JP2007537118A - 光増幅器ファイバ用ガラス - Google Patents

Abstract

光信号のブロードバンド増幅のためのファイバ増幅器の用途に適したゲルマニウム酸塩ガラス組成物を提供する。ガラスは、好ましくは、３５−７５％のＧｅＯ_２、０−４５％のＰｂＯ、５−２０％のＢａＯ、５−２０％のＺｎＯ及び２−１０％のＲ_２Ｏ（Ｒ＝Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ）含む。ツリウムイオン(Ｔｍ^３＋)がドープされ、ホルミウムイオン（Ｈｏ^３＋）が共ドープされている。本発明のガラス組成物は以前のガラスに比べてはるかに大きな帯域幅を与える。また、既存のシリカ光ファイバとの相性も非常に優れている。
【選択図】図２

Description

本発明は、光ファイバに関し、特に光信号を増幅するためのファイバ増幅器の使用に適したガラス組成物に関する。

今日の電気通信ネットワークは一般に信号伝送のために光ファイバを用いる。光信号は光搬送波にのって長い距離を伝播し、長い脚のようなネットワーク構造とそこでの電力分割のために弱まった信号を増幅することが必要である。光増幅器は典型的には希土類イオンや蛍光を示す他の物質をドープした比較的短い増幅器ファイバを備えている。ポンプ源からの光は希土類イオンの電子を暫定的な励起段階に持ち上げ、入力信号の光がこの励起された準位からの自然放出を誘導する。この放出された光は入力信号と同じ特性(波長、偏波及び伝播の方向の)を持ち、この光放出は結果として入力信号の利得を増大させることになる。

主としてインターネットの莫大な伸びによって、帯域幅増大への要求が光増幅器の急速な展開に駆り立てている。従来の（Ｃ）バンドにとって、エルビウムがドープされたファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を使用することが良く知られている。ＥＤＦＡは完璧に研究されてきている。しかしながら、波長分割多重化（ＷＤＭ）光通信システムにおける帯域幅に対して増大しつつある要求は、Ｃ−帯域の外に伝送帯域を広げていく方向に向かってきている。Ｃ−帯域よりも下には、いわゆるＳ−バンド(１４６０−１５２０ｎｍ)が存在し、これに対しては比較的最近のツリウムがドープされたファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）が適している。また新ＥＤＦＡも存在し、これは最高記録として出力パワーが２５ｄＢｍで動作しており、Ｌ−バンド（１５７０−１６１０ｎｍ）にわたって０．８ｄＢ未満の利得平坦性を持つものである。

ＥＤＦＡもＴＤＦＡも、通常、約９０ｎｍの帯域幅を示す希土類イオンをドープしたファイバを用いている。非特許文献１では、例えば、Ｅｒ^３＋とＴｍ^３＋とが共にドープされたシリカファイバで帯域幅が１４６０−１５５０ｎｍを持つことが記されている。考えられる全てのガラス組成で示される光増幅器帯域幅の最大値は１１０−１３０ｎｍの範囲にある（非特許文献２、特許文献１）。真のブロードバンド増幅を達成するためには、この帯域幅は十分ではない。希土類でドープしたファイバに基づく光増幅器の帯域幅を改良する道を見つけることが強く期待されている。

更に、フッ化物、テルル化物及びカルコゲン化物ガラスに基づくファイバ等、従来のファイバのタイプに関わる問題は、それらの機械的な特性が劣ることである。そのようなファイバは電気通信に用いられている従来のシリカファイバとの整合性が時として悪い。

したがって、従来の電気通信システムの光増幅器ファイバは決して満足できるものではなく、光信号のブロードバンド増幅を可能とするためのガラス組成物の改良へ向けてかなりのニーズが存在する。
Ｈ．ジェオン（Ｊｅｏｎ）等、"Ｅｒ３＋及びＴｍ３＋を共ドープしたシリカファイバからのブロードバンド増幅された自然放出（Broadband amplified spontaneous emission from an Er３＋ Tm３＋ codoped silica fiber）"、オプティクス・レター（Optics Letters）、２８巻、３号、２００３年２月 インフォーメーション・ゲートキーパー社（Information Gatekeepers Inc.）、市場報告(概論)（Market Report（overview））、"光増幅器：技術とシステム（Optical Amplifiers: Technology and Systems）"、１９９９年４月、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｉｇｉｇｒｏｕｐ．ｃｏｍ／ｓｔ／ｐａｇｅｓ／ｏｐｔｉｃａｌａｍｐ．ｈｔｍｌで入手可能。 米国特許第６，５８９，８９５号、コーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）社

本発明の一般的な目的は、改良された光増幅器ファイバを提供することである。具体的な目的としては希土類イオンをドープした光増幅器ファイバの帯域幅を改良することである。他の目的は従来の電気通信システムと共に容易に実用できるブロードバンド光増幅器ファイバを実現することである。このような目的は添付した請求項に従って達成される。

簡単には、ブロードバンド光増幅器ファイバに適した新しいゲルマニウム酸塩（ＧｅＯ_２）ガラス組成物を提供するものである。ガラスはツリウム（Ｔｍ^３＋）がドープされ、ホルミウム（Ｈｏ^３＋）が共ドープされる。ガラスは、金属酸化物ＢａＯ、ＺｎＯ及びＲ_２Ｏ（Ｒ＝Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ）と共に少なくとも３５モル％のＧｅＯ_２を含む。好適には、４５モル%までのＰｂＯも含まれる。好適なる実施形態では、５０ＧｅＯ_２−２５ＰｂＯ−１０ＢａＯ−１０ＺｎＯ−５Ｋ_２Ｏからなるガラスを用いる。本発明のガラス組成物は、従来のガラスに比べて帯域幅がかなり拡大された結果をもたらす。約３１０ｎｍの帯域幅が達成され、新型のブロードバンド光増幅器として、Ｓ^＋＋、Ｓ^＋、Ｓ、Ｃ、Ｌ及びＬ^＋バンドにて同時に動作することを可能とする。他の優位性として、本発明のゲルマニウム酸塩ガラスはシリカガラスと同様な特性を持ち、そのことがこのファイバを従来の通信システムにおける信号伝送に用いられているシリカ光ファイバと非常に相性をよくしている。

本発明の他の側面によれば、光増幅器ファイバ、光増幅器及びレーザデバイスが提供される。

本発明及びその更なる目的とその効果は、以下の記述と添付する図面を参照することによって最もよく理解される。

図１は典型的なファイバ光ケーブルの基本構造を示す。コア１２とクラッド１４とを備える光ファイバ１０が示されている。コア１２は、それを通じて光が伝播する透明なガラス材料である。コアは、他のガラスシートすなわちクラッド１４で囲まれている。クラッドは、一般にコアよりも小さな屈折率を持っている。クラッドは光をコアの中に反射させる鏡のように働く。光はこのように内部反射によって光ファイバ１０に沿って伝送される。光ファイバ１０の外側は絶縁材料からなる保護被覆１６でカバーされている。

光ファイバが増幅の目的で使用される場合には、コアガラスは一般的には蛍光を発することが出来る物質、例えば希土類イオンでドープされる。ポンピング源からの光は希土類イオンの電子を暫定的な励起段階に持ち上げ、入力信号の光がこの励起された準位からの自然放出を誘導する。この放出された光は入力信号と同じ特性(波長、偏波及び伝播の方向)を持ち、この光放出は結果として入力信号の利得を増大させることになる。

背景技術にて言及したように、光増幅器ファイバ用のガラスに関する問題は、効率の高い、広いブロードバンド光放出を示す帯域幅が狭すぎることに関係する。Ｓ^＋＋、Ｓ^＋、Ｓ、Ｃ、Ｌ及びＬ^＋帯域にて同時に増幅が可能なガラスが大変望ましい。しかしながら、先行技術において提供された光増幅器の最良のものでも帯域幅は約１１０−１３０ｎｍである（非特許文献２、特許文献１）。我々の知る限り、１３０ｎｍがガラス組成物に関わらず、今までに知られた最大値である。

本発明は、従来のガラスと比較して、圧倒的に優れた増幅特性及びかなり増大した帯域幅を与えることを示す新しいガラス組成物を提案するものである。これは、金属酸化物の好適な組み合わせを備えるゲルマニウム酸塩ガラスを用いることによって達成される。より具体的には、本発明のガラス組成物は、少なくとも３５モル％のＧｅＯ_２、０−４５モル％のＰｂＯ、並びに、適当量の金属酸化物ＢａＯ、ＺｎＯ及びＲ_２Ｏ（Ｒ＝Ｎａ、Ｌｉ、Ｋ）を含む。ガラスは希土類イオンであるツリウム（Ｔｍ^３＋）とホルミウム（Ｈｏ^３＋）がドープされている。

本発明によって達成された新しいタイプのブロードバンド光放出を図２に示す。この図は提案されたＴｍ^３＋／Ｈｏ^３＋を共ドープしたゲルマニウム酸塩ガラスに対するスペクトルを示す。波長４８８ｎｍ、３００Ｋでポンピングされて、ブロードバンド発光が１３９０ｎｍから１７００ｎｍにわたって半値幅で３１０ｎｍにわたって観測される。このことは本発明のゲルマニウム酸塩ガラスはＳ^＋＋、Ｓ^＋、Ｓ、Ｃ、Ｌ及びＬ^＋バンドにて同時増幅のために用いられることがでできることを示している。

先行技術における最大の帯域幅は約１３０ｎｍであることを想起すると、図２は提案されるガラス組成物は同じスペクトル範囲で３１０ｎｍの帯域幅を与えることを示している。このように、本発明は２倍以上の帯域幅をもたらすことになるが、これはなんと約１４０%もの増加である。本発明で得られたブロードバンドに増幅した自然放出は３１０ｎｍまでの帯域幅領域で動作する新しいタイプのブロードバンド増幅器を作製可能とする。

本発明による好適なガラスはこのように３１０ｎｍという増幅波長帯域を提供するものであり、どのような場合でも２５０ｎｍ又はそれ以上の帯域幅が本発明によって容易に得られる。

提案されたゲルマニウム酸塩ガラスの大きな帯域幅はホスト組成の分光学的に有利な特性によるものである。ホスト組成は不均一なネットワークを形成し、そこにドーパントイオン（Ｔｍ^３＋及びＨｏ^３＋）が包まれる。各イオンは周りの環境によって異なった応答を示し、このことが光放出帯域の拡大をもたらすことになる。全帯域幅は存在する全てのドーパントイオンの光放出の全体の和である。本発明のガラスはＴｍ^３＋とＨｏ^３＋イオンに対して優れた環境を提示し、その結果、以前に知られたガラスに比べて変移振幅の改善すなわち帯域幅の改良となる。

本発明の主たる利点は、提案された新しいガラスファイバがシリカファイバと同じ関連特性を持つということにある。ゲルマニウム酸塩ガラスをベースにしたファイバを用いることによって、機械的な特性が従来のシリカファイバのそれに似ているという意味で、フッ化物、テルル化物及び他の重金属酸化物のガラスのそれよりもはるかに優れる。それ故、本発明によるファイバは既存のシリカファイバとの相性が優れている。

新規ガラスの他の利点は、失透に対する高い熱安定性と大きな粘性を与えることである。このようなパラメータは光ファイバを製作する線引き工程において大変重要である。

表１は、本発明による好適なゲルマニウム酸塩ガラスのモル％の概略値を示す。ガラスは他のモル％値を示すものであっても良く、例えば、(７５−Ｘ)ＧｅＯ_２−（Ｘ）ＰｂＯ−１０ＢａＯ−１０ＺｎＯ−５Ｋ_２Ｏ−０．２Ｔｍ^３＋−０．２Ｈｏ^３＋のようなガラスでも良い。ここで、Ｘは０と４０の間の値である。表２は本発明によるゲルマニウム酸塩ガラス成分の好適なるモル％領域を示す。

上記の表に示されるように、提案されるガラスはＫ_２Ｏを含むのが好適であるが、１つ以上の他のアルカリ金属の酸化物、より具体的にはＲ＝Ｎａ、Ｌｉ及び／又はＫであるＲ_２Ｏも用いてもよい。

先行技術の中で、Ｔｍ^３＋をホストとするゲルマニウム酸塩ガラスが用いられたことに言及しておくべきだろう。１例は、１４６０−１５３０ｎｍの波長帯域において動作する、ＧｅＯ_２及びＧａ_２Ｏ_３を含む文献３のガラスファイバである。

本発明による光増幅器ファイバは、図１を参照して上述した基本構造を持つのが有利である。換言すれば、図１は本発明による光ファイバの典型的な実施形態の概略的な断面図を示す。光ファイバ１０はコア１２、クラッド１４、及び、好ましくは保護被覆１６を備えている。コアガラスは上記したゲルマニウム酸塩ガラスのホスト、好ましくは、(３５−７５)ＧｅＯ_２−(０−４５)ＰｂＯ−（５−２０）ＢａＯ−（５−２０）ＺｎＯ−（２−１０）Ｒ_２Ｏを含み、第１ランタン酸化物（Ｔｍ_２Ｏ_３）がドープされ、第２ランタン酸化物(Ｈｏ_２Ｏ_３)が共ドープされている。

膨張係数の重大な不整を避けるために、コアとクラッドのガラス組成がほぼ同じであることが重要である。例えば、光ファイバ１０のコア１２とクラッド１４とに対するベースとして同じゲルマニウム酸塩ガラス組成を用いることが出来る。コアガラスは、その後、ドープされ、屈折率制御のために用いられる物質をより多く含むように改質される。

注意すべきことは、図１の光ファイバ構造は簡単化されていることである。本発明による他の光ファイバは、非対称組成、傾斜屈折率コア、２つ以上のクラッド等、より複雑な構造をしていても良い。

図３は、本発明による光増幅器の典型的な実施形態を示す概略的なブロック図である。図示された光増幅器２０は信号処理手段２２、結合器２４、ポンプ光源２６及び光増幅器ファイバ２８を備える。増幅を必要とする弱い光信号が増幅器２０に入力される。入力信号はまず任意の光信号処理手段２２aを通過する。ここでは信号は適切な方法で変形される。増幅器ファイバ２８は両端でポンプレーザ又は同様のポンプ光源２６a及び２６ｂ(λ_exc＝４８８ｎｍまたは８００ｎｍ)でポンピングされる。結合器２４aと２４ｂはポンプ光源によって供給される励起光と信号光とを結合する。増幅器ファイバ２８の中では、励起光で希土類イオン(Ｔｍ^３＋、Ｈｏ^３＋)が暫定的な励起状態に達するように励起される。電子が減衰するときに、入力信号と同じ特性を持つ光が放出されて、このようにして光信号の利得が増大する。最後に、増幅された信号は更に任意の光信号処理手段２２ｂの中で変形される。比較的強い光信号が増幅器から出力される。

光増幅器２０の光増幅器ファイバ２８は、希土類イオンがドープされたゲルマニウム酸塩ガラスのコアを備えている。コアは(そして恐らくクラッドも)本発明のゲルマニウム酸塩ガラスのホスト、例えば、(３５−７５)ＧｅＯ_２−(０−４５)ＰｂＯ−（５−２０）ＢａＯ−（５−２０）ＺｎＯ−（２−１０）Ｒ_２Ｏを含んでいる。コアはＴｍ^３＋及びＨｏ^３＋（０．０１−２．５％）がドープされている。

信号処理手段２２はアイソレータを備えているのが好適である。アイソレータの目的は不要な反射を予防し、増幅器の発振を抑えるためである。信号処理手段２２は変調、フィルタリング、偏光、吸収、減衰その他のための更なる機器をも含んでもよい。

図３による光増幅器は、当業者には明らかな各種の変形を受けることは当然である。２つのポンプ光源が一般的にはより良い増幅器効率を与えるが、例えば、単一のポンプ光源（及び単一の結合器）を用いることも可能である。光信号処理手段ユニットの数と位置が変化することもあるであろうし、フィルタ等が内蔵されていても外付けになっていても構わない。光増幅器のなかに２つ以上の増幅器ファイバがさらにあってもよい。増幅器ファイバのほかに、光増幅器の中に、通常いくつかのドープされていない「通常の」光ファイバが存在し、光増幅器の要素間の結合している。

また、本発明の光増幅器はまた、ＥＤＦＡネットワークにおける側帯波増幅のための相補型増幅器として用いられてもよい。この場合、側帯波帯域に対応するスペクトル範囲の利得は５０％改善される。これは光増幅器ガラスファイバにとって新規で非常に有利な応用分野である。

上述の光増幅器ガラスはまた、(活性媒質がガラスロッドである)固体状態のレーザ、活性導波路、赤外センサ等他の光デバイスに用いることもできる。図４は本発明によるファイバレーザデバイスの典型的な実施形態を示す概略的ブロック図である。それぞれのレーザデバイス要素は、対応する増幅器要素（図３）と同じ参照番号に１０を加えて示されている。レーザデバイスと光増幅器との間の主要な相違点は、レーザデバイスは信号光入力を受け入れることはなく、代わりに信号発生のためのフィードバック手段を持っていることである。図４のレーザデバイス３０は、したがって、光増幅器ファイバ３８の対向する両端に２つの反射器３５を備えている。ポンプ光源３６からの励起光は、光増幅器の場合と同様に、増幅器ファイバ３８の中でフォトンの放出を起す。第１の反射器３５aは好ましくは高反射鏡、理想的には全ての光を反射するものであり、一方、第２の反射器３５ｂは部分的に透過する鏡である。第２の反射器を通過した相対的に小さな割合の光がレーザデバイス３０からのレーザビーム出力である。レーザデバイスの任意選択の信号処理手段３２は、変調、フィルタリング、偏波、ｑ−スイッチング、吸収等のための内蔵又は外付けのデバイスを含んでもよい。

本発明によるレーザデバイスの他の実施形態(不図示)では、フィードバックは、出力信号の一部が基本的には結合器３４aに帰還されるリング型ファイバ構造によって代わって達成される。

本発明は、具体的な実施形態によって示されているが、当業者にとって明らかな修正、変形とともに、開示された特徴の均等物をも含むことが強調されるべきである。このように、本発明の技術範囲は開示された請求項のみによって限定される。

本発明による光増幅器ファイバの典型的な実施形態の概略的断面図である。 本発明による典型的な希土類でドープされたゲルマニウム酸塩ガラス組成物の発光スペクトルである。 本発明による光増幅器の典型的な実施形態を示す概略的なブロック図である。 本発明によるレーザデバイスの典型的な実施形態概略的ブロック図である。

Claims (19)

1. 光ファイバ増幅用ゲルマニウム酸塩ガラス組成物において、前記ガラス組成物に関係する増幅波長帯域を拡大するために、Ｔｍ^３＋及びＨｏ^３＋がドープされ、少なくとも３５モル％のＧｅＯ_２とＢａ、Ｚｎ及びＲ（ここで、Ｒは、Ｎａ、Ｌｉ及びＫの群から選択される）の酸化物とをさらに含む、ガラス組成物。
2. ４５モル％までのＰｂＯをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のガラス組成物。
3. 増幅波長帯域が少なくとも２５０ｎｍとなるようなガラス成分量であることを特徴とする請求項１に記載のガラス組成物。
4. ＲがＫであることを特徴とする請求項１に記載のガラス組成物。
5. モル％で、３５−７５％のＧｅＯ_２、０−４５％のＰｂＯ、５−２０％のＢａＯ、５−２０％のＺｎＯ及び２−１０％のＲ_２Ｏを含むことを特徴とする請求項２に記載のガラス組成物。
6. モル％で、約５０％のＧｅＯ_２、約２５％のＰｂＯ、約１０％のＢａＯ、約１０％のＺｎＯ及び約５％のＲ_２Ｏを含むことを特徴とする請求項５に記載のガラス組成物。
7. ０．０１−２．５モル％のＴｍ^３＋及び０．０１−２．５モル％のＨｏ^３＋を含むことを特徴とする請求項１に記載のガラス組成物。
8. 少なくとも１つのクラッド（１４）で囲まれたコア（１２）を備えた光増幅器ファイバ（１０）であって、前記光増幅器ファイバの増幅波長帯域を拡大するために、前記コアの少なくとも一部は、Ｔｍ^３＋及びＨｏ^３＋がドープされ、少なくとも３５モル％のＧｅＯ_２とＢａ、Ｚｎ及びＲ（ここで、Ｒは、Ｎａ、Ｌｉ及びＫの群から選択される）の酸化物とをさらに含むゲルマニウム酸塩ガラス組成物から形成されることを特徴とする光増幅器ファイバ。
9. 前記ガラス組成物が４５モル％までのＰｂＯをさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の増幅器ファイバ。
10. 前記増幅波長帯域が少なくとも２５０ｎｍとなるようなガラス成分量であることを特徴とする請求項８に記載の増幅器ファイバ。
11. ＲがＫであることを特徴とする請求項８に記載の増幅器ファイバ。
12. 前記ガラス組成物が、モル％で、３５−７５％のＧｅＯ_２、０−４５％のＰｂＯ、５−２０％のＢａＯ、５−２０％のＺｎＯ及び２−１０％のＲ_２Ｏを含むことを特徴とする請求項９に記載の増幅器ファイバ。
13. 前記ガラス組成物が、モル％で、約５０％のＧｅＯ_２、約２５％のＰｂＯ、約１０％のＢａＯ、約１０％のＺｎＯ及び約５％のＲ_２Ｏを含むことを特徴とする請求項１２に記載の増幅器ファイバ。
14. 前記ガラス組成物が、０．０１−２．５モル％のＴｍ^３＋及び０．０１−２．５モル％のＨｏ^３＋を含むことを特徴とする請求項８に記載の増幅器ファイバ。
15. 少なくとも１つのクラッドで囲まれたコアを備えた光増幅器ファイバ（２８）を含む光増幅器（２０）であって、前記光増幅器ファイバの増幅波長帯域を拡大するために、前記コアの少なくとも一部は、Ｔｍ^３＋及びＨｏ^３＋がドープされ、少なくとも３５モル％のＧｅＯ_２とＢａ、Ｚｎ及びＲ（ここで、Ｒは、Ｎａ、Ｌｉ及びＫの群から選択される）の酸化物とをさらに含むゲルマニウム酸塩ガラス組成物から形成されることを特徴とする光増幅器。
16. 前記ガラス組成物が、モル％で、３５−７５％のＧｅＯ_２、０−４５％のＰｂＯ、５−２０％のＢａＯ、５−２０％のＺｎＯ及び２−１０％のＲ_２Ｏを含むことを特徴とする請求項１５に記載の光増幅器。
17. 側波帯増幅のための相補型増幅器を形成することを特徴とする請求項１５に記載の光増幅器。
18. 光増幅器ファイバ（３８）を含むレーザデバイス（３０）であって、前記光増幅器ファイバの増幅波長帯域を拡大するために、前記光増幅器ファイバの少なくとも一部は、Ｔｍ^３＋及びＨｏ^３＋がドープされ、少なくとも３５モル％のＧｅＯ_２とＢａ、Ｚｎ及びＲ（ここで、Ｒは、Ｎａ、Ｌｉ及びＫの群から選択される）の酸化物とをさらに含むゲルマニウム酸塩ガラス組成物から形成されることを特徴とするレーザデバイス。
19. 前記ガラス組成物が、モル％で、３５−７５％ＧｅＯ_２、０−４５％のＰｂＯ、５−２０％のＢａＯ、５−２０％のＺｎＯ及び２−１０％のＲ_２Ｏを含むことを特徴とする請求項１８に記載のレーザデバイス。

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