JP4314468B2 - 光増幅ガラスおよび光導波路 - Google Patents

Description

本発明は波長が１５３０〜１６３０ｎｍ、典型的にはＣバンドの光の増幅に好適な光増幅ガラスおよび光導波路に関する。

Ｃバンドの光（波長：１５３０〜１５６５ｎｍ）を信号光とする波長多重（ＷＤＭ）光通信方式においてはこの光を増幅する増幅器（典型的には光ファイバ増幅器）が必須である。
光ファイバ増幅器においてはＥｒ添加石英系光ファイバが従来用いられているがその長さは通常２０ｍ以上となり、これを増幅器容器の中に収容するためにはボビン状に巻かなければならない問題があった。

このような問題を解決するべく、Ｃバンドの光をたとえば８ｃｍ以下の長さで増幅できるガラスとして、モル％でＢｉ_２Ｏ_３ ４２．７％、ＳｉＯ_２ ３１．４％、Ｇａ_２Ｏ_３ １７．８％、Ｌａ_２Ｏ_３ ４．３％、Ａｌ_２Ｏ_３ ３．６％、ＣｅＯ_２ ０．２％、からなるマトリクスガラス１００質量部に１．２２質量部の割合でＥｒが添加されているＢｉ_２Ｏ_３系ガラスが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−１８３０４９号公報（表１）

先に述べたようなＢｉ_２Ｏ_３系ガラスは通常溶融法で作製され、これをコアとする光ファイバが作製される。しかし、空気中で溶融して作製されたＢｉ_２Ｏ_３系ガラス中の水分量は溶融時の条件によって変動し、その結果ロットによって光増幅利得が変動する問題があった。
本発明はこのような利得のロット変動が起こりにくい光増幅ガラスおよび光導波路の提供を目的とする。

本発明は、酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ _２ Ｏ _３ ２９〜５０％、Ｂ _２ Ｏ _３ ２〜１０％、ＳｉＯ _２ １５〜５０％、Ａｌ _２ Ｏ _３ ＋Ｇａ _２ Ｏ _３ ＋Ｉｎ _２ Ｏ _３ ８〜３０％、Ｌａ _２ Ｏ _３ １〜１０％、ＣｅＯ _２ ０〜２％、Ｅｒ _２ Ｏ _３ ０．１〜２．９％から本質的になる光増幅ガラスを提供する。
また、前記光増幅ガラスをコアとする光導波路を提供する。
本発明者はガラス中にＢ_２Ｏ_３を特定量含有させることによりガラス中の水分量の変動があっても光増幅利得変動を小さくできることを見出し本発明に至った。

ガラス中の水分量が変動しても光増幅利得の変動が起こりにくい光増幅ガラスおよび光導波路が得られる。

本発明の光増幅ガラス（以下、本発明のガラスという。）は通常、コア／クラッド構造の光導波路、たとえば同構造のガラスファイバまたは同構造の平面導波路のコアとして使用される。なお、このような光導波路は本発明の光導波路である。
本発明の光導波路は、１５３０〜１６３０ｎｍの波長の光、特にＣバンドの光を短い長さで増幅するのに好適である。
この増幅は、増幅されるべき光（信号光）とともに励起光をコアに入射することによって行われ、前記励起光としては通常、波長が９７０〜９９０ｎｍまたは１４７０〜１４９０ｎｍのレーザー光が使用される。通常、Ｃバンドの光の増幅には波長が９７０〜９９０ｎｍの励起光が使用されるがこれに限定されない。

本発明のガラスをコアとする光ファイバ（以下、本発明の光ファイバという。）におけるコア径、クラッド径はそれぞれ典型的には２〜１０μｍ、１００〜２００μｍである。
本発明の光ファイバをボビン状に巻かずに光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）に使用する場合、その長さは８ｃｍ以下であることが好ましい。より好ましくは６ｃｍ以下、特に好ましくは５ｃｍ以下である。

本発明の光ファイバにおいてクラッドの屈折率ｎ_２とコアすなわち本発明のガラスの屈折率ｎ_１とは次式を満足することが好ましい。なお、ｎ_１は典型的には１．８〜２．２である。
０．０００５≦（ｎ_１−ｎ_２）／ｎ_１≦０．１
また、前記クラッドはガラスからなることが好ましく、たとえば、下記酸化物基準のモル％表示で本質的に、Ｂｉ_２Ｏ_３ ２９〜５０％、Ｂ_２Ｏ_３ ２〜１０％、ＳｉＯ_２ １５〜５０％、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３＋Ｉｎ_２Ｏ_３ ８〜３０％、Ｌａ_２Ｏ_３ １〜１０％、ＣｅＯ_２ ０〜２％、からなるガラスが挙げられる。
本発明の光ファイバはたとえば、クラッドガラスと本発明のガラスからなるコアガラスとを複合化したプリフォームを周知の押出し成形法によって作製し、このプリフォームを延伸して作製される。

本発明のガラスのガラス転移点Ｔ_ｇは３６０℃以上であることが好ましい。Ｔ_ｇが３６０℃未満では、励起光として強度の大きいレーザー光を使用したときにガラスの温度が局所的に高くなって熱的に損傷し、その結果伝搬損失が増加して光増幅が不充分となるおそれがある。より好ましくは４００℃以上、特に好ましくは４２０℃以上である。

次に、本発明のガラスの成分について説明する。なお、各成分の含有量はモル％を単に％として表示する。
Ｅｒ_２Ｏ_３は光学活性成分（Ｅｒイオンは光学活性イオン）であり必須である。０．１％未満では充分な利得が得られない。好ましくは０．３％以上である。４．５％超ではガラス化が困難になる、または濃度消光のためにかえって利得が低下する。好ましくは２．９％以下、より好ましくは２％以下である。

本発明のガラスを、ボビン状に巻かずにＥＤＦＡに使用される光ファイバ（その長さは典型的には８ｃｍ以下）に使用する場合、または光増幅に使用されるコンパクトな平面導波路（その大きさは典型的には８ｃｍ以下）に使用する場合Ｅｒ_２Ｏ_３含有量は、好ましくは０．５％以上、より好ましくは１％以上であり、また、典型的には３％以下である。
本発明のガラスを、Ｌバンドを含む波長帯の光の増幅に用いる場合、Ｅｒ_２Ｏ_３含有量は０．１〜１％であることが好ましい。より好ましくは０．２％以上、特に好ましくは０．４％以上である。また、より好ましくは０．７％以下、特に好ましくは０．６％以下である。

Ｂｉ_２Ｏ_３は必須成分である。その含有量が２０％未満では利得が得られる波長幅Δλが小さい、屈折率が小さすぎるために所望の利得が得られない、または溶解温度が高くなりすぎてガラス融液中に金属ビスマスが析出するおそれがある。好ましくは２９％以上である。８０％超では、ガラス化が困難になる、ファイバ加工時に結晶が析出する、またはＴ_ｇが低くなりすぎる。好ましくは７０％以下、より好ましくは６０％以下、特に好ましくは５０％以下である。

Ｌａ_２Ｏ _３ はＥｒイオンの濃度消光を起こりにくくするための成分または利得を増大させるための成分であり、必須である。０．１％未満では濃度消光が起こりやすくなる、または利得が小さくなる。好ましくは０．５％以上である。１５％超ではガラス化が困難になる、またはファイバ加工時に結晶が析出しやすくなる。好ましくは１２％以下、より好ましくは１０％以下である。

本発明のガラスを、ボビン状に巻かずにＥＤＦＡに使用される光ファイバに使用する前述の場合、および光増幅に使用されるコンパクトな平面導波路に使用する前述の場合、Ｅｒ_２Ｏ_３の添加割合が典型的には１％以上と高くなるので、Ｅｒによる濃度消光を抑制するためにＬａ_２Ｏ_３は１％以上とすることが好ましい。

Ｂ_２Ｏ_３はガラス中の水分量によって光増幅利得が変動するのを抑制する成分であり、必須である。１％未満ではそのような抑制効果が小さくなる。好ましくは２％以上、より好ましくは３％以上である。１５％超では利得または耐水性が低下するおそれがある。好ましくは１０％以下、より好ましくは８％以下である。

本発明のガラスは酸化物基準で、Ｂｉ_２Ｏ_３ ２９〜５０％、Ｂ_２Ｏ_３ ２〜１０％、ＳｉＯ_２ １５〜５０％、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３＋Ｉｎ_２Ｏ_３ ８〜３０％、Ｌａ_２Ｏ_３ １〜１０％、ＣｅＯ_２ ０〜２％、Ｅｒ_２Ｏ_３ ０．１〜２．９％、から本質的になる。

ＳｉＯ_２はネットワークフォーマであり、ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にする成分である。本発明のガラスにおいては、ＳｉＯ_２は必須でありその含有量は１５〜５０％であり、さらにその含有量が２０〜４５％であることがより好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３、Ｇａ_２Ｏ_３およびＩｎ_２Ｏ_３はガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にする成分、またはファイバ加工時の結晶析出を抑制する成分である。本発明のガラスにおいてはこれらのいずれか１種以上を含有しなければならず、それらの含有量合計は８〜３０％であり、さらにその含有量が１５〜２７％であることがより好ましい。また、同態様においては、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３は１５〜２５％、Ａｌ_２Ｏ_３は２〜１０％、Ｇａ_２Ｏ_３は１０〜２０％、であることが好ましい。

ＣｅＯ_２は、Ｂｉ_２Ｏ_３がガラス融液中で金属ビスマスとなって析出しガラスの透過率を低下させるのを防止する成分である。本発明のガラスにおいてＣｅＯ_２は必須ではないが、ＣｅＯ_２を含有する場合その含有量は０〜２％であり、さらにその含有量が０．１〜０．５％であることが好ましい。なお、透過率を高めたい場合はＣｅＯ_２を含有しないことが好ましい。

態様Ａのガラスは本質的に上記成分からなるがそれ以外の成分を含有してもよい。その場合そのような成分の含有量の合計は、好ましくは３０％以下、より好ましくは２０％以下、特に好ましくは１０％以下である。
前記それ以外の成分としては以下のような成分が例示される。

ＷＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５およびＴｅＯ_２はΔλを大きくする成分である。
ＧｅＯ_２はガラス形成を容易にする成分または屈折率を高くする成分である。
ＴｉＯ_２およびＳｎＯ_２はファイバ加工時の結晶析出を抑制する成分である。
その他、ガラス形成を容易にする成分またはファイバ加工時の結晶析出を抑制する成分として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＰｂＯ等が挙げられる。

本発明のガラスの製造方法については特に制限はなく、たとえば、原料を調合して混合し、金ルツボ、アルミナルツボ、石英ルツボやイリジウムルツボ中に入れ、８００〜１３００℃で空気中で溶解し、得られた融液を所定のモールドにキャストする溶融法によって製造できる。また、ゾルゲル法や気相蒸着法などの溶融法以外の方法で製造してもよい。

表１にモル％表示で示す組成のガラスを、１１５０℃で溶解する溶融法により作製した。例１は本発明のガラスの実施例、例２は比較例、例１ｃ、２ｃはいずれもクラッド用ガラスである。
これらガラスについて、ガラス転移点Ｔ_ｇ（単位：℃）を示差熱分析（ＤＴＡ）により、波長１．５５μｍにおける屈折率ｎをプリズムカプラによりそれぞれ測定した。結果を表１に示す。

例１、２のガラスをそれぞれ３ロット作製し、各ロットのガラスのα_ＯＨ（単位：ｃｍ^−１）を測定したところ、例１のガラスは、０、０．５、３．０ｃｍ^−１、例２のガラスは、０．４５、０．６２、２．１３ｃｍ^−１であった。なお、α_ＯＨはガラス中の水分に起因する吸収バンド（典型的には波長が２７００〜３５００ｎｍの領域に存在）のピークにおける吸収係数であり、ガラス中の水分量に比例する。

例１の各ロットのガラスをコア、例１ｃのガラスをクラッドとするプリフォームを周知の押出し成形法によって作製し、得られたプリフォームを延伸して、コア径が４μｍ、クラッド径が１２４μｍ、長さが５ｃｍである光ファイバ１を得た（３ロット）。同様にして例２の各ロットのガラスをコア、例２ｃのガラスをクラッドとする光ファイバ２を得た（３ロット）。

光ファイバ１、２に、波長９８０ｎｍ、強度３００ｍＷのレーザー光（励起光）と波長が１５６０ｎｍの信号光（強度＝１ｍＷ）とを入射して利得Ｇ（単位：ｄＢ）を測定した。各光ファイバのＧをコアガラスのα_ＯＨと対応させる形で表２に示す。
Ｇは信号光の光ファイバへの入射強度Ｉ_ｉｎと光ファイバからの出射強度Ｉ_ｏｕｔとから次式によって算出される。
Ｇ＝１０×ｌｏｇ（（Ｉ_ｏｕｔ−Ｉ_ｉｎ）／Ｉ_ｉｎ）
Ｇはα_ＯＨが３ｃｍ^−１においても７ｄＢ以上であることが好ましい。

表２の｜ΔＧ｜／Δα_ＯＨ（単位：ｄＢ／ｃｍ^−１）の欄には、隣り合うα_ＯＨの差Δα_ＯＨによってそれらに対応するＧの差の絶対値｜ΔＧ｜値を除して得た値を示し、平均の欄にはそれらの平均値を示す。
｜ΔＧ｜／Δα_ＯＨは、ロットによってコアガラス水分量が変動したときの利得の変動しやすさを示す量であり、α_ＯＨが０．５ｃｍ^−１以上の範囲において１．０ｄＢ／ｃｍ^−１以下であることが好ましく、α_ＯＨが０．６ｃｍ^−１以上の範囲において０．５ｄＢ／ｃｍ^−１以下であることがより好ましい。

Claims (2)

1. 酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ_２Ｏ_３ ２９〜５０％、Ｂ_２Ｏ_３ ２〜１０％、ＳｉＯ_２ １５〜５０％、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３＋Ｉｎ_２Ｏ_３ ８〜３０％、Ｌａ_２Ｏ_３ １〜１０％、ＣｅＯ_２ ０〜２％、Ｅｒ_２Ｏ_３ ０．１〜２．９％、から本質的になる光増幅ガラス。
2. 請求項１に記載の光増幅ガラスをコアとする光導波路。