JP3020997B2 - 赤外帯光導波路用ガラス - Google Patents

赤外帯光導波路用ガラス

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、赤外帯光導波路用ガラス、特に、炭酸ガス
レーザ光(波長10.6μm、波数943cm-1)を低損失で伝
送するための中空型光導波路を構成する際に適したクラ
ッド材用ガラスに関するものである。
従来の技術 従来の炭酸ガスレーザ光用光ファイバーには、主とし
てKRS−5をコア材としてポリマーをクラッド材とした
ものが使用されている。また中空型光導波路用ガラスと
して、珪酸塩系ガラス、ゲルマニウム酸塩系ガラス(特
開昭58−104041号公報、参照)が知られている。
ここで、赤外帯光導波路用ガラスの理解のために、こ
の中空型光導波路の概略を説明する。いまあるガラス材
の使用波数(943cm-1)での屈折率nrが1より小さけれ
ば、空気の側からこのガラス材へ斜め入射した光は、い
わゆる全反射を起こし、反射率が極めて高くなることが
予想される。したがって、このようなガラス材で作成し
た中空コア型光導波路は、中空部に閉じ込められた当該
波数の光を充分低損失で伝送することができる。
一般に酸化物ガラスは赤外域においてガラス形成成分
の赤外吸収帯が波長10μm付近に存在する。この近傍領
域は複素屈折率nr−iκ(nrは屈折率、κは減衰係数)
の実数部と虚数部が大きな変化を起こす領域で異常分散
領域と呼ばれている。屈折率nrは1よりも小さくなり、
減衰係数κは大きな値となる。そこでこのような特性を
持つ、すなわち当該波数で、屈折率nr及び減衰係数κの
いずれもが極力小さく、さらに実用に適する耐久性を持
つガラスを開発することが重要である。
発明が解決しようとする課題 従来のKRS−5及び他のハライド系ガラスをコア材と
して使用した炭酸ガスレーザ光用光ファイバーは、ガラ
スが非常に不安定であり、ファイバー化の際に、すぐに
結晶化してしまい線引きすることが非常に困難である。
また熱的、機械的、化学的特性などが弱く、入出力端面
が破壊されやすいこと、使用中に結晶が成長して損失が
増大するなどの欠点があり、炭酸ガスレーザ光用光ファ
イバーの実用化は困難であった。そこでこれらの問題を
解決するためとして、前記した中空コア型光導波路が考
案されている。
しかし、珪酸塩系ガラスは、中赤外帯において、確か
にnr<1となっているが、主成分であるSiO2のnr<1の
領域が1040cm-1〜1300cm-1の間にあり、その極小値は10
90cm-1の部分にあるために他の組成成分によってnr<1
の領域を943cm-1を含む領域にまで調整している。しか
しながら、これらのガラスで構成された炭酸ガスレーザ
光(943cm-1)用中空型光導波路の損失は、なお大きく
実際の実用にはまだ不充分である。
さらにゲルマニウム酸塩系ガラス(特開昭58−104041
号公報)は、主成分であるGeO2の異常分散域が10μm付
近にあり、最低損失波長は980cm-1である。そのため、
他の組成成分を添加することによって炭酸ガスレーザ光
(943cm-1)に一致させやすい。そこで、その調整成分
としてK2O、ZnOなどを使用しており、炭酸ガスレーザ光
用中空型導波路をこのガラスで作成した場合の損失は、
直線状の口径1mmのファイバーにおいて0.05dB/mの理論
値が得られ、実用上充分な値が得られている。しかしな
がら、このガラスは不安定であるために実際の中空ファ
イバーの作成中に結晶化を起こしやすく、線引きが非常
に難しい。さらにこの析出した結晶が伝送損失を増大し
てしまう。またガラスの化学的耐久性の点でも、日本光
学硝子工業会規格化学的耐久性試験方法により測定を行
なうと、その等級が6となり実用の製品とする場合問題
となる。
したがって、本発明の目的は、前記した概略の原理に
もとづき、中空型導波路として構成した場合の伝送損失
が炭酸ガスレーザ光(943cm-1)で最小となり、しかも
化学的耐久性を持ち、さらに中空ファイバーの作成中に
結晶化を起こさない安定性の良いガラスを提供すること
にある。
課題を解決するための手段 本発明者等は、以上のような従来の炭酸ガスレーザ光
用ファイバー及び中空型導波路材としてのガラスの諸欠
点をかんがみて種々考察研究した結果、GeO2を主成分と
し、R2O(R=Li,NaおよびK)およびTa2O5、Nb2O5また
はTiO2のうちの1種からなる3成分を基本とするガラス
が所定の組成範囲内において、安定性と化学的耐久性に
優れ、かつ直線状の口径1mmの中空型導波路を作成した
場合の波長10.6μmにおける理論伝送損失が1dB/m以下
の特性値を得られることを見出し、炭酸ガスレーザ光用
中空型導波路材として有用なガラスであるという結論に
達し、本発明に到達したものである。
まず、Ta2O5を成分として含む第1の発明について組
成を重量%で示すと、下記のとおりとなる: GeO2 30〜95% Ta2O5 2〜50% 1種または2種以上の R2O 2〜40% (R=Li,NaおよびK) ただし、 Li2O 0〜10% Na2O 0〜20% K2O 0〜40% 各成分範囲を上記のように限定した理由は次のとおり
である。第1図に純粋なGeO2ガラスの赤外領域における
複素屈折率nr−iκの屈折率nrと減衰係数κの値を示し
た。ここからわかるように純粋なGeO2ガラスは異常分散
領域の屈折率は1000〜900cm-1においてnrは1.0以下とな
るが、κが943cm-1では比較的大きい。このためこのガ
ラスの最低伝送損失波数は980cm-1となっている。炭酸
ガスレーザ(943cm-1)に最低損失波数を一致させるた
めには異常分散領域を低波数側にシフトさせればよいこ
とになる。これはガラスの赤外吸収帯が低波数側にシフ
トすることと等しい。ガラスの赤外吸収帯を低波数側に
移動するための最も効果的な方法はアルカリ酸化物の導
入である。しかしアルカリ酸化物とGeO2の2成分ガラス
は化学的耐久性が著しく劣り、また吸収帯が広がって異
常分散域の屈折率の変化が小さくなり、はなはだしい場
合にはnr>1となることもある。本発明においてはアル
カリ酸化物の導入によって引き起こされるこれらの問題
点を防ぐのに効果のあった化合物はTa2O5であった。
第1の発明のGeO2、Ta2O5およびR2Oからなる3成分ガ
ラス系においては、GeO2は基本成分であるが前記の範囲
外ではガラスが得られない。R2Oは異常分散領域をシフ
トさせるために有効な成分であるが上記範囲外ではガラ
スが得られない。Ta2O5はガラスの化学的耐久性を向上
させ、さらに異常分散域の位置調整と異常分散域の広が
りの抑制のために必要であるが上記範囲外ではガラスが
得られない。
次に、Nb2O5を成分として含む第2の発明は前記ガラ
ス形成系のTa2O5をNb2O5に置換したGeO2、Nb2O5およびR
2Oからなる3成分ガラス系であり、GeO2は基本成分であ
るが、40〜95重量%の範囲でガラスが得られる。R2Oは
同様に異常分散領域をシフトさせるために有効な成分で
あるが、2〜40重量%の範囲になければガラスが得られ
ない。Nb2O5はTa2O5と同じ効果があるが、ガラスの中空
化が容易となる。そして、2〜50重量%の範囲になけれ
ばガラスが得られない。
次に、TiO2を成分として含む第3の発明は第1の発明
のTa2O5をTiO2に置換したGeO2、TiO2およびR2Oからなる
3成分ガラス系であり、GeO2は基本成分であるが、40〜
95重量%の範囲になければガラスが得られない。R2Oは
異常分散領域をシフトさせるために有効な成分である
が、2〜30重量%の範囲内でのみガラスが得られる。Ti
O2はガラスの化学的耐久性を向上させ、また異常分散域
の位置調整のための成分であり、さらにTa2O5よりも安
価であるが、2〜40重量%の範囲外ではガラスが得られ
ない。
以上においてGeO2−金属酸化物−アルカリ酸化物とい
う単純な成分組成としたのは、多成分組成にした場合、
ガラスの反射率R(垂直入射)のピークがかなりブロー
ドになってしまい、そのために波長10.6μmにおける屈
折率nrが大きな値となり、また悪い場合はnr>1となっ
てしまうため、その結果として伝送損失が増大し実用に
適さなくなるためである。
第2図〜第9図は本発明の基本となるGeO2・金属酸化
物・アルカリ酸化物の3成分ガラス化範囲をmol%で示
したものである。GeO2・Ta2O5・Li2O系ガラス、GeO2・T
a2O5・Na2O系ガラス、GeO2・Ta2O5・K2O系ガラス、GeO2
・Nb2O5・Li2O系ガラス、GeO2・Nb2O5・Na2O系ガラス、
GeO2・Nb2O5・K2O系ガラス、GeO2・TiO2Na2O系ガラスお
よびGeO2・TiO2・K2O系ガラスの8ガラス系である。こ
の図の中で、斜線で示した組成範囲は口径1mmの中空型
導波路をこれらのガラスで作製した場合に、波長10.6μ
mにおける伝送損失が1dB/m以下となるガラス組成領域
である。この領域を第1〜第3の発明について重量%表
示の組成範囲で表すと以下のようになる。
すなわち、 (1) GeO2 40〜95重量%(以下%で示す) Ta2O5 2〜50% 1種または2種以上の R2O 2〜15% (R=Li,NaおよびK) ただし、 Li2O 0〜8% Na2O 0〜15% K2O 0〜15% の組成から成るガラス。
(2) GeO2 40〜95重量%(以下%で示す) Nb2O5 2〜50% 1種または2種以上の R2O 2〜15% (R=Li,NaおよびK) ただし、 Li2O 0〜8% Na2O 0〜15% K2O 0〜15% の組成から成るガラス。
(3) GeO2 70〜95重量%(以下%で示す) TiO2 2〜20% 1種または2種以上の R2O 2〜20% (R=LiおよびK) ただし、 Na2O 0〜15% K2O 0〜20% の組成から成るガラス。
本発明の赤外帯用中空型導波路用ガラスには、ガラス
安定性の改良、耐候性の改良、溶融性の改善等のため
に、本発明の目的からはずれない限り、Ba、Mg、Zr、L
a、Y、Gd、Sn、Sb、As、W、Pb、Caなどの酸化物など
を含有させることができる。
実施例 次に本発明に係る実施例の組成(数値は重量%)及び
口径1mmの中空型導波路を作製した場合の波長10.6μm
における理論伝送損失(dB/m)を表に示す。No.1〜8は
第1の発明、No.9〜16は第2の発明、No.17〜24は第3
の発明の実施例である。
本発明の赤外帯用中空型光導波路用ガラス材は、各成
分の原料として各々相当する酸化物、水酸化物、炭酸
塩、硝酸塩等を使用し、所定の割合で秤量し、充分混合
してガラス原料として、白金製管坩堝に投入して電気炉
で1000℃〜1450℃で溶融し、白金製撹拌棒にて撹拌し
て、清澄、均質化してから適当な温度に予熱した金型内
に鋳込んだ後、徐冷して得られた。なおガラスの着色を
防ぎ、脱泡のため少量のAs2O3を加えること、または工
業上良く知られている脱泡成分の少量添加は、本発明の
効果に影響を与えない。さらに導波路の作成は、このガ
ラス材を目的のサイズに線引きして作る。
発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、1
0.6μmにおける伝送損失が、口径1mmの中空型導波路に
対して1dB/m以下の値が得られ、さらに実用におけるガ
ラスの耐候性が良好で、また、導波路作成における線引
き時に、結晶化を起こさない安定性の良い赤外帯用中空
型光導波路用ガラスが得られる。このガラスを既に知ら
れている手段によって中空ファイバー化すれば、炭酸ガ
スレーザの導光路として使用できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、純粋なGeO2ガラスの赤外領域における複素屈
折率nr−iκ及び反射率R(垂直入射)を表わす図であ
る。第2図〜第9図は、本発明におけるGeO2−金属酸化
物(Ta2O5、Nb2O5、TiO2)−アルカリ酸化物(Li2O、Na
2O、K2O)の3成分系におけるガラス化範囲(mol%、実
線)及び伝送損失が1dB/m以下の領域(斜線部分)を示
す図である。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】GeO2 30〜95重量%(以下%で示す) Ta2O5 2〜50% 1種または2種以上の R2O 2〜40% (R=Li,NaおよびK) ただし、 Li2O 0〜10% Na2O 0〜20% K2O 0〜40% の組成から成る赤外帯光導波路用ガラス。
  2. 【請求項2】GeO2 40〜95重量%(以下%で示す) Nb2O5 2〜50% 1種または2種以上の R2O 2〜40% (R=Li,NaおよびK) ただし、 Li2O 0〜10% Na2O 0〜20% K2O 0〜40% の組成から成る赤外帯光導波路用ガラス。
  3. 【請求項3】GeO2 40〜95重量%(以下%で示す) TiO2 2〜40% 1種または2種以上の R2O 2〜30% (R=NaおよびK) ただし、 Na2O 0〜30% K2O 0〜20% の組成から成る赤外帯光導波路用ガラス。
  4. 【請求項4】赤外帯光導波路を作成した場合に、直線状
    の口径1mmのファイバでの、波長10.6μmにおける理論
    伝送損失が1dB/m以下であるところの請求項(1)、
    (2)または(3)に記載の赤外帯光導波路用ガラス。
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