JP3149119B2 - 光増幅用光ファイバ - Google Patents

光増幅用光ファイバ

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JP3149119B2
JP3149119B2 JP07751494A JP7751494A JP3149119B2 JP 3149119 B2 JP3149119 B2 JP 3149119B2 JP 07751494 A JP07751494 A JP 07751494A JP 7751494 A JP7751494 A JP 7751494A JP 3149119 B2 JP3149119 B2 JP 3149119B2
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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    • C03C3/32Non-oxide glass compositions, e.g. binary or ternary halides, sulfides or nitrides of germanium, selenium or tellurium
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、フッ化物ガラスからな
り、低損失で効率の高い光増幅用光ファイバに関する。
【0002】
【従来の技術】フッ化物系ガラスからなるフッ化物光フ
ァイバはフッ化物ガラスが低いフォノンエネルギを持つ
ことからレーザや光ファイバ増幅器用の良好なホスト媒
体として注目されている。発光イオンのホスト媒体とし
ての適用において、光ファイバ増幅器の高効率化を図る
には、(1)コア−クラッド間の比屈折率差(Δn)を
大きくしてファイバのコア中での励起光のパワー密度を
高くすること、(2)ホスト媒体自身がもつフォノンエ
ネルギを小さくし、光増幅用の発光イオンの蛍光寿命を
長くすること、および(3)ドープした発光イオンの配
位子場を制御して、発光イオンの励起準位の蛍光寿命を
長くすること、が有効とされている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】これらの方法のうち、
(1)の比屈折率差(Δn)を大きくすることに関して
は、例えば特願平3−213568号に記載されている
ように、従来のZrF4フッ化物ガラスにおいて、コア
ガラスにPbF2 を添加することによってコアおよびク
ラッド間の比屈折率差を大きくする方法が知られてお
り、この方法でΔnを3.7%に上げることによってP
rドープ光ファイバ増幅器で0.2dB/mWの利得係
数が達成されている。しかし、PbF2 をコアガラスに
添加すると、その添加量の増加に伴い、ガラスの結晶化
傾向が増大してファイバの散乱損失が増加するという問
題がある。このため、0.2dB/mWの利得係数が実
現できる低散乱損失のファイバが再現製よく作製できな
いとう問題が生じている。したがって、この方法では、
コアガラスにおけるPbF2 の添加量を15mol%以
下にすることによって散乱損失の低い単一モードファイ
バが作製できる。一方、従来使用しているクラッドガラ
ス組成では、コアガラスのPbF2 含有量を10mol
%以下にすると、前述したように比屈折率差3.7%が
確保できなくなり、結果として十分な利得係数が得られ
ないという欠点があった。
【0004】本発明の目的はこのような事情に鑑み、低
損失で高効率な光増幅用光ファイバを提供することにあ
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明は、フッ化物系ガラスからなるコアおよびクラッドを
有し、前記コアを形成するコアガラスが発光イオンを含
むフッ化物系ガラスである光増幅用光ファイバにおい
て、前記コアガラスに含有されるPbF2 が25mol
%以下であり、かつ前記クラッドを形成するクラッドガ
ラスにKFおよびCaF2 の少なくとも一方が含有され
ることを特徴とする光増幅用光ファイバにある。
【0006】ここで、前記クラッドガラスは、例えば、
ZrF4 およびHfF4 の少なくとも1種を40〜65
mol%含有し、CaF2 ,SrF2 およびBaF2
それぞれを、0〜10mol%,0〜5mol%および
9〜35mol%で、かつ3つの合計で10〜40mo
l%含有し、LaF3 ,GdF3 およびLuF3 のそれ
ぞれを0〜8mol%ずつ含有し、ScF3 およびYF
3 のそれぞれを0〜6mol%ずつ含有し、LiF,N
aF,KF,RbFおよびCsFのそれぞれを、0〜2
5mol%,0〜25mol%,5〜30mol%,0
〜25mol%および0〜25mol%で、かつ5つの
合計で5〜30mol%含有し、AlF3 を0〜6mo
l%含有し、かつ全ての合計が100mol%となるフ
ッ化物ガラスよりなる。
【0007】
【作用】本発明においては、フッ化物ガラスからなる光
増幅用光ファイバのクラッドガラスにKFおよび/また
はCaF2 を含有させることによって結晶化傾向を増大
させることなく屈折率を低下させることが可能になり、
この結果、コアガラスに含有されるPbF2 を例えば1
0mol%以下にしても、比屈折率差3.7%以上の光
ファイバが作製できる。かかる光ファイバでは、コアガ
ラスに含有されるPbF2 量を従来より低く抑えること
ができるため、結果としてコアガラスが結晶化に対して
安定になり、損失の低いファイバが作製でき、光増幅の
高効率化を図ることができる。
【0008】本発明の光増幅用光ファイバのコアにドー
プされる発光イオンとしては、1.3μm帯の用途に対
しては、Pr,Pr−Yb,Pr−NdおよびPr−E
rからなる群から選ばれた一種を使用することができ
る。また、これ以外にもPr,Yb,Nd,Ho,E
r,Tm等の希土類元素の発光イオンや、Cr等の遷移
金属元素の発光イオンをドープすることにより、種々の
波長においての光増幅の高効率化が可能であり、これに
より光通信システムの高性能化・経済化を図ることがで
きる。
【0009】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する
が、本発明はこれらにより何ら限定されるものではな
い。
【0010】(実施例1)図1は、本発明のコアガラス
として用いるフッ化物系ガラスで、組成56ZrF4
(29−x)BaF2 −xPbF2 −3.5LaF3
2YF3 −2.5AlF3 −7LiF(mol%)のx
を変化させて作製したフッ化物ガラスのPbF2 含有量
(mol%)と屈折率(nD )との関係を示したもので
ある。図のように屈折率はPbF2 の添加量の増加に伴
い、直線的に増加する。図2にこのガラスのPbF2
有量が10〜20mol%の範囲におけるガラスのPb
2有量と結晶化開始時間との関係(結晶化傾向)を測
定した結果を示す。図中、縦軸は、ガラスを一定温度に
加熱保持し、結晶化による発熱を示差走査熱量計によっ
て測定することによって得られる結晶化開始時間を示
す。この結晶化開始時間は、一定温度において、ガラス
の結晶化が開始し、結晶の体積分率が10-6に達するの
に要する時間であり、この時間が長いほどガラスは結晶
化に対して安定である。なお、図2の結晶化時間は、ガ
ラスの粘度が105 poiseになる温度において測定
したものであり、この温度は、線引あるいは延伸工程に
使用される温度に対応している。図1および図2で明ら
かなように、コアガラスへのPbF2 の添加はガラスの
屈折率を上げるためには有効であるが、添加に伴いガラ
スの結晶化傾向が増加するという欠点があることがわか
る。このため、コアガラス中のPbF2 含有量はできる
だけ低く保つことが必要になる。
【0011】一方、光ファイバ増幅器(ファイバアン
プ)に使用する単一モードファイバの場合、前述のよう
にコアラガラス内の光強度を高くするために、4%に近
い比屈折率差が要求される。このため、クラッドガラス
の低屈折率化は不可欠である。表1〜表5に本発明に用
いる低屈折率のクラッドガラス組成を示す。なお、表中
の単位はmol%である。本発明では、ZrF4 のかわ
りにHfF4 を 、BaF2 のかわりにCaF2 を、N
aFまたはLiFのかわりにKFを、それぞれ用いるこ
とによって低屈折率化を図っている。特に、BaF2
かわりにCaF2を添加することは屈折率の低下に有効
であるが、Baイオンに比べてCaイオンの半径が小さ
いため、ガラスの安定性が損なわれる。このため、ガラ
ス構造として、Caイオン置換を補償する目的で、Na
よりもイオン半径の大きいK,Rb,Csイオン等を添
加し、これによりガラスの安定性を維持することができ
る。また、これらイオンのうち、Kイオンのみが屈折率
低下に有効であるので、ガラス組成全体としてKイオン
での補償がもっとも有効である。さらに、アルカリイオ
ンを混合することによってガラス転移温度を任意に変化
させることができ、結果としてコアガラスとの粘度整合
を取ることがでる。
【0012】表1〜表5のガラス組成のうち、50Hf
4 −15.7BaF2 −3.3CaF2 −2.5La
3 −2.0YF3 −4.5AlF3 −5.5NaF−
16.5KFの組成のガラスの屈折率は、nD =1.4
723となる。この組成のフッ化物系ガラスをクラッド
ガラスとした場合、比屈折率差3.7%を実現するため
に必要なコアガラス中のPbF2 含有量は6mol%と
なる。このかかるコアガラスは結晶化に対して安定であ
り、延伸、線引等の熱加工を繰り返しても結晶化が進行
しない。
【0013】これらのガラスを用い、かつコアガラスに
500ppmのPrをドープして単一モード光ファイバ
を作製した。かかる単一モード光ファイバのΔnは3.
7%、カットオフ波長は0.99μm、波長1.2μm
における損失は20dB/kmであった。ここで、この
単一モード光ファイバの損失特性を図3に示す。
【0014】この光ファイバ40mと発振波長1.01
7μmのレーザーダイオードを励起光源とを用いた光増
幅器について試験した。この光増幅器の励起光強度と内
部利得との関係を図4に示す。この結果、0.23dB
/mWの高い利得係数と、励起光パワー100mWで2
2dBという高利得を得られることがわかった。なお、
従来のZrF4 系フッ化物光ファイバを用いた光増幅器
での利得係数が0.20dB/mWで、励起光パワー1
00mWでの利得が19dBであるから、本発明の光増
幅用光ファイバは、増幅効率が改善されたことが明らか
である。
【0015】この結果は、クラッドガラスの低屈折率化
が図れたために得られたものであり、表に示したように
クラッド母相が、ZrF4 およびHfF4 よりなる群か
ら選ばれた少なくとも1種を40〜65mol%含有
し、CaF2 ,SrF2 およびBaF2 それぞれを、0
〜10mol%,0〜5mol%および9〜35mol
%で、かつCaF2 +SrF2 +BaF2 の合計で10
〜40mol%含有し、LaF3 ,GdF3 およびLu
3 それぞれを、0〜8mol%ずつ含有し、ScF3
およびYF3 それぞれを、0〜6mol%ずつ含有し、
LiF,NaF,KF,RbFおよびCsFそれぞれ
を、0〜25mol%,0〜25mol%,5〜30m
ol%,0〜25mol%,0〜25mol%で、かつ
LiF+NaF+KF+RbF+CsFの合計で0〜3
0mol%含有し、AlF3 を0〜6mol%含有し、
かつ全体の合計が100mol%よりなるフッ化物ガラ
スのいずれを用いても、30dB/km以下の損失の低
いファイバが作製でき、その結果、0.21dB/mW
の高い利得係数が実現できた。
【0016】表1〜表5に記載のクラッドガラス組成に
おいて、ZrF4 を含まないものは全て屈折率(nD
が1.48%以下であり、ZrF4 を含むものは1.5
以下という、コアに用いたガラスに比べ十分に低い屈折
率を有している。
【0017】また、本実施例で使用したコアガラスを用
い、表1〜表5に記載のクラッドガラスのいずれを用い
ても、30dB/km以下の損失の低いファイバが作製
でき、0.21dB/mW以上の利得係数が得られ、本
発明の組成がファイバアンプの高効率化に有効であるこ
とが明らかになった。
【0018】
【表1】
【0019】
【表2】
【0020】
【表3】
【0021】
【表4】
【0022】
【表5】
【0023】(実施例2)クラッドガラスとして48H
fF4 −19BaF2 −4CaF2 −2.5LaF3
2.0YF3 −4.5AlF3 −20KFを用い、コア
ガラスとして54.5ZrF4 −21.5BaF2 −6
PbF2 −3.5LaF3 −2YF3 −2.5InF3
−10CsFを用い、コアに500ppmのPrをドー
プしたコア径1.8μm、外径125μmの光ファイバ
を作製した。得られた単一モードファイバのΔnは3.
7%、カットオフ波長は0.99μm、損失は25dB
/km(波長1.2μm)であった。このファイバ40
mと発振波長1.017μmのレーザーダイオードから
なる励起光源とを用いた光増幅器で0.28dB/mW
の高い利得係数と、励起光パワー100mWで25dB
の高利得を得た。この結果が、実施例1に比べ高い利得
係数を示した理由は、コアガラスにAlF3 を使用して
いないため、14 レベルの傾向の長寿命化が実現され
た結果である。AlF3 はガラスの安定化に重要であ
り、使用しないとガラスの安定性が損なわれるが、フォ
ノンエネルギの大きいAlF3 を用いないことは、利得
係数の改善につながる。この点においても、コアのPb
2 添加量を少なく保つことが解決でき、結果として屈
折率の低いクラッドガラスを使用することはファイバア
ンプの特性改善に有効であることが明らかになった。
【0024】また、本実施例で使用したコアガラスを用
い、表1〜表5に記載のようにクラッドガラスのBaF
2 の一部をCaF2 で置換しても、KFをアルカリ成分
として用いることで、安定でかつ屈折率の低いガラスが
得られた。この結果、これらいずれのガラスを用いても
損失の低いファイバが作製できたが、特にCaF2 の増
加に伴い、屈折率が直線的に低下し、かつガラス転移温
度が上昇するため、CaF2 量が増加するとコアガラス
のPbF2 量を減少させることができる。PbF2 量の
減少に伴いコアガラスのガラス転移温度は上昇するた
め、クラッドガラスとの粘度整合が容易に実現でき、広
い組成範囲に渡り低損失ファイバの作製が可能となると
いう利点もある。これらクラッドガラスのいずれを用い
ても、30dB/km以下の損失の低いファイバが作製
でき、0.25dB/mW以上の利得係数が得られ、本
発明の組成がファイバアンプの高効率化に有効であるこ
とが明らかになった。
【0025】(実施例3)クラッドガラスとして10Z
rF4 −40HfF4 −16BaF2 −3CaF2 −
2.5LaF3 −2.0YF3 −4.5AlF3 −6N
aF−16KFを用い、コアガラスとして54.5Zr
4 −22.5BaF2 −5BaCl2 −3.5LaF
3 −2YF3 −2.5InF3 −10LiFを用いた。
コアに500 ppmのPrをドープしたコア径1.8
μm、外径125μmの光ファイバを作製した。得られ
た単一モードファイバのΔnは3.7%、カットオフ波
長は0.99μm、損失は28dB/km(波長1.2
μm)であった。また、このファイバを用いた光増幅器
で0.24dB/mWの高い利得係数を得た。
【0026】また、本実施例で使用したコアガラスを用
い、本実施例で使用したクラッドガラスのZrF4 /H
fF4 を変化させてもガラスの熱安定性は大きく低下せ
ず、ファイバ損失として30dB/km以下の損失の低
いファイバが作製でき、0.23dB/mW以上の利得
係数が得られ、本発明の組成がファイバアンプの高効率
化に有効であることが明らかになった。
【0027】(実施例4)クラッドガラスとして50H
fF4 −16BaF2 −3CaF2 −2.5GdF3
2.0YF3 −4.5AlF3 −5NaF−17KFを
用いて、コアガラスとして56ZrF4 −23BaF2
−5PbF2 −3.5LaF3 −2YF3−2.5Al
3 −7LiF(mol%)を用いた。コアに500p
pmのPrをドープしたコア径1.8μm、外径125
μmの光ファイバを作製した。得られた単一モードファ
イバのΔnは3.7%、カットオフ波長は0.99μ
m、損失は27dB/km(波長1.2μm)であっ
た。このファイバを用いた光増幅器で0.26dB/m
Wの高い利得係数を得た。
【0028】また、本実施例で使用したクラッドガラス
のGdF3 をLuF3 ,ScF3 に置換しても本実施例
のファイバと同様の特性を示し、本発明の組成がファイ
バアンプの高効率化に有効であることが明らかになっ
た。
【0029】(実施例5)クラッドガラスとして48H
fF4 −9BaF2 −10CaF2 −2.5LaF3
2.0YF3 −4.5AlF3 −18KF−3RbF−
3CsFを用い、コアガラスとして56ZrF4 −23
BaF2 −5PbF2 −3.5LaF3 −2YF3
2.5AlF3 −7LiF(mol%)を用いた。コア
に500ppmのPrをドープしたコア径1.8μm、
外径125μmの光ファイバを作製した。得られた単一
モードファイバのΔnは3.7%、カットオフ波長は
0.99μm、損失は22dB/km(波長1.2μ
m)であった。このファイバを用いた光増幅器で0.2
4dB/mWの高い利得係数を得た。
【0030】また、本実施例で使用したクラッドガラス
において、CaF2 の含有量がBaF2 の含有量よりも
多くなっているが、この場合でもイオン半径の大きいR
bあるいはCsを添加することによって、安定なガラス
が作製でき、0.23dB/mW以上の利得係数が得ら
れ、本発明の組成がファイバアンプの高効率化に有効で
あることが明らかになった。
【0031】(実施例6)クラッドガラスとして51H
fF4 −15BaF2 −3CaF2 −2.5LaF3
2.0YF3 −4.5AlF3 −4NaF−18KF
(mol%)を用い、コアガラスとして56ZrF4
23BaF2 −5PbF2 −3.5LaF3−2YF3
−2.5InF3 −7LiF(mol%)を用いた。コ
アに500ppmのPrをドープしたコア径1.8μ
m、外径125μmの光ファイバを作製した。得られた
単一モードファイバのΔnは3.7%、カットオフ波長
は0.99μm、損失は28dB/km(波長1.2μ
m)であった。このファイバを用いた光増幅器で0.2
6dB/mWの高い利得係数を得た。
【0032】また、本実施例で使用したクラッドガラス
のように、(ZrF4 +HfF4 )/(BaF2 +Ca
2 )=2.3から4.0の範囲では安定なガラスが作
製できる。したがって、30dB/km以下の損失の低
いファイバが作製でき、0.25dB/mW以上の利得
係数が得られた。
【0033】(実施例7)クラッドガラスとして50H
fF4 −15.7BaF2 −3.3CaF2 −2.5L
aF3 −2.0YF3 −4.5AlF3 −5.5NaF
−16.5KFを用い、コアガラスとして56ZrF4
−23BaF2 −5PbF2 −3.5LaF3 −2YF
3 −2.5InF3 −7LiF(mol%)を用いた。
コアにPrのかわりにPr,Yb,Nd,Ho,Er,
Tmをドープしたコア径1.8μm、外径125μmの
光ファイバを作製した。得られた単一モードファイバの
Δnは3.7%、カットオフ波長は0.99μm、損失
はいずれの添加イオンに対しても30dB/km(波長
1.2μm)以下であった。
【0034】本発明で添加した希土類イオンは通信波長
を中心とした広い波長領域で光増幅機能を有し、本発明
のガラスを用いることによって、損失の低いファイバが
作製できるため、光通信に有用な増幅器の作製が可能と
なる。
【0035】
【発明の効果】以上の実施例に示したように、本発明に
よれば光ファイバの低損失化が実現でき、結果として光
ファイバ増幅器の利得係数が向上し、実用化にとって必
須である半導体レーザ励起による光増幅器を容易に構成
することができる。したがって、Pr,Nd,Er等の
発光イオンをドープすることにより種々波長において光
増幅の高効率化が可能になることから光通信システムの
低コスト化および高性能化が図れるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1において、コアガラスの屈折
率のPbF2 含有量依存性を示す図である。
【図2】本発明の実施例1のコアガラスの結晶化特性の
PbF2 含有量依存性を示す図である。
【図3】本発明の実施例1で得られた光ファイバの損失
特性を示す図である。
【図4】図3のファイバを用いて作製した光ファイバ増
幅器の利得特性を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01S 3/17 H01S 3/17 (72)発明者 大石 泰丈 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 森 淳 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 西田 好毅 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 須藤 昭一 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−232489(JP,A) 特開 平6−122532(JP,A) 特開 平6−166537(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C03C 13/04 C03C 3/32 G02B 6/00 376 H01S 3/07 H01S 3/10 H01S 3/17

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 フッ化物系ガラスからなるコアおよびク
    ラッドを有し、前記コアを形成するコアガラスが発光イ
    オンを含むフッ化物系ガラスである光増幅用光ファイバ
    において、前記コアガラスに含有されるPbF2 が25
    mol%以下であり、かつ前記クラッドを形成するクラ
    ッドガラスにKFおよびCaF2 の少なくとも一方が含
    有されることを特徴とする光増幅用光ファイバ。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記クラッドガラス
    は、ZrF4 およびHfF4 の少なくとも1種を40〜
    65mol%含有し、CaF2 ,SrF2 およびBaF
    2 のそれぞれを、0〜10mol%,0〜5mol%お
    よび9〜35mol%で、かつ3つの合計で10〜40
    mol%含有し、LaF3 ,GdF3およびLuF3
    それぞれを0〜8mol%ずつ含有し、ScF3 および
    YF3のそれぞれを0〜6mol%ずつ含有し、Li
    F,NaF,KF,RbFおよびCsFのそれぞれを、
    0〜25mol%,0〜25mol%,5〜30mol
    %,0〜25mol%および0〜25mol%で、かつ
    5つの合計で5〜30mol%含有し、AlF3 を0〜
    6mol%含有し、かつ全ての合計が100mol%と
    なるフッ化物ガラスよりなることを特徴とする光増幅用
    光ファイバ。
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