JP2009276375A - 光ファイバ、結晶化光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伝送用光ファイバとの接続が容易で、光の透過率を低下させることもない光変調用部材を提供する。
【解決手段】コアとクラッドとを有し、かつ、コアを形成するガラス材料及びクラッドをガラス材料よりも低い温度好ましくは１０℃以上で結晶化するガラス材料からなる中間層が、コア外周面に接して形成されている光ファイバを加熱処理、放電加熱またはレーザー照射して中間層のみを結晶化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信や計測に使用される伝送用光ファイバ間に挿入して、光の強度を調整するために使用される結晶化光ファイバに関する。

通信分野や計測分野において、低損失で光の伝播が可能な石英ガラスをベースとした光ファイバが伝送用に用いられている。また、増幅用として、石英ガラスにＥｒを添加した光ファイバやビスマスガラスにＥｒを添加した光ファイバが用いられている。これらのガラスをベースとした光ファイバの特徴は、自由に曲げたりすることが可能で、取り回しが容易なことなどが挙げられる。また、ファイバ同士を融着接続することができ、簡便でありながらも、低損失で、高強度の接続状態が得られる。

一方、光の伝播を制御するために、ＬｉＮｂＯ_３結晶（ＬＮ結晶）などの２次非線形光学結晶が用いられる。２次非線形光学結晶に電界を印加することにより、電界に比例した屈折率変化が可能であり、例えば、ＬＮ結晶も用いたマッハツェンダ型変調器では、４０Ｇｂ／ｓの高速な変調が可能となる。この変調器を光通信システムで使用する場合、伝送用光ファイバと接続する必要がある。しかし、異種材料であるＬＮ結晶からなる変調器と、ガラスからなる伝送用光ファイバとを接続するのは容易ではない。

そこで、レーザー光を吸収して発熱するＳｍを含有するガラス基板に、レーザー光を照射し、照射部分に２次非線形性を有する光学結晶を析出させて光導波路を形成した光学部材が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、光導波路が酸化サマリウムを含有するため、光の透過率が低下するという問題がある。また、ガラス同士の接続ではあるものの、依然として構造が異なるために接続が容易ではないという問題がある。

特開２００３−９８５６３号公報

そこで本発明は、伝送用光ファイバとの接続が容易で、光の透過率を低下させることもない光変調用部材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は下記を提供する。
（１）コアとクラッドとを有し、かつ、コアを形成するガラス材料及びクラッドを形成するガラス材料よりも低い温度で結晶化するガラス材料からなる中間層が、コア外周面に接して形成されていることを特徴とする光ファイバ。
（２）中間層を形成するガラス材料の結晶化温度が、コアを形成するガラス材料及びクラッドを形成するガラス材料の両結晶化温度よりも１０℃以上低いことを特徴とする上記（１）記載の光ファイバ。
（３）中間層を形成するガラス材料が、レーザー光を吸収して熱に変化させる熱源物質としてＮｉ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｍから選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする上記（１）または（２）記載の光ファイバ。
（４）コアとクラッドとを有し、更に、結晶化したガラスからなる中間層がコア外周面に接して形成されていることを特徴とする結晶化光ファイバ。
（５）結晶化したガラスが２次光非線形性を有することを特徴とする上記（４）記載の結晶化光ファイバ。
（６）上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の光ファイバを、熱処理、放電加熱またはレーザー光照射して中間層を形成するガラス材料のみを結晶化させることを特徴とする結晶化光ファイバの製造方法。

本発明によれば、伝送用光ファイバとの接続が容易で、光の透過率を低下させることもない光変調用部材が得られる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光ファイバの断面を示す模式図である。図示されるように、コア１と、クラッド３と、コア１の外周面に接して形成される中間層２とを基本構造とするが、例えばクラッド３を複数層で形成するなどの変更か可能である。また、コア１、中間層２及びクラッド３の各断面形状も、（ａ）に示すように同心円状であってよく、（ｂ）に示すように中間層２が楕円であってもよく、更に（ｃ）に示すようにコア１と中間層２とが矩形であってもよい。更には、図示は省略するが、それぞれ多角形であってもよい。

コア１、中間層２及びクラッド３は、何れもガラス材料からなるが、中間層２を形成するガラス材料は、コア１を形成するガラス材料及びクラッド３をガラス材料よりも低い温度で結晶化する。具体的には、中間層２を形成するガラス材料の結晶化温度が、コア１を形成するガラス材料の結晶化温度及びクラッド３を形成するガラス材料の結晶化温度よりも１０℃以上低いことが好ましく、１５℃以上低いことがより好ましい。中間層２を形成するガラス材料の結晶化温度が、コア１を形成するガラス材料及びクラッド３を形成するガラス材料の両結晶化温度より１０℃以上低いことにより、後述する処理により、コア１及びクラッド３をガラスの状態に保ったまま、選択的に中間層２のみを確実に結晶化することが可能になる。

尚、本発明でいう「結晶化温度」とは、ＤＴＡ曲線において、結晶化による発熱が観測され始める温度であって、昇温速度１０℃/分で加熱しながら得られるＤＴＡ曲線において、ガラス転移温度以上の温度域において現れるプラトー（平坦）部と、結晶化による発熱が確認された温度以上の曲線部における初めの変曲点とを結ぶ接線の交点として定義される温度である。参考のために、図４に典型的なガラスのＤＴＡ曲線を示す。

コア１、中間層２及びクラッド３を形成する各ガラス材料は、上記の温度関係を満足する限り組成上の制限はないが、コア１を形成するガラス材料は透光性に優れることが好ましく、クラッド３を形成する材料は実用的なファイバ強度を確保できることが好ましい。
また、中間層２はレーザー光を吸収して熱に変化させる熱源物質としてＮｉ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｍから選ばれる少なくとも１種を含有することが好ましい。後述するように、中間層２を形成するガラス材料の結晶化のためにレーザー光照射も採択できるため、これら熱源物質を含有させることにより、レーザー光を照射して中間層２のみを選択的に結晶化させることができるようになる。従って、これら熱減物質の含有量は、レーザー光の照射により、中間層２を形成するガラス材料を結晶化する温度まで昇温する量であり、熱源物質の種類、中間層２を形成するガラス材料、レーザー光の照射条件などを考慮して決められる。

中間層２を形成する結晶化ガラスは、２次光非線形性を有することが好ましい。２次光非線形結晶としては、Ｂａ_２Ｔｉ_２Ｏ_８、Ｂａ_２ＴｉＧｅ_２Ｏ_８、Ｂａ_２ＴｉＳｉ_２Ｏ_８、ＢｉＢＯ_３、ＢａＢ_２Ｏ_４、（Ｓｒ、Ｂａ）Ｎｂ_２Ｏ_６、ＬａＢＧｅＯ_５、Ｎｄ_２（ＭｏＯ_４）_３、Ｓｍ_２（ＭｏＯ_４）_３、Ｇｄ_２（ＭｏＯ_４）_３、ＬｉＢＧｅＯ_４、ＢａＴｉＯ_３、ＬｉＮｂＯ、ＫＮｂＯ_３またはこれらの固溶体からなる結晶群の少なくとも１種からなることが好ましい。従って、中間層２を形成するガラス材料は、Ｂａ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｂ、Ｎｄ、Ｓｒ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｇｄ、Ｋ、並びに上記の熱源物質を含むことが好ましい。

本発明の光ファイバを製造するには、通常の光ファイバを製造する場合に準じることができ、コア１を形成するガラス材料からなる棒状体の外側に、順に中間層２を形成するガラス材料、クラッド３を形成する材料を同軸状に押し出して一体化し、それを所定径になるように線引きすればよい。

また、結晶化光ファイバを製造するには、上記の光ファイバを熱処理、放電加熱もしくはレーザー光を照射して中間層２を形成するガラス材料のみを結晶化させる。何れの結晶化方法でも、中間層２を形成するガラス材料が結晶化する温度になるように処理条件を調整する。中間層２として析出した結晶が２次光非線形性を有することにより、電気光学効果を利用したデバイス、例えば干渉型のスイッチや可変光減衰器として利用できる。しかも、光伝送用の光ファイバと同様にコア１とクラッド３とを有し、形状も同形であることから、光伝送用の光ファイバとの接続も容易となる。

尚、電気光学効果は、２次光非線形結晶に電界を印加することにより、その電界に比例して屈折率が変化する現象である。

光ファイバのコアを伝搬する光の分布は、コアとクラッドの屈折率によって決まる。コア、もしくはクラッドの屈折率を変化させることにより、伝搬する光の分布を変化させることが可能となる。一方で、光ファイバは、表面の欠陥により著しく強度が低下する。そのため、本発明においてもコア１に結晶が析出すると伝播する光が散乱して透過光強度の低下を招くおそれがあり、クラッド３に結晶が析出するとファイバ強度が著しく低下するおそれがある。

以下、実施例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

下記のガラス材料を用い、図１（ａ）に示す断面構造の光ファイバを作製した。
・コア１：モル％表示組成がＢａＯ ３０．２、ＴｉＯ_２ １０．１、ＣｅＯ_２ ０．２、Ｎｂ_２Ｏ_５ ２．５、ＧｅＯ_２ ３０．２、ＳｉＯ_２ ２２．２、Ｌａ_２Ｏ_３ ３．０、Ｂｉ_２Ｏ_３ １．６。
・中間層２：モル％表示組成がＢａＯ ２９．７、ＴｉＯ_２ １４．９、ＧｅＯ_２ ２９．７、ＳｉＯ_２ ２４．８、ＣｕＯ １．０。
・クラッド３：モル％表示組成がＢａＯ ３０．０、ＴｉＯ_２ １５．０、ＧｅＯ_２ ３０．０、ＳｉＯ_２ ２５．０。
結晶化温度は、株式会社リガク社製示差熱分析装置「ＴＧ−８２１０」を用い、昇温速度１０度／分で加熱しながら得られるＤＴＡ曲線において、ガラス転移温度以上の温度域において現れるプラトー（平坦）部と、結晶化による発熱が確認された温度以上の曲線部における初めの変曲点とを結ぶ接線の交点として求めた。その結果、コア１を形成するガラス材料の結晶化温度が８３０℃、中間層２を形成するガラス材料の結晶化開始温度が７８９℃、クラッド３を形成するガラス材料の結晶化温度が８０７℃であり、中間層２を形成するガラス材料の結晶化温度は、コア１を形成するガラス材料の結晶化温度より４１℃低く、クラッド３を形成するガラス材料の結晶化温度より１８℃低かった。

そして、上記の各ガラス材料を用いて線引きし、コア１の直径が６．５μｍ、中間層２の外径が２４．５μｍ、クラッド３の外径が１２５μｍの光ファイバを作製した。

この光ファイバを切断し、加熱炉に入れて、７４９℃で１時間加熱した。放冷後、断面を透過型偏光顕微鏡で観察したところ、図２に示すように、中間層２のみに結晶が確認され、コア１及びクラッド３には結晶が確認されなかった。また、ラマンスペクトルから、中間層２の結晶は、Ｂａ_２ＴｉＧｅ_２Ｏ_８とＢａ_２ＴｉＳｉ_２Ｏ_８との固溶体であることが確認された。

また、上記光ファイバをヒーターを用いて下部より加熱しながら、赤外レーザーを１０分間照射した。試料温度は７００℃で、焦点距離５００ｍｍの片凸レンズを用いてレーザー光を緩やかに集光した。図３に示すように中間層２に結晶の析出が確認された。コア1およびクラッド３には結晶が確認できなかった。

本発明の光ファイバまたは結晶化光ファイバの断面を示す模式図である。 実施例で作製した結晶化光ファイバの断面を撮影した顕微鏡写真である。 実施例で作製した結晶化光フィイバに、加熱しながら赤外レーザを照射した後の断面を撮影した顕微鏡写真である。 結晶化温度を説明するための図である。

符号の説明

１ コア
２ 中間層
３ クラッド

Claims (6)

1. コアとクラッドとを有し、かつ、コアを形成するガラス材料及びクラッドを形成するガラス材料よりも低い温度で結晶化するガラス材料からなる中間層が、コア外周面に接して形成されていることを特徴とする光ファイバ。
2. 中間層を形成するガラス材料の結晶化温度が、コアを形成するガラス材料及びクラッドを形成するガラス材料の両結晶化温度よりも１０℃以上低いことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
3. 中間層を形成するガラス材料が、レーザー光を吸収して熱に変化させる熱源物質としてＮｉ、Ｆｅ、Ｖ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｓｍから選ばれる少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバ。
4. コアとクラッドとを有し、更に、結晶化したガラスからなる中間層がコア外周面に接して形成されていることを特徴とする結晶化光ファイバ。
5. 結晶化したガラスが２次光非線形性を有することを特徴とする請求項４記載の結晶化光ファイバ。
6. 請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバを、熱処理、放電加熱またはレーザー光照射して中間層を形成するガラス材料のみを結晶化させることを特徴とする結晶化光ファイバの製造方法。