ ４〜６０％、Ｉｎ２Ｏ３ ０．１〜２０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｌａ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３ ０．１〜１５％、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３ ０．０５〜５％、Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３ ０〜４５モル％、Ｂ２Ｏ３ ０〜５％、ＣｅＯ２ ０〜２％、から本質的になる光増幅ガラス。
- Ｂｉ２Ｏ３が２９〜５０％、ＳｉＯ２が２４〜４０％、Ｉｎ２Ｏ３が１〜１０％、Ｌａ２Ｏ３が０．５〜１０％、Ｙ２Ｏ３＋Ｇｄ２Ｏ３＋Ｙｂ２Ｏ３が０〜３％、Ｅｒ２Ｏ３＋Ｔｍ２Ｏ３が０．１〜１％、Ａｌ２Ｏ３が１〜５％、Ｇａ２Ｏ３が９〜２０％、ＣｅＯ２が０〜０．５％、である請求項１に記載の光増幅ガラス。
- 請求項１または２に記載の光増幅ガラスであって、Ｔｍ２Ｏ３を含有しない光増幅ガラス。
- 請求項１、２または３に記載の光増幅ガラスをコアとする光導波路。
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