JP2009167048A - プリフォーム製造方法、希土類元素添加光ファイバおよび光ファイバ増幅器 - Google Patents

プリフォーム製造方法、希土類元素添加光ファイバおよび光ファイバ増幅器 Download PDF

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Abstract

【課題】希土類元素およびＰ元素が添加された光ファイバを製造するためのプリフォームを安定して効率よく製造することができるプリフォーム製造方法等を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るプリフォーム製造方法は、Ｐ２Ｏ５を含むガラスを石英パイプの内壁に堆積させる第１工程と、希土類元素を含みＰ２Ｏ５を含まないガラスを石英パイプの内壁に堆積させる第２工程と、を備え、第１工程と第２工程とを交互に繰り返し行って、コア部に希土類元素が添加されたプリフォームを製造することを特徴とする。本発明に係るプリフォーム製造方法は、希土類元素がＥｒ元素であるのが好適であり、石英パイプにＦ元素が添加されているのも好適である。また、第１工程では石英パイプを温度１５００℃以下で加熱し、第２工程では石英パイプを温度１８００℃以上で加熱するのが好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、コア部に希土類元素が添加された光ファイバ、このような希土類元素添加光ファイバを用いて光増幅を行う光ファイバ増幅器、および、このような希土類元素添加光ファイバを製造するのに好適なプリフォームを製造する方法に関するものである。
希土類元素添加光ファイバは、コア部に希土類元素（例えばＥｒ元素）が添加された光ファイバであって、光ファイバ増幅器における光増幅媒体として用いられる。一般に、光ファイバは、プリフォームの一端を加熱して線引することで製造される。また、このプリフォームを製造する方法は幾つかあるが、そのうちＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法では、石英パイプの内部に原料ガスを導入するとともに該石英パイプを加熱して、原料ガスから生成されたガラス微粒子を石英パイプの内壁に堆積させて多孔質ガラス層を形成し、Ｃｌガス等のハロゲンガス雰囲気下で多孔質ガラス層を更に加熱して脱水・焼結し透明ガラスとする。
希土類元素添加光ファイバを製造するためのプリフォームをＭＣＶＤ法により製造する際には、上記の堆積工程と脱水工程との間に、希土類元素の塩化物を含む溶液を多孔質ガラスに含浸させる含浸工程が設けられる（特許文献１〜３を参照）。このようにして製造されるプリフォームにおいて、ＭＣＶＤ法により堆積・含浸・脱水・焼結された部分がコア部となり、石英パイプがクラッド部となる。
一方、希土類元素を含む多孔質ガラス層を石英パイプの内壁に形成して、Ｃｌガス等のハロゲンガス雰囲気下で多孔質ガラス層を加熱して脱水・焼結し透明ガラスとする方法も知られている（特許文献４を参照）。
特開平５−３３０８４２号公報 特開平６−２９８５４２号公報 特開平７−０６９６６６号公報 特開平９−０２５１３５号公報
しかし、特許文献１〜３に開示されたプリフォーム製造方法では、堆積工程と脱水工程との間に設けられる含浸工程において含浸量を調整するために、多孔質ガラスの厚みに制約があり、それ故に、製造できるプリフォームサイズに制約があり、生産性が非常に低いという問題がある。
一方、特許文献４に開示されたプリフォーム製造方法では、希土類元素をガス状態で供給するので、生産性の点では問題がない。しかし、ガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス層を形成する堆積工程の際の加熱温度は、脱水工程の際の加熱温度より低いことが必要である。それ故、堆積工程の際に、希土類元素を含む有機系の原料ガスの酸化反応が十分に進まず、希土類元素が多孔質ガラス層に取り込まれない。
特に、希土類元素とともにＰ元素が添加された多孔質ガラス層を形成するには、堆積工程の際の加熱温度は更に低いことが必要である。それ故、この場合には、熱源が不安定になって、添加物濃度や堆積速度が変動する、このことから、長手方向に均一なプルフォームを製造することが困難である、という問題もある。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、希土類元素およびＰ元素が添加された光ファイバを製造するためのプリフォームを安定して効率よく製造することができるプリフォーム製造方法、このプリフォーム製造方法により製造され得る高濃度の希土類元素およびＰ元素が添加された希土類元素添加光ファイバ、ならびに、この希土類元素添加光ファイバを用いて広帯域の光増幅を行うことができる光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
本発明に係るプリフォーム製造方法は、Ｐ２Ｏ５を含むガラスを石英パイプの内壁に堆積させる第１工程と、希土類元素を含みＰ２Ｏ５を含まないガラスを石英パイプの内壁に堆積させる第２工程と、を備え、第１工程と第２工程とを交互に繰り返し行って、コア部に希土類元素が添加されたプリフォームを製造することを特徴とする。なお、第１工程において、Ｐ２Ｏ５を含むガラスを石英パイプの内壁に堆積させることを複数回繰返してもよい。また、第２工程において、希土類元素を含みＰ２Ｏ５を含まないガラスを石英パイプの内壁に堆積させることを複数回繰返してもよい。
本発明に係るプリフォーム製造方法は、希土類元素がＥｒ元素であるのが好適であり、石英パイプにＦ元素が添加されているのも好適である。また、第１工程において石英パイプを温度１５００℃以下で加熱し、第２工程において石英パイプを温度１８００℃以上で加熱するのが好適である。
本発明に係る希土類元素添加光ファイバは、Ｐ元素濃度が３wt％以上であり、Ａｌ元素濃度が０.３wt％以上であり、希土類元素濃度が５００wtppm以上であるコア部と、このコア部を取り囲みコア部の屈折率より低い屈折率を有するクラッド部と、を備えることを特徴とする。本発明に係る希土類元素添加光ファイバは、希土類元素がＥｒ元素であるのが好適であり、クラッド部にＦ元素が添加されているのも好適であり、また、波長範囲１５６０ｎｍ〜１６２５ｎｍを含む波長範囲において利得を有するのも好適である。
本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記の本発明に係る希土類元素添加光ファイバと、希土類元素添加光ファイバのコア部に添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を出力する励起光源と、励起光源から出力された励起光を希土類元素添加光ファイバに供給する光結合部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、希土類元素およびＰ元素が添加された光ファイバを製造するためのプリフォームを安定して効率よく製造することができるプリフォーム製造方法、このプリフォーム製造方法により製造され得る高濃度の希土類元素およびＰ元素が添加された希土類元素添加光ファイバ、ならびに、この希土類元素添加光ファイバを用いて広帯域の光増幅を行うことができる光ファイバ増幅器を提供することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、一般的なＭＣＶＤ法を説明する図である。ＭＣＶＤ法では、石英パイプ１１の一端から内部に原料ガスを導入するとともに、該石英パイプ１１をバーナ２１により加熱する。このとき、石英パイプ１１の一端から他端へ向けてバーナ２１を移動させる。石英パイプ１１にはＦ元素が添加されていてもよい。この加熱により原料ガスからガラス微粒子が生成され、そのガラス微粒子が石英パイプ１１の内壁に堆積されて多孔質ガラス層１２となる。バーナ２１の移動によって多孔質ガラス層１２が更に加熱されて脱水・焼結され透明ガラス１３とされる。石英パイプ１１の内部に導入される原料ガスには、例えば、ＳｉＣｌ４ガス、Ｅｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）３ガス、ＡｌＣｌ３ガス、ＰＯＣｌ３ガス、Ｈｅガス、Ｏ２ガスおよびＣｌ２ガスの何れかが必要に応じて含まれる。
図２は、実施例および比較例それぞれのプリフォーム製造方法の工程を示す図表である。比較例１，２では、第１〜１１回のスス付け（バーナ２１のトラバース）の全てにおいて、Ｅｒ元素，Ａｌ２Ｏ３およびＰ２Ｏ５を含むＳｉＯ２からなるガラス微粒子を石英パイプ１１の内壁に堆積させる工程（以下「ＥＡＰ工程」という。）を行った。実施例１では、第１，５，９回それぞれにおいて、Ｅｒ元素およびＡｌ２Ｏ３を含むＳｉＯ２からなるガラス微粒子を石英パイプ１１の内壁に堆積させる工程（以下「ＥＡ工程」という。）を行い、第２〜４，６〜８，１０，１１回それぞれにおいて、Ｐ２Ｏ５を含むＳｉＯ２からなるガラス微粒子を石英パイプ１１の内壁に堆積させる工程（以下「Ｐ工程」という。）を行った。また、実施例２では、第１，７，１３回それぞれにおいてＥＡ工程を行い、第２〜６，８〜１２，１４〜１６回それぞれにおいてＰ工程を行った。
なお、Ｐ工程は、Ｐ２Ｏ５を含むガラスを石英パイプの内壁に堆積させる第１工程に相当する。また、ＥＡ工程は、希土類元素を含みＰ２Ｏ５を含まないガラスを石英パイプの内壁に堆積させる第２工程に相当する。
実施例１，２および比較例１，２の各工程において、バーナ２１として酸水素バーナを用い、バーナ２１の移動速度を１２０mm/minとした。比較例１，２それぞれのプリフォーム製造方法におけるＥＡＰ工程の条件は図３に示されている。ＥＡＰ工程では、バーナ２１による石英パイプ１１の加熱温度は、比較例１では１５００℃であり、比較例２では１２００℃であった。実施例１，２それぞれのプリフォーム製造方法におけるＥＡ工程の条件は図４に示されている。実施例１，２におけるＥＡ工程では、バーナ２１による石英パイプ１１の加熱温度は１８００℃であった。また、実施例１，２それぞれのプリフォーム製造方法におけるＰ工程の条件は図５に示されている。実施例１，２におけるＰ工程では、バーナ２１による石英パイプ１１の加熱温度は１１００℃であった。
図６は、実施例および比較例それぞれのプリフォーム製造方法により製造されたプリフォームのコア部におけるＰ元素濃度，Ａｌ元素濃度およびＥｒ元素濃度を纏めた図表である。比較例１では、Ｐ元素濃度は４.５wt％であり、Ａｌ元素濃度は１.０wt％であり、Ｅｒ元素濃度は３０wtppmであった。比較例２では、Ｐ元素濃度は４.３wt％であり、Ａｌ元素濃度は１.１wt％であり、Ｅｒ元素濃度は１００wtppmであった。実施例１では、Ｐ元素濃度は３.０wt％であり、Ａｌ元素濃度は０.９wt％であり、Ｅｒ元素濃度は５００wtppmであった。また、実施例２では、Ｐ元素濃度は５.８wt％であり、Ａｌ元素濃度は０.９wt％であり、Ｅｒ元素濃度は２０００wtppmであった。
以上のように、比較例１，２では、Ｅｒ元素，Ａｌ元素およびＰ元素を同時に添加する工程を一括で行っても、Ｅｒ元素は高々１００wtppm程度しか添加できない。これに対して、実施例１，２のように、Ｅｒ元素添加する工程とＰ元素添加工程とを分けることで、Ｅｒ元素およびＰ元素を共添加した希土類元素添加ファイバ用のガラスプリフォームを製造できることが分かる。
また、実施例１，２では、Ｅｒ元素添加する工程とＰ元素添加工程とを交互に行うので、生産性を高めることができる。また、これらを高温で処理することができるので熱源が安定化され、添加物濃度や堆積速度の変動が抑制されて、長手方向に均一なプルフォームを容易に製造することができる。
図７は、本実施形態に係る光ファイバ増幅器３０の構成図である。この図に示される光ファイバ増幅器３０は、希土類元素添加光ファイバ３１、励起光源３２、光結合部３３および光アイソレータ３４を備える。
希土類元素添加光ファイバ３１はコア部とクラッド部とを備え、そのコア部は、Ｐ元素濃度が３wt％以上であり、Ａｌ元素濃度が０.３wt％以上であり、希土類元素濃度が５００wtppm以上である。クラッド部は、コア部を取り囲み、コア部の屈折率より低い屈折率を有する。この希土類元素添加光ファイバ３１は、上述したプリフォーム製造方法により製造されたプリフォームを線引することで得られる。コア部に添加される希土類元素はＥｒ元素であるのが好適であり、また、クラッド部にＦ元素が添加されているのも好適である。希土類元素添加光ファイバ３１は、波長範囲１５６０ｎｍ〜１６２５ｎｍを含む波長範囲において利得を有するのが好適である。
励起光源３２は、希土類元素添加光ファイバ３１のコア部に添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を出力する。光結合部３３は、励起光源３２から出力された励起光を希土類元素添加光ファイバ３１に供給するとともに、希土類元素添加光ファイバ３１から出力された信号光を入力して出射端１ｂへ出力する。光アイソレータ３４は、入射端１ａと希土類元素添加光ファイバ３１との間に設けられ、順方向に光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。
この光ファイバ増幅器３１では、励起光源３２から出力された励起光は、光結合部３３を経て、希土類元素添加光ファイバ３１に供給される。入射端１ａに入力された信号光は、光アイソレータ３４を経て希土類元素添加光ファイバ３１に入力され、この希土類元素添加光ファイバ３１において光増幅される。この光増幅された信号光は、光結合部３３を経て出射端１ｂから外部へ出力される。この光ファイバ増幅器３１は、広帯域で信号光を光増幅することができる。
一般的なＭＣＶＤ法を説明する図である。 実施例および比較例それぞれのプリフォーム製造方法の工程を示す図表である。 比較例１，２それぞれのプリフォーム製造方法におけるＥＡＰ工程の条件を示す図表である。 実施例１，２それぞれのプリフォーム製造方法におけるＥＡ工程の条件を示す図表である。 実施例１，２それぞれのプリフォーム製造方法におけるＰ工程の条件を示す図表である。 実施例および比較例それぞれのプリフォーム製造方法により製造されたプリフォームのコア部におけるＰ元素濃度，Ａｌ元素濃度およびＥｒ元素濃度を纏めた図表である。 本実施形態に係る光ファイバ増幅器１の構成図である。
符号の説明
１１…石英パイプ、１２…多孔質ガラス層、１３…透明ガラス層、２１…バーナ、３０…光ファイバ増幅器、３１…希土類元素添加光ファイバ、３２…励起光源、３３…光結合部、３４…光アイソレータ。

Claims (9)

  1. Ｐ２Ｏ５を含むガラスを石英パイプの内壁に堆積させる第１工程と、希土類元素を含みＰ２Ｏ５を含まないガラスを前記石英パイプの内壁に堆積させる第２工程と、を備え、
    前記第１工程と前記第２工程とを交互に繰り返し行って、コア部に希土類元素が添加されたプリフォームを製造する、
    ことを特徴とするプリフォーム製造方法。
  2. 前記希土類元素がＥｒ元素であることを特徴とする請求項１記載のプリフォーム製造方法。
  3. 前記石英パイプにＦ元素が添加されていることを特徴とする請求項１記載のプリフォーム製造方法。
  4. 前記第１工程において前記石英パイプを温度１５００℃以下で加熱し、
    前記第２工程において前記石英パイプを温度１８００℃以上で加熱する、
    ことを特徴とする請求項１記載のプリフォーム製造方法。
  5. Ｐ元素濃度が３wt％以上であり、Ａｌ元素濃度が０.３wt％以上であり、希土類元素濃度が５００wtppm以上であるコア部と、
    このコア部を取り囲みコア部の屈折率より低い屈折率を有するクラッド部と、
    を備えることを特徴とする希土類元素添加光ファイバ。
  6. 前記希土類元素がＥｒ元素であることを特徴とする請求項５記載の希土類元素添加光ファイバ。
  7. 前記クラッド部にＦ元素が添加されていることを特徴とする請求項５記載の希土類元素添加光ファイバ。
  8. 波長範囲１５６０ｎｍ〜１６２５ｎｍを含む波長範囲において利得を有することを特徴とする請求項５記載の希土類元素添加光ファイバ。
  9. 請求項５〜８の何れか１項に記載の希土類元素添加光ファイバと、
    前記希土類元素添加光ファイバのコア部に添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を出力する励起光源と、
    前記励起光源から出力された励起光を前記希土類元素添加光ファイバに供給する光結合部と、
    を備えることを特徴とする光ファイバ増幅器。
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