JP2014143287A - 希土類添加光ファイバ及びその製造方法 - Google Patents

希土類添加光ファイバ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】Yb添加光ファイバを、伝送損失が低く、高いフォトダークニング耐性又は低いPD損失増加量で且つ高い変換効率を有するものにする。
【解決手段】希土類元素及び少なくともPが添加されたコアと、コアの外周囲に設けられたクラッドを備えた石英ガラスの光ファイバにおいて、コアNAを、0.05以上0.25以下とし、コアに添加されている希土類元素の濃度を、2wt%以上10wt%以下とし、コアに添加されているPの濃度を、3wt%以上20wt%以下として、1000nmから1700nmの波長帯域で、コアの最小伝送損失を3dB/km以上100dB/km以下とする。
【選択図】図4

Description

本発明は、コアに希土類元素を添加した光ファイバ及びその製造方法に関し、特に高濃度P(リン)を添加したものに関する。
Er(エルビウム)、Yb(イッテルビウム)などの希土類元素を添加した光ファイバは、光通信信号の増幅器として幅広く利用されており、その技術の重要性が高まっている。特に、Ybを添加した希土類ファイバを用いたファイバレーザは、高い光変換効率や優れたビーム品質が得られることから、切断、溶接、マーキング等の加工産業分野に応用されている。
近年、こうした加工産業分野では、高出力で高品質なレーザが求められている。高出力化のためには、大強度のレーザ光をYb添加光ファイバに入力することが考えられる。しかしながら、単に大強度のレーザ光をYb添加光ファイバに入力しても、誘導ブリルアン散乱(SBS:Stimulated Brillouin Scattering)、誘導ラマン散乱(SRS:Stimulated Raman Scattering)などのファイバの非線形特性によるファイバ破壊、特に、フォトダークニング損失増加(photo-darkening loss;以下、PD損失増加という)により、レーザ出力が低下されてしまう。
Yb添加光ファイバから高品質レーザを得るためには、広い利得スペクトル、低い再吸収、レーザシステムの信頼性、特に高い光変換効率、低い伝送損失、高いフォトダークニング耐性等が要求される。ここで、伝送損失は、レーリ散乱、結晶欠陥、不純物、OH濃度などに影響される。カラーセンターのメカニズムに起因するフォトダークニング耐性は、添加元素の種類、添加元素の濃度及びコアの作製方法に影響される他、希土類イオンのクラスタ密度、結晶欠陥密度、酸素欠陥( Non-bridging Oxygen Hole Center:以下、NBOHCという)のエネルギー準位、石英ガラスのバンドギャップにも影響される。
カラーセンター形成のメカニズムに起因するフォトダークニングは、光ファイバレーザの発振出力を低下させる主な要因となっており、励起反転分布(又は、Ybイオンの励起濃度)の約2〜7乗に比例して起こることが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
一方、フォトダークニングは、添加される希土類イオン(Ybイオン、Erイオン、Tmイオンなど)のクラスタ化(clustering)が原因で起きることが一般に知られている。Ybイオンのクラスタ化は、ガラス中のYbイオンが十分に拡散(分離)できず、石英ガラスネットワーク構造(glass network structure)からNBOHC形成の要因となり、一般的にYb添加を高濃度化させると、顕著に現れる。
フォトダークニングの抑制方法は、従来技術に多く記載されている。例えば、非特許文献2には、Ybイオンのクラスタリングを抑制し、フォトダークニングを低減する方法として、Alを共添加する方法が開示され、Yb元素に対するAlのモル比の増大させることにより、フォトダークニングをある程度抑制することができる。コア開口数(NA)を上げずにAl濃度を増やす方法としては、FやB(ホウ素)などの石英ガラス屈折率を低減させる添加元素をコアに添加する方法が知られている(例えば、特許文献6参照)。
国際公開2007/049705号パンフレット 国際公開2008/133242号パンフレット 特開平11−314935号公報 特開平3−265537号公報 特開2009−224405号公報 特開2010−1193号公報 特開2010−533634号公報 特開2007−114335号公報 国際公開2010/016245号パンフレット 特開2009−536785号公報 米国特許第7006752号明細書 国際公開2010/097872号パンフレット 特開2010−228933号公報
J.Koponen.et al.,"Photodarkening Measurements in Large-Mode-Area Fibers",SPIE Photonics West 2007,2007,Vol.6453-50 T.Kitabayashi.et al.,"Population Inversion Factor Dependence of Photodarkening of Yb-doped Fibers and its Suppression by Highly Aluminum Doping",OFC2006,OThC5,2006 Peter D. Dragic.et al.,"Characterization of defect luminescence in Yb doped silica fibers: part I NBOHC", OPTICS EXPRESS,Vol. 16, 2008, p4688 S.Jetschke.et al., "Efficient Yb laser fibers with low photo-darkening by optimization of the core composition", OPTICS EXPRESS, Vol. 16, 2008, p15540 C.Randy Giles.et al.,"Modeling Erbium-Doped Fiber Amplifiers", Journal of lightwave technology,1991,Vol.9(no.2),p.271-283 Kazuo Arai.et al., "Evidence of pair generation of an E′center and a nonbridging oxygen-hole center in r-lay-irradiated fluorine-doped low-OH synthetic silica glasses", Physical Review B, 1992, Vol.45(no18), p45 D. J. Di Giovanni et al., "Structure and properties of silica containing aluminum and phosphorus near the AlPO4 join", J. of Non-Crystalline Solids 113, pp. 58-64, 1989 Guillaume G.et.al., Liang Dong, John D. Minelly, Johan Nilsson, and David N. Payne、"Fabrication and Characterization of Yb3+ : Er3+ Phosphosilicate Fibers for Lasers"、Journal of lightwave technology, Vol. 16,pp1990-2001, 1998
しかし、発明者の研究では、Yb高濃度化と共に、単にAl濃度の増加だけでは低い伝送損失及び高いフォトダークニング耐性は得られないことが分かっている。
非特許文献3並びに特許文献7及び10には、P(リン)を添加することにより、ガラスネットワークのNBOHCエネルギー準位をブルーシフト(blue shit)させ、フォトダークニングをある程度抑制可能であることが記載されている。しかしながら、P添加石英ガラスのファイバでは、伝送損失が300dB/km程度高くなり、高出力及び高信頼レーザを実現させるためには適切であると言えない(例えば、非特許文献4参照)。非特許文献7には、P添加濃度が0.5wt%以上になると結晶化又は相分離が起こることが記載されており、結晶化されると、石英ガラスと違う性質を持つ構造になってしまうために、光変換効率の低下、伝送損失の増加及びフォトダークニング耐性の低下を招く。
更に特許文献1、2、4及び9には、F添加希土類石英ガラスのフォトダークニング耐性に関する記載があり、Yb添加希土類石英ガラスのフォトダークニング特性はF添加と関係なく、主にAl濃度に支配される他、特にF添加希土類ファイバからフォトダークニング耐性の低下が確認された(例えば、特許文献3、5参照)。
また、特許文献8によると、Yb希土類添加石英ガラスに水素を添加することで、フォトダークニングを抑制することが知られているが、OH結合(Hydroxide Bonding)の光吸収によってポンプ光の損失が生じるためにレーザ変換効率が低下されてしまい、望ましくない。なお、非特許文献6には、OH濃度が高いほどE`欠陥形成が抑制される点が記載されている。E`欠陥形成が抑制されると、紫外線光の伝送には有利だが、本発明の利用波長領域である1μm帯域にはその効果は少ない。
特許文献11では、希土類添加の石英ガラスコアに、B、F、Ge(ゲルマニウム)などを添加することで、希土類イオンのクラスタ化を抑制する方法が提案されている。しかし、Yb添加石英ガラスに、単にGe、F又はBを添加しただけでは、狙いのコアNA、結晶性、Ybクラスタ密度などの制御が難しい。
特許文献12では、P添加の石英ガラススートを堆積後、YbClを液浸し、スートを焼結する液浸MCVD法が記載されているが、屈折率プロファイル、伝送損失の制御及びフォトダークニング耐性の制御に関する記載はない。なお、本発明者は、この製法でP添加濃度を5wt%以上にすることは難しく、100dB/km以下の低い伝送損失のファイバは得られなかった。
そのため、従来技術だけでは望ましい濃度の組合せを得ることは困難であり、低い伝送損失及び高いフォトダークニング耐性を持つファイバ製造を容易に実施できなかった。
ところで、近年になって変換効率が高い高出力レーザを実現させるためには、1wt%(重量百分率)以上、又は、915nm帯域において、Yb吸収係数が250dB/m以上の高いYb濃度が必要となり、Al又はAl/Pコア組成ではYbの高濃度化と共に、結晶化、又は、相分離が起こるため、新しいコア母材の製法が必要であった。
特許文献13には、液浸MCVD法により高濃度P添加法が記載されているが、液浸MCVD法ではコア母材の大口径化が困難であるため、量産化が難しい他、希土類元素をスート層に浸透させた後、更にPを添加する必要があり、大口径化、希土類元素の高濃度化、石英ガラスの高品質化が難しい。なお、非特許文献8には、P添加スート堆積による希土類元素の液浸法が記載されているが、P添加のスート堆積回数が限られるため、コア母材の大口径化は難しく、産業応用目的とする大量生産には適していない。
なお、シングルクラッドファイバから高い光変換効率を得る方法としては、希土類添加石英ガラスのコア中心にYb添加することが知られているが(例えば、非特許文献5参照)、一般的に、光変換効率を高くするには、光ファイバの伝送損失も低くしなければならない。シングルクラッドファイバの伝送損失の要因には、吸収損失(例えば、コアに含まれる不純物による吸収及び結晶欠陥による吸収)と散乱損失(例えば、レーリ散乱)がある。コアに含まれる不純物濃度は、石英ガラス自体に含まれる不純物やロッド・イン・チューブ工程において混入する不純物によることが大きいため、低減することが困難である。また、結晶性及び結晶欠陥は、コア組成及びコア製法によって異なるために、コア組成の組合せ、添加元素の濃度やコア製造条件を最適しなければいけない。
このように、Yb添加光ファイバを用いたファイバレーザでは、通信、加工産業への応用の観点から高い光変換効率及び高い信頼性が求められる。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、Yb添加石英ガラスの光ファイバを、伝送損失が低く、高いフォトダークニング耐性又は低いPD損失増加量で且つ高い変換効率を有するものにすることにある。
上記の目的を達成するために、この発明では、希土類元素を添加したPベース石英ガラスの光ファイバ及びその製造方法を確立した。
具体的には、第1の発明では、
希土類元素及び少なくともPが添加されたコアと、
上記コアの外周囲に設けられたクラッドとを備えた光ファイバを対象とする。
そして、
上記コアの最小伝送損失は、1000nmから1700nmの波長帯域において、
3dB/km以上100dB/km以下であり、
上記コアNAは、0.05以上0.25以下であり、
上記コアに添加されている希土類元素の濃度は、2wt%以上10wt%以下であり、
上記コアに添加されているPの濃度は、3wt%以上20wt%以下とする。
すなわち、従来より、Pを添加することにより、NBOHC準位がブルーシフトし、石英ガラスの紫外線耐性が強くなるため、NBOHC欠陥が形成し難くなるが、P添加濃度が0.5wt%以上とすると結晶化及び相分離が起こり、希土類イオンのクラスタリングの増大、ガラス欠陥の増加及び結晶性の低下を招き、低い伝送損失と共に、高いフォトダークニング耐性を持つ良質なコア母材は得られ難くなることが知られていた。しかし、上記の構成によると希土類元素のクラスタ密度が低く、且つ、結晶性がよくなるために、伝送損失が低減し、フォトダークニング耐性が向上する。
第2の発明では、第1の発明において、
上記コアには、Al、Ge、Cl、F及びBからなる群から選択された少なくとも1つ元素が更に添加される。
すなわち、Al添加は、希土類元素のクラスタ化の抑制及び屈折率を上昇させる効果がある。特に、気相MCVD法では、Pを単独添加すると、Yb吸着係数が低いことから、Ybの高濃度化が困難になるため、Al添加が望ましい。Ge添加は、ガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ損失を低減させる効果がある。Cl添加は、導入原料の分解を促進させ、希土類元素のクラスタ抑制及び結晶化を抑制する他、原料及び導入ガスに含有される水の脱水効果があり、OH吸収による伝送損失を低減させる。F添加により、屈折率の低減効果及びガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ散乱を低減させる効果がある他、ガラスのバンドギャップが高まるために、石英ガラスの紫外線耐性が高く、NBOHC欠陥が形成し難くなり、カラーセンター形成による可視光領域のPD損失が抑制される。また、B添加により、ガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ散乱を防ぐ効果がある他、ガラスのバンドギャップを低めるためにキャリアーのアップコンバージョンが起こりやすくなり、NBOHC欠陥形成が容易になるが、希土類添加ファイバのコアに直接ファイバグレーティング(fiber grating)形成が可能になる利点がある。上記の構成によると、Ybクラスタ密度が低く、且つ、結晶性がよく、結晶欠陥が少ないため、低い伝送損失及び高いフォトダークニング耐性を具現でき、高い信頼性及び高い光変換効率を要する光ファイバレーザ応用に適する。
第3の発明では、第2の発明において、
上記Al濃度は、0.1wt%以上2wt%以下であり、
上記Ge濃度は、0.05wt%以上1wt%以下であり、
上記Cl濃度は、0.001wt%以上0.5wt%以下であり、
上記F濃度は、0.01wt%以上2wt%以下であり
上記B濃度は、0.01wt%以上2wt%以下とする。
すなわち、Al濃度が0.1wt%未満であると、屈折率上昇効果が少ないことや、希土類元素のクラスタ化を進行させる傾向になり、2wt%を超えると結晶化を招く傾向となる。0.1wt%以上2wt%以下の範囲では、希土類元素のクラスタ化を抑制する効果がある。Ge添加は、ガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ損失を低減させる効果があるが、Ge添加濃度が0.05wt%未満であると上記効果が小さくなる傾向にあり、0.5wt%を超えるとNBOHC準位をレッドシフトさせ、NBOHC欠陥が形成しやすくなる傾向となる。Cl添加は、0.001wt%未満であると上記効果が小さくなる傾向にあり、0.5wt%を超えると、アップコンバージョン準位の形成及びガラスの結合エネルギーが低下し、NBOHC形成がしやすくなる傾向となる。Fの濃度は、0.1wt%未満であると、上記効果が小さくなる傾向となり、1wt%を超えると、屈折率プロファイル制御が困難になる傾向となる。Bの濃度が0.01wt%未満であると、上記効果が小さくなる傾向となり、2w%を超えると、NBOHC準位がレッドシフトされるため、紫外線耐性が低下する傾向となる。
第4の発明では、第1から第3のいずれか1つの発明において、
上記クラッドには、Al、Ge、Cl、P、F及びBの群から選択された少なくとも1つの元素が添加される。
上記の構成によると、コアに含まれる元素がクラッドへ拡散し、ファイバ特性を劣化することを抑制する他(バリアー役割)、コアとクラッド界面でのレーリ散乱を抑制し、伝送損失を低減させる効果がある。また、コアとクラッド界面でYb濃度が高くなると、石英ガラスだけではフォトダークニング耐性が極端に低下する傾向がある。
第5の発明では、第4の発明において、
上記Al濃度は、0.1wt%以上1wt%以下であり、
上記Ge濃度は、0.05wt%以上1wt%以下であり、
上記Cl濃度は、0.001wt%以上0.5wt%以下であり、
上記P濃度は、0.05wt%以上10wt%以下であり、
上記F濃度は、0.01wt%以上2wt%以下であり
上記B濃度は、0.01wt%以上2wt%以下とする。
すなわち、Al濃度が0.1wt%未満であると、効果が少なく、1wt%を超えるとクラッドの屈折率が高くなり、ファイバ特性が低下する傾向がある。Ge濃度が0.05wt%未満であると、効果が少なく、1wt%を超えると上記添加の効果が小さくなる傾向がある。Cl濃度が0.001wt%未満であると、上記した効果が小さくなる傾向にあり、0.5wt%を超えると、上記添加の効果が低下する傾向となる。F濃度が0.01wt%未満であると、上記添加の効果が小さく、2wt%を超えると屈折率制御が困難になる傾向となる。B濃度が0.01wt%未満であると、上記添加の効果が小さく、2wt%を超えると、上記添加の効果が小さくなる傾向がある。上記の構成によると、希土類添加の光ファイバは、コアとクラッドの界面でレーリ散乱が低く、且つ、フォトダークニング耐性が高くなるため、伝送損失が低く、フォトダークニング耐性が高い希土類添加ファイバが実現可能になる。
第6の発明では、第1から第5のいずれか1つの発明において、
上記希土類元素として、Yb、Er、Pr、Tm、Nd、Ce、Eu及びHoからなる群から選択された少なくとも1つが添加される。
すなわち、ファイバレーザ応用分野によって、用いられる波長が異なる。例えば、光通信分野では、Er、Yb、Nd、Pr及びEuが望ましく、加工分野(加工:溶接、切断、マーキング)ではYb及びNdが望ましく、医療分野ではTm及びHoが望ましい。なお、フォトダークニング耐性向上のためにCe添加が望ましい。
第7の発明では、希土類元素及び少なくともPが添加されたコアと、該コアの外周囲に設けられたクラッドとを備えた光ファイバの製造方法を対象とし、
上記製造方法は、
気相状の希土類原料を石英管の反応管に導入しながら、該石英管の内面に2wt%以上10wt%以下の希土類元素を添加した石英ガラス多孔質スートを堆積するスート堆積工程と、
上記石英管の反応管の内面にPOClを導入し、該ガラス多孔質スートのP濃度が少なくとも3wt%以上20wt%以下とするP添加工程と、
上記石英管をコラプスするコラプス工程とを備えており、
上記コアの最小伝送損失は、1000nmから1700nmの波長帯域において、3dB/km以上100dB/km以下になる構成とする。
上記の構成によると、石英ガラスのスート堆積工程とP添加工程とを分離することで、コアの大口径化及び屈折率プロファイルの制御が可能になり、大量生産に適する他、P濃度を高めること及びYbの高濃度化が可能になる。また、石英ガラスのスート中へP添加をゆっくり行うため、Ybイオンのクラスタ密度が低く、且つ、結晶性がよく、結晶欠陥が少ないため、低い伝送損失及び高いフォトダークニング耐性を具現でき、高い信頼性及び高い光変換効率を有する光ファイバレーザが実現可能になる。
第8の発明では、第7の発明に加え、
上記スート堆積工程中に、上記石英管内にClが導入される。
すなわち、Clを導入することで、導入原料(例えば。SiCl、Yb(DPM)(β−ジケトン金属錯体)(或いは、Yb(CP)、Yb塩化物等)の分解を促進させる効果がある。
第9の発明では、第7又は第8の発明において、
上記P添加工程中に、上記石英管内にClが導入される。
すなわち、Clを導入することで、導入する導入原料(POCl)の分解を促進させる効果がある。
第10の発明では、第7から第9の発明のいずれか1つにおいて、
上記POClの導入量が5cc以上5000cc以下、Clの導入が0cc以上1000cc以下である。
すなわち、POClの導入量、Clの導入量を特定することで、P添加が安定して高濃度添加できる。
第11の発明では、第7から第10のいずれか1つにおいて、
上記コラプス工程中に、スート堆積した前記石英管の内面をエッチングするエッチング工程を有する。
すなわち、スート堆積した石英管の内面をエッチングすることで、コアとなる部分に希土類元素のクラスタが除去され、伝送損失を低下を抑制し、フォトダークニング耐性向上させる効果がある。
第12の発明では、第7から第11のいずれか1つの発明において、
上記スート堆積工程において、更にAl、Ge、F、Cl及びBの群から選択された少なくとも1つが添加される。
すなわち、Al添加は、希土類元素のクラスタ化の抑制及び屈折率を上昇させる効果がある。特に、気相状MCVD法では、Pを単独に添加すると、Yb吸着係数が低く、Ybの高濃度化が困難になるため、Al添加が望ましい。Ge添加は、石英ガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ損失を低減させる効果がある。Cl添加により、導入原料の分解を促進させ、希土類元素のクラスタ抑制及び結晶化を抑制する。F添加により、屈折率の低減効果及びガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ散乱を低減させる効果がある他、石英ガラスのバンドギャップが高まるために紫外線耐性が高く、NBOHC欠陥が形成し難くなり、カラーセンター形成による可視光領域のPD損失が抑制される。また、B添加により、石英ガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ散乱を防ぐ効果がある他、石英ガラスのバンドギャップを低めるためにキャリアーのアップコンバージョンが起こりやすくなり、NBOHC欠陥形成が容易になるが、希土類添加ファイバのコアに直接ファイバグレーティング(Fiber Grating)形成が可能になる利点がある。
上記の構成によると、コア屈折率プロファイルの制御が容易であり、コアNA制御が容易であり、Ybクラスタ密度が低く、結晶性がよく、結晶欠陥が少ないため、低い伝送損失及び高いフォトダークニング耐性が具現でき、高い信頼性及び高い光変換効率を要する光ファイバレーザ応用に適する。
第13の発明では、第7から第12の発明のいずれか1つにおいて、
上記スート焼結工程において、Ge、F、B及びClの群から選択された少なくとも1つが添加される。
すなわち、Ge添加は、ガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ損失を低減させる効果がある。F添加は、屈折率の低減効果及びガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ散乱を低減させる効果がある他、石英ガラスのバンドギャップが高まるために紫外線耐性が向上され、NBOHC欠陥が形成し難くなり、カラーセンター形成による可視光領域のPD損失が抑制される。また、B添加により、石英ガラスを柔らかくし、希土類元素の拡散の促進及びレーリ散乱を防ぐ効果がある他、石英ガラスのバンドギャップを低めるためにキャリアーのアップコンバージョンが起こりやすくなり、NBOHC欠陥形成が容易になるが、希土類添加ファイバのコア中に直接ファイバグレーティング形成が可能になる利点がある。Cl添加により、導入原料の分解を促進させ、希土類元素のクラスタ抑制及び結晶化を抑制する。上記の構成によると、屈折率プロファイル制御が容易であること、NBOHC欠陥が形成し難くなること、且つ、Ybクラスタ密度が低く、且つ、結晶性がよく、結晶欠陥が少ないため、低い伝送損失及び高いフォトダークニング耐性を具現でき、高い信頼性及び高い光変換効率を要する光ファイバレーザ応用に適する。
第14の発明では、第7から第13のいずれか1つの発明において、
上記スート堆積工程の前に、更にAl、P、Ge、F、Bの群から選択された少なくとも1つのバッファ層を堆積する工程を更に備えている。
上記の構成によると、コアに含まれる添加イオンがクラッドへ拡散し、ファイバ特性を劣化することを抑制する他(バリアー層の役割)、コアとクラッド界面でのレーリ散乱を抑制し、伝送損失を低減する効果がある。また、コアとクラッド界面にYb濃度が高くなる石英ガラスではフォトダークニング耐性が極端に低下することを防ぐ効果がある。
第15の発明では、第7から第14のいずれか1つの発明において、
上記希土類元素として、Yb、Er、Pr、Tm、Nd、Ce、Eu及びHoからなる群から選択された少なくとも1つが添加される。
すなわち、ファイバレーザ応用分野によって、用いられる波長が異なる。例えば、光通信分野では、Er、Yb、Nd,Pr及びEuが望ましく、加工分野ではYb及びNdが望ましく、医療分野ではTm及びHoが望ましい。なお、フォトダークニング耐性向上のためにCe添加が望ましい。上記の構成によると、各々用途に応じて、希土類元素を選択すれば、幅広い応用が可能になる。
以上説明したように、本発明によれば、希土類元素とPの濃度を最適とし、狙いのコアNAで、1000nmから1700nmの波長帯域において、コアの最小伝送損失を3dB/km以上100dB/km以下としたことにより、低コストで、光変換効率が高く、結晶欠陥が少なく、高いフォトダークニング耐性を有する高い信頼性の希土類元素添加の光ファイバが得られる。
添加元素及び添加濃度が石英ガラス性質に与える影響を示す表である。 MCVDを用いたコア作製プロセスを示す説明図で、(a)が内面エッチング工程で、(b)がスート堆積工程で、(c)がスート焼結工程(P添加工程)で、(d)がコラプス工程で、(e)が成形工程である。 コアNAとP濃度の相関を示すグラフである。 実施例及び比較例のコア母材の作製法及び添加元素の濃度におけるファイバ特性を示す表である。 比較例1の伝送損失スペクトルを示すグラフである。 実施例1の伝送損失スペクトルを示すグラフである。 比較例4の伝送損失スペクトルを示すグラフである。 比較例6の伝送損失スペクトルを示すグラフである。 実施例及び比較例のYb吸収スペクトルを示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。
<光ファイバの構成>
本発明の実施形態に係る光ファイバは、コアに希土類元素としてYbが添加された石英ガラスの光ファイバであり、例えば、ファイバレーザや光通信信号の増幅器に用いられる。詳しくは図示しないが、光ファイバは、コアと、このコアの外周囲に設けられ、コアよりも屈折率が低いクラッドとを備える。ここで、クラッドは1層であっても2層以上であってもよい。ここで、コアを囲むクラッド外周囲にAl、Cl、P、Ge、F及びBの群から選択された少なくとも1つ元素が添加されたバッファ層を設けてもよい。
コアには、Yb及びPが添加されている。更にCl、Al、Ge、F及びB群から少なくとも1つを添加してもよい。コアに添加されているYbの濃度は、2wt%(重量百分率)以上10wt%以下、P濃度は、3wt%以上20wt%以下であることが望ましい。更にCl濃度が0.001wt%以上0.5wt%以下、Al濃度が0.1wt%以上2wt%以下、Ge濃度が0.05wt%以上1wt%以下、F及びBの濃度は、0.01wt%以上2wt%以下となるようにそれぞれ添加してもよい。これにより、コアに含まれる添加イオンがクラッドへ拡散し、ファイバ特性を劣化することを抑制する他(バリアー層の役割)、コアとクラッド界面でのレーリ散乱を抑制し、伝送損失を低減する効果がある。また、コアとクラッド界面にYb濃度が高くなる石英ガラスではフォトダークニング耐性が極端に低下することを防ぐ効果がある。
発明者が鑑みて実験及び分析を重ねた結果、Yb添加の石英ガラス中に様々な元素を添加することにより、Yb添加の石英ガラスの物性が大きく変化することや、コア組成のみではなく、添加元素及び添加濃度に従い、MCVDプロセスの最適化が必須であることが分かった。
具体的には、コア組成が同様であっても、添加濃度を高めると、MCVDのコア堆積条件及びコラプス条件などが異なる場合、ファイバ特性に大きな変化が現れた。Yb濃度が1wt%よりも高くなると、結晶化及び相分離を招き、伝送損失の増加及びフォトダークニング耐性が低下した。P添加は、NBOHC準位をブルーシフトさせ、紫外線耐性を高めることによりNBOHC欠陥が形成し難くなるが、P添加濃度が0.5wt%以上に高くなると、結晶化又は相分離(例えば、非特許文献7)を招き、新たな最適化が必要であった。
Al添加は、Ybのクラスタ化を抑制する効果があり、Al濃度が低いとYbクラスタ化を進行させる他、1wt%以上に高くなると結晶化を招いたが、高濃度Pとの組合せは難しくなり、結晶欠陥が少ない条件探しは難しく、新たな最適化が必要であった。また、Al添加は屈折率を上昇させる効果がある他、Ybの吸着係数を向上させる効果がある。
Ge添加は、石英ガラスを柔らかくし、Yb拡散の促進及びレーリ損失を低減させる効果があるが、Ge添加濃度が高すぎるとNBOHC準位をレッドシフトさせ、紫外線耐性が弱くなり、NBOHC欠陥が形成しやすくなった。
F添加は、石英ガラスを柔らかくし、Yb拡散の促進及びレーリ散乱を低減させる効果がある他、石英ガラスのバンドギャップが高まり、紫外線耐性が高まるため、NBOHC欠陥が形成し難くなり、カラーセンター形成による可視光領域の伝送損失が抑制された。しかし、F濃度が高くなると、他の添加元素との組合せが困難になるため、屈折率プロファイルの制御が難しくなり、望ましいファイバが得られ難かった。
B(ホウ素)添加は、石英ガラスを柔らかくし、Yb拡散の促進及びレーリ散乱を防ぐ効果がある他、石英ガラスのバンドギャップを低めるためにキャリアーのアップコンバージョンが起こりやすく、紫外線耐性が弱くなり、NBOHC欠陥形成が容易になった。
なお、Yb濃度を上げるに従って、Ybクラスタ化が促進されるが、Ybクラスタ化はNBOHC欠陥形成に密接な関係があることから、フォトダークニングのメカニズムによる可視光帯域の伝送損失増加を招き、Yb添加レーザ構成(例えば、915nm又は976nm励起、1000〜1100nm発振帯域)では、望ましくない欠陥であり、発明の課題解決のためには、低いYbクラスタ密度が望ましく、高濃度Yb、高濃度P添加、又は、高濃度Al添加が望ましい。しかし、高濃度P及び高濃度Alのコア組成では結晶化が容易に起こる他、Yb添加ファイバの応用によってはYb吸収係数を2wt%以上に上げる必要があるため、MCVDのコア製法の最適化が必須であった。特に、Yb吸収係数はP濃度に大きく影響されるため、2wt%以上の高濃度P添加ガラスでは、低い結晶欠陥及びYb吸収係数を高くすることが困難であった。
コア作製条件は、添加される元素及び濃度に大きく依存し、例えば、全ての元素を直接堆積する方法では、Yb及びPの高濃度化と共に結晶化、又は、相分離が顕著に生じ、欠陥低減は難しく、狙いの元素濃度の範囲では従来のプロセスは適用できなかった。
NBOHC欠陥は、フォトダークニングのメカニズムによる可視光帯域の損失増加を招くためにYb添加レーザ構成(例えば、915nm又は976nm励起、1000〜1100nm発振)では、望ましくない欠陥であり、発明の課題解決のために、低いNBOHC欠陥密度及び高いエネルギー準位が望ましい。
OHは、E`欠陥と密接な関係があり、OH濃度が高いほどE`欠陥形成が抑制されることが分かっている(例えば、非特許文献6)。紫外線領域の損失を低減させるため、高いOH密度が望ましいが、Yb添加ファイバのレーザ構成では、紫外線領域を利用しないために関連性が少なく、むしろ、OHによる光吸収は、940nm、1140nm、1250nm、1380nm付近に存在するために低いOH濃度が望ましい。石英ガラスのエネルギー準位は、NBOHC欠陥形成に密接な関係があるために、より高い石英ガラスのバンドギャップが望ましく、Fの添加が望ましい(例えば、非特許文献6)。
更に、Yb添加石英ガラス中で、特定の添加元素の組合せ及び添加元素の高濃度化による結晶化(例えば、Al又はP)は、Ybクラスタ化及びレーリ損失の増加、欠陥密度の増加を招くので、低い伝送損失及び高いフォトダークニング耐性を得るためには極力抑えることが望ましい。Ybイオンの拡散は、Ybクラスタ化に密接な関係がある他、結晶化と関係があるためにYb元素のみではなく、添加イオンの拡散を促進させることが望ましく、石英ガラス融点を低くし、石英ガラス微粒子の堆積中の石英ガラスを柔らかくさせる必要があり(又は、溶融性を高める必要があり)、P、Ge、B又はFの添加が望ましい。この観点から、コア作製法、導入ガス、導入原料及び堆積温度などのコア母材製造条件は、石英ガラスの欠陥及び結晶性、イオン拡散、添加元素の結晶化又は相分離、OH濃度、原料分解、添加元素の吸着係数及び製造歩留まりなどのパラメータに大きな影響を与えるために最適化が望ましい。
なお、レーリ損失は、波長の4乗に反比例し、励起波長及び発振波長などのYbレーザの利用波長帯域において伝送損失に影響させるために、P、Ge、Cl、B又はFを添加することが望ましい。更に、ラマン散乱及びブリルアン散乱を抑え、非線形耐性を高めるためには、音響波と光学波とを分離させる必要があり、Al音響波の屈折率はマイナスで、Ge、P、Cl、F、Bなど屈折率はプラスであることから、添加プロファイルを制御する必要があり、例えば、Alと、Ge、Cl、P、Fなどとを組合せることが望ましい。
<光ファイバの製造方法>
次に、光ファイバの製造方法の望ましい一例を説明する。
−光ファイバ母材作製工程−
光ファイバコアの製造方法としては、例えば、気相状MCVD法を採用することができる。具体的には、まず、図2(a)に示す内面エッチング工程において、ロータリージョイントに軸回転可能に支持された石英管1内に、SFガスを投入し、石英管1の内面のエッチングを行う。
次いで、図2(b)に示すスート堆積工程において、SiCl、Yb(DPM)(β−ジケトン金属錯体)(或いは、Yb(CP)、Yb塩化物)を供給すると共に、石英管1を軸回転させつつ酸水素バーナー2の炎を軸方向に走査させることにより外部からパイプ加熱する。このとき、SiCl、Yb(DPM)の供給量を、原料タンクの温度やMFC(Mass Flow Controller)を用いて制御することにより、光ファイバコアに添加される元素濃度の調整することができる。例えば、原料タンクの温度を高くすると添加濃度も高くなり、MFC流量を上げると添加濃度が高くなる。また、堆積温度は、導入原料の分解、吸着係数、添加元素の拡散に影響されるために事前に最適化を行うことが望ましい。そうして、石英管1内において、Ybが添加されたSiO(石英ガラス微粒子)からなる多孔質スート3が石英管1内面上に堆積される。コア径を厚くするために、SiCl流量、又は、堆積回数を増やしてもよい。多孔質の大きさは後述するスート堆積温度と密接な関係があり、堆積温度は1000〜1700℃が望ましく、1100〜1600℃がより望ましい。ここで、AlCl、BCl、SiF、Cl、又は、GeClを加えることにより、Al、B、F、Cl又はGeを添加してバッファ層を堆積させてもよく、原料タンクの温度制御やMFCを用い、添加元素の調整が可能になる。しかし、添加元素によって、堆積温度が異なるため、最適化が望ましい。
次いで、SiCl及びYb(DPM)の供給を止め、図2(c)に示すスート焼結工程(P添加工程)において、POCl及びClを流しながら石英管1を軸回転させつつ、石英管1に沿って水素及び酸素流量を段階的に上げながら酸水素バーナー2を往復運動させる焼結することにより、希土類添加の多孔質スート3の層にPが添加、又は、浸透される。ここで、酸水素バーナー2の代わりに、プロセス効率の観点から電気炉の使用が望ましい。具体的には、5cc以上5000cc以下のPOCl及び0cc以上1000cc以下のClを流しながら、酸水素バーナー2の水素及び酸素流量を変化させ、石英管1の温度を変化させながら多孔質スート中にP添加、又は、多孔質スートにP浸透を行い、1900℃以上の高温で多孔質スートのガラス化(透明化)完了後、可視光の波長帯域において、P添加による多孔質スート3の透過率が5%以上100%以下(好ましくは、10%以上100%以下)になるように継続してPの添加、又は、浸透を行うが、多孔質スートの透過率によってP濃度が変化するため、コアNAが変わる。ここで、多孔質スートの透過率は、希土類添加濃度、多孔質スートの堆積回数及び多孔質スートの厚さによって変わるが、希土類濃度が高いほど、且つ、多孔質スートの層が厚いほど、透明化は難しくなる傾向がある。ここで、Pの添加、又は、Pの浸透の均一性が不十分、又は、パイプ温度が高すぎると、結晶化、又は、層分離が起こり、Ybクラスタリングの増大、ガラス欠陥の増加及び結晶性の低下を招き、低い伝送損失及び高いフォトダークニング耐性を持つ良質なコア母材は得られ難くなる傾向となる。ここで、更にSiF、Cl、GeCl、BClなどを流し、(好ましくは、POClと同時にSiF、Clを流し)、F、B、Ge、又はClを添加してもよい。
次いで、図2(d)に示すコラプス工程において、酸水素バーナー2を往復させながら石英管1を酸水素炎で加熱して内部空間を縮小させて潰す。ここで、POCl、Clなどのガスを流してもよい。このコラプス工程中にガラス最内面の添加元素が蒸発し、添加元素のモル比及び屈折率プロファイルの窪みを極力阻止させる必要があり、ガラスを完全に潰す直前に、堆積されたパイプ内面のエッチングが望ましい(追加内面エッチング工程)。ここで、エッチングは、SF、SiFガスなどを用いてもよく、フッ酸エッチング、又は、それらの組合せを用いてもよい。フッ酸エッチングを行う場合はOHの混入の可能性が高く、Clガスを用い、パイプを完全に潰す前に、脱水工程を設けることが望ましい。屈折率プロファイル及びドーピングプロファイルの改善のために、石英ガラスエッチング後、更に、高濃度P添加ガラスを薄く堆積してもよく、Yb添加スート堆積後、更にP焼結を行ってもよく、Yb及びP添加ガラス層を直接堆積してもよい。
次いで、図2(e)に示す成形工程において、石英管1を完全に潰す。これにより、Ybクラスタ及び結晶欠陥が少なく、且つ、結晶性がよい高濃度Yb及び高濃度Pが添加された中央のコア形成部4と、このコア形成部4を被覆するように外側に設けられたクラッド形成部5とを有する円柱状の光ファイバ母材6が得られる。なお、酸水素炎による加熱によって混入するOH−イオンの濃度を低減すべく、ロッド・イン・チューブ法により、石英管1を被せてコラップスすることにより大径化し、それを延伸してもよい。
この製法によると、パイプの外径と厚さにもよるが、例えば、パイプ外径28mmで厚さが1.5mmの石英パイプを用いた場合、コア直径3mm以上の大きな母材の作製が可能になる。ここで、得られるコア直径は用いる堆積パイプの外径及び内径に依存する。
−線引工程−
次に、光ファイバ母材を線引装置にセットし、加熱炉で加熱して線引する。これにより、高濃度Yb及び高濃度Pが添加されたコアと、このコアを被覆するように外側に設けられ、コアよりも屈折率が低いクラッドとを有する石英ガラスの光ファイバが製造される。
なお、本実施形態においては、MCVD法による光ファイバの製造方法を説明したが、これに限られず、例えば、OVD法、VAD法などの公知の種々の製造方法を採用してもよい。
また、屈折率調整、伝送損失の低減、フォトダークニング耐性の向上、ファイバグレーティング、又は、特殊なファイバ応用に従い、Al、B、Ge又はFなどを添加してもよい。なお、波長帯域において異なる応用のため、Yb(イッテルビウム)以外に、エルビウム(Er)、ツリウム(Tm)、セリウム(Ce)、ネオジウム(Nd)、ユーロピウム(Eu)、プラセオジム(Pr)、ホルミウム(Ho)などの希土類元素から選択された少なくとも1つの元素を添加してもよい。すなわち、ファイバレーザ応用分野によって、用いられる波長が異なる。例えば、光通信分野では、Er、Yb、Nd、Pr及びEuが望ましく、加工分野(加工:溶接、切断、マーキング)ではYb及びNdが望ましく、医療分野ではTm及びHoが望ましい。なお、フォトダークニング耐性向上のためにCe添加が望ましい。但し、コアに他の元素を添加すると別の問題が生じるため、製造条件、添加元素濃度の最適値が異なるが、低い伝送損失及び高いフォトダークニング耐性を得る基本概念は同様である。
気相状の希土類原料を用いた気相状MCVD法によりコアに高濃度Yb及び高濃度Pが添加された石英ガラスのファイバを作製すると共に、比較のために液浸MCVD法による光ファイバを作製した。コア母材の製法における伝送損失及びフォトダークニング耐性を調べるために、コアNAが0.18±0.02で、コア径が7±2μmで、ファイバ径が125±3μmの光ファイバを作製した。
−Yb添加光ファイバの特性−
Yb添加の石英ガラスファイバをリレーファイバに融着しYbの吸収係数を評価した。線引されたファイバの伝送損失を規格化させるために、100mを切り取り、ファイバの一方の片端を百色光源側にセットし、他端を分光評価装置(Spectrum Analyzer)側へセットし、カットバック法により評価した。
図3は、P添加の石英ガラスファイバのコアNAに対するP濃度を示しており、具体的な例を挙げると、例えばコアNA0.1でP濃度が4.5wt%で、コアNA0.15でP濃度が9wt%であった。
図4は実施例及び比較例のコア母材の作製法及び添加元素の濃度における伝送損失及びフォトダークニング特性を示す表である。図4に記載されている、◎は、とても良好で、○は良好で、△は普通、Xは悪いことを意味する。
比較例1のコアNAは0.125で、P添加濃度は6.1wt%であり、フォトダークニングによる損失増加は確認されず、石英ガラスの多孔質スートを堆積し、焼結によるP添加を行っても伝送損失及びフォトダークニング耐性はとても良好であった。図5によると、比較例1の最小伝送損失は、1000nm〜1700nm波長帯域において、1.9dB/kmの最小伝送損失を示しており、OH吸収に関する1.38μm波長帯域の吸収も低く、全体的に良好なスペクトルを示した。但し、この比較例1では、希土類元素であるYbは添加されていない。
実施例1のコアNAは0.184で、Yb添加濃度は3.3wt%で、P添加濃度は7.1wt%で、Yb吸収係数は281dB/kmであり、フォトダークニング耐性はとても良好であった。なお、実施例1のコア母材製法によると、Pの高濃度化が可能であり、屈折率プロファイルは擬似ステップ及びコアの大口径は容易であった。図6によると、実施例1の最小伝送損失は、1000nm〜1700nm波長帯域において、17.8dB/kmの最小損失を示しており、OH吸収に関する1.38μm波長帯域の吸収も低く、全体的に良好なスペクトルを示し、OH濃度が少なく、Yb(DPM)原料使用によるOHの問題もないことが分かった。
実施例2のコアNAは0.187で、Yb添加濃度は3.3wt%で、Al濃度は0.9wt%で、P濃度は6.9wt%であり、Yb吸収係数が280dB/mで、伝送損失が22.3dB/kmで、フォトダークニング耐性は良好であった。しかし、Al添加することにより伝送損失及びフォトダークニング耐性が若干悪くなる傾向を示した。なお、実施例2によると、Pの高濃度化が可能であり、屈折率プロファイルは擬似ステップで制御可能及びコアの大口径は容易であった。
実施例3のコアNAは0.168、Yb添加濃度は3.4wt%、P濃度は6.9wt%、F濃度が0.33wt%であり、Yb吸収係数が285dB/m、最小伝送損失が16.8dB/kmであり、フォトダークニング耐性はとても良好であった。なお、実施例3によると、Pの高濃度化が可能であり、屈折率プロファイルは擬似ステップで制御可能及びコアの大口径は容易であった。
実施例4のコアNAは0.169、Yb添加濃度は3.4wt%、P濃度は6.9wt%、Geは、0.1wt%、F濃度が0.35wt%であり、Yb吸収係数が280dB/m、最小伝送損失が18.9dB/kmであり、フォトダークニング耐性はとても良好であった。特に、Ge添加によりレーリ散乱が抑えられ、低い伝送損失化に有利であることが分かった。なお、実施例4はPの高濃度化が可能であり、屈折率プロファイルは擬似ステップで制御可能及びコアの大口径は容易であった。
実施例5のコアNAは0.191、Yb添加濃度は3.3wt%、Er濃度は0.28wt%、P濃度が6.9wt%、Geが0.1wt%、F濃度が0.35wt%であり、Yb吸収係数が280dB/m、Er吸収係数が71dB/m、最小伝送損失が18.9dB/kmであり、フォトダークニング耐性はとても良好であった。特に、Ge添加によりレーリ散乱が抑えられ、低伝送損失化に有利であることが分かった。なお、実施例5はPの高濃度化が可能であり、屈折率プロファイルは擬似ステップで制御可能及びコアの大口径は容易であった。
比較例2のコアNAは0.14、P添加濃度は7.4wt%、最小伝送損失が1.5dB/km、フォトダークニングによる損失増加は確認されず、スート堆積共に直接ガラス化を行っても伝送損失及びフォトダークニング耐性にとても良好であり、比較例1と類似な差を示した。但し、この比較例2では、希土類元素であるYbは添加されていない。
比較例3のコアNAは0.155、Yb添加濃度は0.48wt%、P添加濃度は7.1wt%であり、Yb吸収係数は41dB/km、最小伝送損失は1612dB/km、フォトダークニング耐性は悪かった。なお、比較例3ではYb及びPの高濃度化は困難であったが、屈折率プロファイルは擬似ステップ及びコアの大口径は容易であった。
比較例4のコアNAが0.184、Yb添加濃度が2.53wt%、P添加濃度は7.2wt%、Al濃度が0.88であり、Yb吸収係数は156dB/km、最小伝送損失は2399dB/kmであり、フォトダークニング耐性は悪かった。図7によると、比較例4の最小伝送損失は、1000nm〜1700nm波長帯域において、2399dB/kmの最小損失を示しており、各実施例よりも高い伝送損失を示した。なお、比較例4ではAl添加によりある程度Yb及びP高濃度化は可能で、屈折率プロファイルは擬似ステップ及びコアの大口径は容易であった。
比較例5のコアNAは0.185、Yb添加濃度は2.14wt%、P添加濃度は6.9wt%、Al濃度が0.39wt%であり、Yb吸収係数は176dB/km、最小伝送損失は2727dB/kmで、フォトダークニング耐性は悪かった。なお、比較例5ではスート堆積及びAl添加によりある程度Yb及びP高濃度化は可能であったが、コアの大口径は困難であった。
比較例6のコアNAは0.135、Yb添加濃度が1.2wt%、P添加濃度は5.5wt%で、Yb吸収係数は58dB/km、であり、フォトダークニング耐性はある程度改善されたが、実施例には及ばなかった。図8によると、比較例6の最小伝送損失は、1000nm〜1700nm波長帯域において、167dB/kmであり、各実施例よりも悪かった。なお、比較例6では、液浸MCVD法によりYb高濃度化は可能であったが、P添加の石英ガラス融点が低くなるため、屈折率プロファイル制御、Pの高濃度化及びコアの大口径は困難であった。
比較例7のコアNAは0.181、Yb添加濃度は3.5wt%、P添加濃度は6.5wt%であり、Yb吸収係数は285dB/km、最小伝送損失は230dB/kmであり、伝送損失及びフォトダークニング耐性はある程度改善されたが、実施例には及ばなかった。なお、比較例7では、液浸法によりYb及びP高濃度化は可能であったが、屈折率プロファイル及びコアの大口径は困難であった。
図9によると、従来のYb/Alコア組成のYb吸収波形と実施例1のYb吸収スペクトルを比較すると大きな差が認められた。具体的には、従来ファイバでは、915nm及び980nm波長付近にYb添加による吸収ピークが存在したが、実施例1〜4の高濃度P添加の石英ガラスファイバでは、エネルギー準位のスタルクスプリット(Stark split)により、915nmから970nm波長帯域において、平坦なスペクトルを示した。比較例3〜6の高濃度P添加ファイバからYb吸収スペクトルに大きな差がないことから、Yb吸収スペクトルは主にPの濃度に依存すると考えられる。
このような結果から、比較例1と比較例2とを比較すると、ガラス多孔質スートを焼結しながらP添加する比較例1の伝送損失と、ガラス多孔質スートに直接Pを添加する比較例2の伝送損失に大きな差は見られなかった。
しかし、実施例1と比較例3を比較すると、コアNAに大きな差を示し、Pを直接添加する比較例3ではYbの添加濃度が低いことが分かった。特に、Yb吸収係数は、同一の原料供給条件においても実施例1の方がとても高かった。伝送損失は、Yb濃度に大きく依存するという公知技術結果に反し、よりYb濃度の低い比較例3に比べ、実施例1の方が伝送損失が低かった。これは、伝送損失は単にYb濃度のみではなく、石英ガラスの結晶性に大きく左右されることを意味しており、実施例1の方がより結晶性が優れることになる。フォトダークニングはYbイオンのクラスタ及びガラスの欠陥に大きく依存することから実施例1のフォトダークニング耐性の向上は結晶性の改善であったと考えられる。従って、希土類添加ファイバの特性は、単にコアに添加される組成及び添加元素の濃度だけではなく、石英ガラスコア製法に大きく依存することが明確になり、結晶欠陥を極力抑えるなど、最適化が重要である。
比較例6では、伝送損失が改善されているが、Pの高濃度化及びコアの大口径化が困難であることから大量生産には適していない。比較例7において、P及びYbの高濃度化は可能となるが、コアの大口径化が難しいこと他、伝送損失特性が実施例に及ばないため、大量生産に適していない。
このことから、特定のファイバから発明効果を十分に得るためには、伝送損失、フォトダークニング及び非線形特性の抑制、光変換効率の向上させる必要があり、Yb添加ガラスに、Al、Ge、P及びFなどの元素を単に添加することのみでは非常に困難であり、導入ガス、導入原料、石英ガラスの堆積温度などの製造条件の最適化は勿論のこと、緻密な添加濃度制御、添加元素の組合せの調整及びファイバ製造プロセスの最適化が必要であることが本発明を通して明らかになった。
なお、各実施形態に記載された技術的特徴は、互いに組合せ可能であり、組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
以上説明したように、本発明は、コアに高濃度の希土類元素及び高濃度Pを添加した石英ガラスの光ファイバについて有用である。
1 石英管
2 酸水素バーナー
3 多孔質スート
4 コア形成部
5 クラッド形成部
6 光ファイバ母材

Claims (15)

  1. 希土類元素及び少なくともPが添加されたコアと、
    上記コアの外周囲に設けられたクラッドとを備えた光ファイバであって、
    上記コアの最小伝送損失は、1000nmから1700nmの波長帯域において、
    3dB/km以上100dB/km以下であり、
    上記コアNAは、0.05以上0.25以下であり、
    上記コアに添加されている希土類元素の濃度は、2wt%以上10wt%以下であり、
    上記コアに添加されているPの濃度は、3wt%以上20wt%以下である
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバ。
  2. 請求項1の希土類添加光ファイバにおいて、
    上記コアには、Al、Ge、Cl、F及びBからなる群から選択された少なくとも1つ元素が更に添加される
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバ。
  3. 請求項2の希土類添加光ファイバにおいて、
    上記Al濃度は、0.1wt%以上2wt%以下であり、
    上記Ge濃度は、0.05wt%以上1wt%以下であり、
    上記Cl濃度は、0.001wt%以上0.5wt%以下であり、
    上記F濃度は、0.01wt%以上2wt%以下であり
    上記B濃度は、0.01wt%以上2wt%以下である
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバ。
  4. 請求項1から3のいずれか1つの希土類添加光ファイバにおいて、
    上記クラッドには、Al、Ge、Cl、P、F及びBの群から選択された少なくとも1つの元素が添加される
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバ。
  5. 請求項4の希土類添加光ファイバにおいて、
    上記Al濃度は、0.1wt%以上1wt%以下であり、
    上記Ge濃度は、0.05wt%以上1wt%以下であり、
    上記Cl濃度は、0.001wt%以上0.5wt%以下であり、
    上記P濃度は、0.05wt%以上10wt%以下であり、
    上記F濃度は、0.01wt%以上2wt%以下であり
    上記B濃度は、0.01wt%以上2wt%以下である
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバ。
  6. 請求項1から5のいずれか1つの希土類添加光ファイバにおいて、
    上記希土類元素として、Yb、Er、Pr、Tm、Nd、Ce、Eu及びHoからなる群から選択された少なくとも1つが添加される
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバ。
  7. 希土類元素及び少なくともPが添加されたコアと、該コアの外周囲に設けられたクラッドとを備えた光ファイバの製造方法であって、
    気相状の希土類原料を石英管の反応管に導入しながら、該石英管の内面に2wt%以上10wt%以下の希土類元素を添加した石英ガラスの多孔質スートを堆積するスート堆積工程と、
    上記石英管の反応管の内面にPOClを導入し、上記多孔質スートのP濃度が少なくとも3wt%以上20wt%以下とするP添加工程と、
    上記石英管をコラプスするコラプス工程とを備えており、
    上記コアの最小伝送損失は、1000nmから1700nmの波長帯域において、3dB/km以上100dB/km以下になる
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
  8. 請求項7の希土類添加光ファイバの製造方法において、
    上記スート堆積工程中に、上記石英管内にClを導入する
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
  9. 請求項7又は8の希土類添加光ファイバの製造方法において
    上記P添加工程中に、上記石英管内に、Clを導入する
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
  10. 請求項8又は9の希土類添加光ファイバの製造方法において、
    上記POClの導入量が5cc以上5000cc以下、Clの導入が0cc以上1000cc以下である
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
  11. 請求項7から10のいずれか1つの希土類添加光ファイバの製造方法において、
    上記コラプス工程中に、スート堆積した前記石英管の内面をエッチングするエッチング工程を有する
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
  12. 請求項7から11のいずれか1つの希土類添加光ファイバの製造方法において、
    上記スート堆積工程において、更にAl、Ge、F、Cl及びBの群から選択された少なくとも1つが添加される
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
  13. 請求項7から12のいずれか1つの希土類添加光ファイバの製造方法において、
    上記スート焼結工程において、F、B及びClの群から選択された少なくとも1つが添加される
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
  14. 請求項7から13のいずれか1つの希土類添加光ファイバの製造方法において、
    上記スート堆積工程の前に、更にAl、P、Ge、F、Bの群から選択された少なくとも1つのバッファ層を堆積する工程を更に備えている
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
  15. 請求項7から14のいずれか1つの希土類添加光ファイバの製造方法において、
    上記希土類元素として、Yb、Er、Pr、Tm、Nd、Ce、Eu及びHoからなる群から選択された少なくとも1つが添加される
    ことを特徴とする希土類添加光ファイバの製造方法。
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