JP4348987B2

JP4348987B2 - Optical amplification glass and optical waveguide

Info

Publication number: JP4348987B2
Application number: JP2003106514A
Authority: JP
Inventors: 英明林; 直樹杉本; 盛輝大原; 克弘落合; 寧司深澤; 達雄長嶋
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2023-04-10
Also published as: JP2004307306A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長が１５３０〜１５６５ｎｍ（Ｃバンド）、１５６５〜１６２５ｎｍ（Ｌバンド）等の光の増幅に好適な光増幅ガラスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信サービスの多様化または高速化の要請に対応できる光通信方式として、波長多重のチャンネル数を増加させて伝送容量の増大を図る波長分割多重方式（ＷＤＭ）が提案されている。
【０００３】
伝送用シリカファイバの低損失領域であるＣバンド、Ｌバンド、Ｓバンド（波長：１４６０〜１５３０ｎｍ）等の光を信号光とするＷＤＭにおいてはこれら信号光を増幅する光ファイバ増幅器が必須である。
【０００４】
ＣバンドからＬバンドの光の増幅器として光ファイバのコアがＥｒ添加ガラスである光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が、またＳバンド用増幅器として光ファイバのコアがＴｍ添加ガラスである光ファイバ増幅器（ＴＤＦＡ）の開発が行われている。
【０００５】
ＥＤＦＡ、ＴＤＦＡ等に好適な光増幅ガラスとして、従来は石英系ガラスをベースとしたものが多く提案されていたが、近年、ファイバ長が短くとも所望の特性が得られるＢｉ_２Ｏ_３系ガラスをベースとしたものが提案されている（たとえば特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１０２６６１号公報（第１〜４頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来知られているＢｉ_２Ｏ_３系ガラスをベースとした光増幅ガラスは光学活性イオンとしてＥｒイオンまたはＴｍイオンを含有するが、ＥｒまたはＴｍがクラスタリングを起こし、励起された光子の熱的緩和（無輻射緩和）確率が高くなることがあった。
【０００８】
本発明者はこの問題を解決するために特願２００２−２５１１２９号においてＥｒ含有Ｂｉ_２Ｏ_３系光増幅ガラスにＬａ_２Ｏ_３を添加することを提案した。
【０００９】
しかし、Ｌａ_２Ｏ_３添加Ｅｒ含有Ｂｉ_２Ｏ_３系光増幅ガラスにおいてその利得を高くすべくＢ_２Ｏ_３含有量を低減させると伝搬損失が高くなることがあった。
本発明はこのような問題を解決できる、Ｂｉ_２Ｏ_３系ガラスをベースとしＬａ_２Ｏ_３を含有する光増幅ガラスおよび光導波路の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、下記酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ_２Ｏ_３４〜８０％、ＳｉＯ_２４〜６０％、Ｉｎ_２Ｏ_３０．１〜２０％、Ｙ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋Ｇｄ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３０．１〜１５％、Ｅｒ_２Ｏ_３＋Ｔｍ_２Ｏ_３０．０５〜５％、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３０〜４５モル％、Ｂ_２Ｏ_３０〜５％、ＣｅＯ_２０〜２％、から本質的になる光増幅ガラスを提供する。
また、Ｂｉ _２Ｏ _３が２９〜５０％、ＳｉＯ _２が２４〜４０％、Ｉｎ _２Ｏ _３が１〜１０％、Ｌａ _２Ｏ _３が０．５〜１０％、Ｙ _２Ｏ _３＋Ｇｄ _２Ｏ _３＋Ｙｂ _２Ｏ _３が０〜３％、Ｅｒ _２Ｏ _３＋Ｔｍ _２Ｏ _３が０．１〜１％、Ａｌ _２Ｏ _３が１〜５％、Ｇａ _２Ｏ _３が９〜２０％、ＣｅＯ _２が０〜０．５％、である前記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。
【００１１】
本発明者は、Ｌａ_２Ｏ_３を添加したＥｒ含有Ｂｉ_２Ｏ_３系光増幅ガラスであってＢ_２Ｏ_３を含有しないガラス（後記例３のガラス）をコアとする光ファイバ（コア径：５μｍ、クラッド径：１２５μｍ）を複数本作製し、そのうちの１本について波長が９８０ｎｍまたは１４８０ｎｍである光で励起しそのコア内を伝搬する光をＩＲビューワを用いて観察した。
【００１２】
その結果、その光ファイバには１ｃｍあたり１〜２個程度の輝点（散乱点）が認められた。この散乱点はファイバ加工（ファイバの線引き）時に析出した結晶と考えられる。なお、この光ファイバの伝搬損失は測定しなかったがきわめて大きいものであったと推定される。すなわち、ニアフィールドパターンを観察したところ光の大部分がクラッドモードに洩れていた。
このことから、前記結晶の析出を抑制することによりこの結晶に起因する伝搬損失を低減できると考え、本発明に至った。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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。
【００１４】
本発明の光導波路を波長が１５３０〜１６３０ｎｍの光の増幅等に用いる場合、そのコアは本発明のガラスであってＥｒ_２Ｏ_３を含有するものであることが好ましい。この態様は、短い長さで光を増幅したい場合に特に好適である。
【００１５】
本発明の光導波路をＳバンドの光の増幅等に用いる場合、そのコアは本発明のガラスであってＴｍ_２Ｏ_３を含有するものであることが好ましい。この態様は、短い長さで光を広帯域増幅したい場合に特に好適である。
【００１６】
光の増幅は通常、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、波長が９７０〜９９０ｎｍ、１４７０〜１４９０ｎｍ、１０４０〜１０６０ｎｍまたは１４００〜１４２０ｎｍのレーザー光等が使用される。典型的には、Ｃバンドの光の増幅には波長が９７０〜９９０ｎｍの励起光が、Ｌバンドの光の増幅には波長が１４７０〜１４９０ｎｍの励起光が、Ｓバンドの光の増幅には１０４０〜１０６０ｎｍまたは１４００〜１４２０ｎｍの励起光がそれぞれ使用される。
【００１７】
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。
【００１８】
本発明の光ファイバをボビン状に巻かずに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。
【００１９】
本発明の光ファイバのクラッドの屈折率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。
【００２０】
また、前記クラッドはガラスからなることが好ましく、該ガラスはモル％表示で本質的に、Ｂｉ_２Ｏ_３５〜８０％、Ｂ_２Ｏ_３＋ＳｉＯ_２５〜７５％、Ｉｎ_２Ｏ_３０．１〜２０％、Ｙ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋Ｇｄ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３０．１〜１５％、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３０．１〜４５％、ＣｅＯ_２０．０１〜２％、からなることがより好ましい。なお、当該より好ましいガラスは本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。
【００２１】
本発明の光ファイバは、たとえばコアガラスとクラッドガラス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。
【００２２】
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４５０℃以上、特に好ましくは４８０℃以上である。
【００２３】
次に、本発明のガラスにおけるガラスの組成についてモル％を単に％と表示して説明する。
Ｂｉ_２Ｏ_３は必須成分である。その含有量が４％未満では利得が得られる波長幅Δλが小さい、または屈折率が小さすぎるために所望の利得が得られない。好ましくは９％以上、より好ましくは１９％以上、特に好ましくは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。
【００２４】
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ための必須成分である。４％未満では、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する。より好ましくは９％以上、さらに好ましくは１４％以上、特に好ましくは１９％以上、最も好ましくは２４％以上である。６０％超では利得が低下する。より好ましくは５０％以下、特に好ましくは４５％以下、最も好ましくは４０％以下である。
【００２５】
Ｉｎ_２Ｏ_３はファイバ加工時の結晶析出を抑制し伝搬損失を低下させるための必須成分である。また、Ｉｎ_２Ｏ_３はガラス形成を容易にする効果を有することがある。０．１％未満ではファイバ加工時の結晶析出抑制効果が小さい。好ましくは１％以上である。２０％超ではガラス化がかえって困難になる、またはファイバ加工時にかえって結晶が析出しやすくなる。好ましくは１５％以下、より好ましくは１０％以下である。
【００２６】
Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３およびＹｂ_２Ｏ_３は濃度消光を起こりにくくする効果または利得を増大させる効果を有し、これら４成分のうちの１種以上を含有しなければならない。これら４成分の含有量の合計Ｙ_２Ｏ_３＋Ｌａ_２Ｏ_３＋Ｇｄ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３が０．１％未満では前記効果が小さい。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。
【００２７】
前記４成分のうち少なくともＬａ_２Ｏ_３を含有することが好ましい。
この好ましい態様においては、Ｌａ_２Ｏ_３含有量は０．５〜１０％、Ｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３およびＹｂ_２Ｏ_３の含有量の合計Ｙ_２Ｏ_３＋Ｇｄ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３は０〜３％であることがより好ましい。ここで、Ｙ_２Ｏ_３＋Ｇｄ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３が０〜３％であるとは、Ｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３およびＹｂ_２Ｏ_３はいずれも含有しなくてもよいし、これらのいずれかを含有する場合はそれらの含有量の合計は３％以下である、の意である。
【００２８】
Ｅｒ_２Ｏ_３およびＴｍ_２Ｏ_３は光増幅のための成分であり、いずれか１種以上を含有しなければならない。これらの含有量の合計Ｅｒ_２Ｏ_３＋Ｔｍ_２Ｏ_３が０．０５％未満では充分な利得が得られない。好ましくは０．１％以上、より好ましくは０．２％以上である。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３％以下、より好ましくは２％以下である。
【００２９】
波長が１５３０〜１６３０ｎｍの光を増幅する等の場合にはＥｒ_２Ｏ_３のみを含有し、Ｔｍ_２Ｏ_３はＥｒイオンに起因する所望の遷移を阻害するおそれがあるので含有しないことが好ましい。この場合、Ｅｒ_２Ｏ_３は０．４〜０．６％であることがより好ましい。
【００３０】
Ｓバンドの光を増幅する等の場合にはＴｍ_２Ｏ_３のみを含有し、Ｅｒ_２Ｏ_３はＴｍイオンに起因する所望の遷移を阻害するおそれがあるので含有しないことが好ましい。
【００３１】
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ＥＤＦＡ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０．５〜３％である。より好ましくは１％以上である。また、これらの場合においてＬａ_２Ｏ_３を含有するときはその含有量は２．５％以上であることが好ましい。
【００３２】
Ｌａ_２Ｏ_３を含有する場合、Ｌａ_２Ｏ_３含有量／Ｅｒ_２Ｏ_３含有量は１．０以上であることが好ましい。１．０未満では濃度消光抑制効果または利得を増大させる効果が小さい。
【００３３】
Ａｌ_２Ｏ_３およびＧａ_２Ｏ_３はいずれも必須ではないが、ガラス形成を容易にするため、またはファイバ加工時の結晶析出を抑制するために、いずれか一方または両者をこれらの含有量の合計Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３が４５％以下の範囲で含有してもよい。４５％超ではガラス化が困難になる、またはＴ_ｇが低くなるおそれがある。より好ましくは３０％以下、特に好ましくは２５％以下である。また、Ａｌ_２Ｏ_３およびＧａ_２Ｏ_３の少なくともいずれか一方を含有する場合、Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｇａ_２Ｏ_３は好ましくは３％以上、より好ましくは８％以上、特に好ましくは１１％以上である。
【００３４】
Ａｌ_２Ｏ_３を含有する場合その含有量は０．１〜１０％であることが好ましい。０．１％未満ではＡｌ_２Ｏ_３含有効果が小さいおそれがある。より好ましくは１％以上、特に好ましくは２％以上である。１０％超ではガラス形成が困難になるおそれがある。より好ましくは９％以下、さらに好ましくは８％以下、特に好ましくは７％以下、最も好ましくは５％以下である。
【００３５】
Ｇａ_２Ｏ_３は前記効果の他にΔλを大きくする効果を有することがある。Δλをより大きくしたい、等の場合にはＧａ_２Ｏ_３を含有することが好ましい。
Ｇａ_２Ｏ_３を含有する場合その含有量は１〜３０％であることが好ましい。１％未満ではＧａ_２Ｏ_３含有効果が小さいおそれがある。より好ましくは５％以上、特に好ましくは９％以上である。３０％超ではガラス形成が困難になるおそれがある。より好ましくは２０％以下である。
【００３６】
Ｂ_２Ｏ_３は必須ではないが、ガラス形成を容易にするために５％まで含有してもよい。５％超では耐水性または利得が低下するおそれがある。耐水性をより向上させたい、利得をより高めたい、等の場合にはＢ_２Ｏ_３を含有しないことが好ましい。
【００３７】
ＣｅＯ_２は必須ではないが、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ために、２％まで含有してもよい。２％超ではガラスの黄色またはオレンジ色の着色が顕著になり透過率がかえって低下する。好ましくは１％以下、より好ましくは０．５％以下である。ガラスの黄色またはオレンジ色の着色による透過率低下を避けたい場合はＣｅＯ_２を含有しないことが好ましい。なお、ＣｅＯ_２を含有する場合その含有量は０．０５％以上であることが好ましい。
【００３８】
本発明のガラスは本質的に上記成分からなるが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を含有してもよい。この場合当該その他の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１５％以下、特に好ましくは１０％以下である。
【００３９】
前記その他の成分としては以下のようなものが例示される。
Δλを大きくしたい等の場合には、ＷＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５またはＴｅＯ_２をそれぞれ３０％まで含有してもよい。３０％超では利得が低下するおそれがある。より好ましくはそれぞれ１０％以下である。ＷＯ_３、Ｔａ_２Ｏ_５またはＴｅＯ_２を含有する場合その含有成分の各含有量は、好ましくは１％以上、より好ましくは３％以上である。
【００４０】
屈折率を高くするため、またはガラス形成を容易にするために、ＧｅＯ_２を３０％まで含有してもよい。３０％超ではガラス形成がかえって困難になるおそれがある。好ましくは５％以下である。ＧｅＯ_２を含有する場合その含有量は１％以上であることが好ましい。
【００４１】
ファイバ加工時の結晶析出をより抑制したい等の場合には、ＴｉＯ_２またはＳｎＯ_２をそれぞれ３０％まで含有してもよい。３０％超ではガラス形成が困難になるおそれがある。好ましくはそれぞれ１０％以下である。
【００４２】
ファイバ加工時の結晶析出を抑制する成分、またはガラス形成を容易にする成分として、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、Ｎａ_２Ｏ、Ｋ_２Ｏ、ＺｒＯ_２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＰｂＯ、Ｓｂ_２Ｏ_３等も挙げることができる。
【００４３】
本発明のガラスにおいては、Ｂｉ_２Ｏ_３が２９〜５０％、ＳｉＯ_２が２４〜４０％、Ｉｎ_２Ｏ_３が１〜１０％、Ｌａ_２Ｏ_３が０．５〜１０％、Ｙ_２Ｏ_３＋Ｇｄ_２Ｏ_３＋Ｙｂ_２Ｏ_３が０〜３％、Ｅｒ_２Ｏ_３＋Ｔｍ_２Ｏ_３が０．１〜１％、Ａｌ_２Ｏ_３が１〜５％、Ｇａ_２Ｏ_３が９〜２０％、ＣｅＯ_２が０〜０．５％、であることが好ましい。
【００４４】
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、溶融法以外の方法、たとえばゾルゲル法や気相蒸着法などの方法で製造してもよい。
【００４５】
【実施例】
表１のＢｉ_２Ｏ_３からＣｅＯ_２までの欄にモル％表示で示す組成のガラスを１２００℃で溶解する溶融法を用いて作製した。得られたガラスのガラス転移点Ｔ_ｇ（単位：℃）、線引き温度（単位：℃）、波長１５５０ｎｍの光に対する屈折率ｎを同表に示す。例１は実施例、例２、３は比較例である。
【００４６】
線引き温度は粘度が１０^５．５Ｐａ・ｓである温度であり、ここでは次のようにしてその値を推定した。すなわち、温度−粘度曲線が例１〜３のガラスと似ていると考えられるガラス（モル％表示組成：Ｂｉ_２Ｏ_３４２．６％、ＳｉＯ_２３５．５％、Ｅｒ_２Ｏ_３０．５％、Ａｌ_２Ｏ_３３．５％、Ｇａ_２Ｏ_３１７．７％、ＣｅＯ_２０．２％）の温度−粘度曲線を測定した結果、Ｔ_ｇ＝４８５℃、線引き温度＝５９０℃であった（Ｔ_ｇはＤＴＡにより、線引き温度は平行板測定法によりそれぞれ求めた）。例１〜３においてもＴ_ｇと線引き温度の差は１０５℃（＝５９０℃−４８５℃）であるとして例１〜３のガラスの線引き温度を推定した。
【００４７】
【表１】

【００４８】
例１〜３のガラスを粉末にし、線引き温度付近におけるＴ．Ｔ．Ｔ線図（時間温度変態線図）を求めるべく、示差熱分析（ＤＴＡ）および示差走査型熱量計（ＤＳＣ）を用いてこれら粉末の結晶化開始温度Θ（単位：℃）と結晶化開始時間ｔ_Ｃ（単位：秒）の関係を調べた。結果を表２に示す。なお、ｔ_Ｃが６秒のデータはＤＴＡ（昇温速度＝１０℃／秒）により、６０秒のデータはＤＴＡ（昇温速度＝１℃／秒）により、その他のデータはＤＳＣにより求めた。
【００４９】
横軸をｔ_Ｃ、縦軸をΘとして得られたデータをプロットし、これらを滑らかな曲線で結んで例１〜３のそれぞれのガラスについてＴ．Ｔ．Ｔ線図を作成した。
【００５０】
【表２】

【００５１】
本発明者は、例１〜３のガラスをコアガラスとし、このコアガラスとそれぞれに対して適切に選ばれたクラッドガラスとを用いて周知の押出し成形法によってプリフォームを作製し、これをファイバ加工して光ファイバを作製する場合において、伝搬損失をもたらすような結晶析出が起こりにくいか起こりやすいかを次のようにして評価した。
【００５２】
すなわち、前記Ｔ．Ｔ．Ｔ線図から各線引き温度におけるｔ_Ｃを求めこれをｔ_Ｃ０とし、ｔ_Ｃ０が２４０秒以上の場合には前記結晶析出は起こりにくく、ｔ_Ｃ０が２４０秒より小さい場合には前記結晶析出は起こりやすい、と評価した。
例１、２、３のｔ_Ｃ０はそれぞれ１１０００秒、１６０秒、１１秒であった。すなわち、例１はファイバ加工時の結晶析出は起こりにくいと考えられるが、例２、３においてはファイバ加工時の結晶析出は起こりやすいと考えられる。
【００５３】
なお、前記評価において２４０秒を基準として用いたのは以下に述べる理由による。すなわち、本発明の光ファイバの最も典型的なコア径、クラッド径はそれぞれ４〜５μｍ、１２５μｍであるが、プリフォームをファイバ加工する場合のプリフォーム変形領域滞在時間は２４０秒であった。
【００５４】
ここで、プリフォーム変形領域とは直径１０ｍｍのプリフォームをファイバ加工する際に変形してネック状になっている領域のうちの、直径が９．５ｍｍから０．５ｍｍまで変化している領域であり、プリフォーム変形領域滞在時間とはプリフォーム変形領域長さをプリフォーム送り速度で除して得られる時間である。プリフォーム変形領域の代表的温度が線引き温度であり、この領域より下流においてはガラスの温度は線引き温度よりも顕著に低く新たな結晶析出は起こらないと考えられる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、ファイバ加工時の結晶析出が起こりにくい光増幅ガラスが得られ、このガラスをコアとする光ファイバ等の光導波路の伝搬損失の低減が可能になる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical amplification glass suitable for amplifying light having a wavelength of 1530 to 1565 nm (C band), 1565 to 1625 nm (L band), and the like.
[0002]
[Prior art]
As an optical communication system that can meet demands for diversification or speeding up of communication services, a wavelength division multiplexing system (WDM) that increases the transmission capacity by increasing the number of wavelength multiplexing channels has been proposed.
[0003]
In WDM using signal light such as C band, L band, and S band (wavelength: 1460 to 1530 nm), which are low loss regions of transmission silica fibers, an optical fiber amplifier that amplifies these signal lights is essential.
[0004]
An optical fiber amplifier (EDFA) in which the core of the optical fiber is Er-doped glass as an amplifier for C-band to L-band light, and an optical fiber amplifier (TDFA) in which the core of the optical fiber is Tm-doped glass as an S-band amplifier. Development is underway.
[0005]
In the past, many glass-based optical amplification glasses suitable for EDFA, TDFA, and the like have been proposed. Recently, however, Bi ₂ O ₃ -based glass that provides desired characteristics even with a short fiber length has been proposed. A base system has been proposed (for example, see Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-102661 A (pages 1 to 4)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally known light-amplifying glass based on Bi ₂ O ₃ glass contains Er ions or Tm ions as optically active ions, but Er or Tm causes clustering and thermal relaxation of excited photons ( (Non-radiation mitigation) probability may increase.
[0008]
In order to solve this problem, the present inventor proposed to add La ₂ O ₃ to Er-containing Bi ₂ O ₃ optical amplification glass in Japanese Patent Application No. 2002-251129.
[0009]
However, in the La ₂ O ₃ -added Er-containing Bi ₂ O ₃ optical amplification glass, if the B ₂ O ₃ content is reduced to increase the gain, the propagation loss may be increased.
An object of the present invention is to provide an optical amplification glass and an optical waveguide containing La ₂ O ₃ based on Bi ₂ O ₃ glass, which can solve such problems.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention, in mol% based on the following _{_{_{_{oxides, Bi 2 O 3 4~80%,}}}} SiO 2 4~60%, In 2 O 3 0.1~20%, Y 2 O 3 + La 2 O 3 + Gd _{_{_{_{2 O 3 + Yb 2 O 3}}}} 0.1~15%, Er 2 O 3 + Tm 2 O 3 0.05~5%, Al 2 O 3 + Ga 2 O 3 0~45 _mol%, _B 2 O 3 _0~5 %, CeO ₂ 0 to 2%.
Further, _Bi 2 _{O 3} is from 29 to 50%, SiO ₂ is 24~40%, _In 2 _{O 3} is 1~10%, _La 2 _{O 3} is _{_{0.5~10%, Y 2 O 3 +}} Gd 2 O 3 + Yb ₂ O ₃ is 0 to 3%, Er ₂ O ₃ + Tm ₂ O ₃ is 0.1 to 1%, Al ₂ O ₃ is 1 to 5%, Ga ₂ O ₃ is 9 to 20%, and CeO ₂ is 0. The light amplification glass is -0.5%.
Moreover, the optical waveguide which uses the said optical amplification glass as a core is provided.
[0011]
The inventor of the present invention is an optical fiber (core diameter: core diameter: glass containing Er ₂ -containing Bi ₂ O ₃ -based optical amplifying glass to which La ₂ O ₃ is added and not containing B ₂ O ₃ (glass of Example 3 described later). A plurality of (5 μm, clad diameter: 125 μm) were prepared, and one of them was excited with light having a wavelength of 980 nm or 1480 nm, and the light propagating through the core was observed using an IR viewer.
[0012]
As a result, about 1 to 2 bright spots (scattering points) per 1 cm were observed in the optical fiber. This scattering point is considered to be a crystal precipitated during fiber processing (fiber drawing). Although the propagation loss of this optical fiber was not measured, it is estimated that it was very large. That is, when the near field pattern was observed, most of the light leaked into the cladding mode.
From this, it was considered that the propagation loss due to the crystal can be reduced by suppressing the precipitation of the crystal, and the present invention has been achieved.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The optical amplification glass of the present invention (hereinafter referred to as the glass of the present invention) is usually used as an optical waveguide having a core / cladding structure, for example, a glass fiber having the same structure or a core of a planar waveguide. Such an optical waveguide is the optical waveguide of the present invention.
[0014]
When the optical waveguide of the present invention is used for amplification of light having a wavelength of 1530 to 1630 nm, the core is preferably the glass of the present invention and containing Er ₂ O ₃ . This aspect is particularly suitable when it is desired to amplify light with a short length.
[0015]
When the optical waveguide of the present invention is used for amplification of S-band light, the core is preferably the glass of the present invention and contains Tm ₂ O ₃ . This aspect is particularly suitable when it is desired to amplify light with a short length in a wide band.
[0016]
Amplification of light is normally performed by making excitation light enter the core together with light to be amplified (signal light), and the excitation light has a wavelength of 970 to 990 nm, 1470 to 1490 nm, 1040 to 1060 nm, or 1400 to 1400. A 1420 nm laser beam or the like is used. Typically, excitation light having a wavelength of 970 to 990 nm is used for amplification of C-band light, excitation light having a wavelength of 1470 to 1490 nm is used for amplification of L-band light, and 1040 is used for amplification of S-band light. Excitation light of -1060 nm or 1400-1420 nm is used, respectively.
[0017]
The core diameter and clad diameter of an optical fiber having the glass of the present invention as a core (hereinafter referred to as the optical fiber of the present invention) are typically 2 to 10 μm and 100 to 200 μm, respectively.
[0018]
When the optical fiber of the present invention is used in an EDFA without being wound in a bobbin shape, the length is preferably 8 cm or less. More preferably, it is 6 cm or less, and particularly preferably 5 cm or less.
[0019]
It is preferable that the refractive index n ₁ of glass having a refractive index n ₂ and the core i.e. the invention of the cladding of the optical fiber of the present invention satisfies the following equation. Incidentally, _{n 1} is typically 1.8 to 2.2.
0.0005 ≦ (n ₁ −n ₂ ) / n ₁ ≦ 0.1.
[0020]
Moreover, the clad is preferably made of glass, the glass is essentially by _{_{_{mol%, Bi 2 O 3 5~80%,}}} B 2 O 3 + SiO 2 5~75%, In 2 O 3 0.1 _{_{_{_{~20%, Y 2 O 3 +}}}} La 2 O 3 + Gd 2 O 3 + Yb 2 O 3 0.1~15%, Al 2 O 3 + Ga 2 O 3 0.1~45%, CeO 2 0.01~2% More preferably, it consists of. In addition, the said more preferable glass may contain another component in the range which does not impair the objective of this invention.
[0021]
The optical fiber of the present invention is produced, for example, by preparing a preform in which a core glass and a clad glass are combined by a well-known extrusion molding method and stretching the preform.
[0022]
Glass transition point T _g of the glass of the present invention is preferably 360 ° C. or higher. The T _g of less than 360 ° C., the temperature of the glass when using a large laser beam intensity as the excitation light is locally thermally damaged is high, insufficient optical amplification result propagation loss is increased There is a risk of becoming. More preferably, it is 450 degreeC or more, Most preferably, it is 480 degreeC or more.
[0023]
Next, the glass composition of the glass of the present invention will be described by simply indicating mol% as%.
Bi ₂ O ₃ is an essential component. If the content is less than 4%, a desired gain cannot be obtained because the wavelength width Δλ for obtaining gain is small or the refractive index is too small. It is preferably 9% or more, more preferably 19% or more, and particularly preferably 29% or more. In 80%, vitrification tends to be difficult, crystals precipitate during fiber processing, or T _g is too low. Preferably it is 70% or less, More preferably, it is 60% or less, Most preferably, it is 50% or less.
[0024]
SiO ₂ is a network former and is an essential component for facilitating glass formation by suppressing crystal precipitation during glass production. If it is less than 4%, vitrification becomes difficult, or crystals precipitate during fiber processing. More preferably, it is 9% or more, more preferably 14% or more, particularly preferably 19% or more, and most preferably 24% or more. If it exceeds 60%, the gain decreases. More preferably, it is 50% or less, particularly preferably 45% or less, and most preferably 40% or less.
[0025]
In ₂ O ₃ is an essential component for suppressing crystal precipitation during fiber processing and reducing propagation loss. In ₂ O ₃ may have the effect of facilitating glass formation. If it is less than 0.1%, the effect of suppressing crystal precipitation during fiber processing is small. Preferably it is 1% or more. If it exceeds 20%, vitrification is rather difficult, or crystals are more likely to precipitate during fiber processing. Preferably it is 15% or less, More preferably, it is 10% or less.
[0026]
Y ₂ O ₃ , La ₂ O ₃ , Gd ₂ O ₃ and Yb ₂ O ₃ have the effect of making concentration quenching less likely to occur or the effect of increasing gain, and must contain one or more of these four components. I must. If the total content of these four components Y ₂ O ₃ + La ₂ O ₃ + Gd ₂ O ₃ + Yb ₂ O ₃ is less than 0.1%, the effect is small. Preferably it is 0.5% or more. If it exceeds 15%, vitrification becomes difficult, or crystals tend to precipitate during fiber processing. Preferably it is 12% or less, More preferably, it is 10% or less.
[0027]
Of the four components, at least La ₂ O ₃ is preferably contained.
In this preferred embodiment, the La ₂ O ₃ content is 0.5-10% and the total content of Y ₂ O ₃ , Gd ₂ O ₃ and Yb ₂ O ₃ Y ₂ O ₃ + Gd ₂ O ₃ + Yb ₂ O ₃ is more preferably 0 to 3%. Here, when Y ₂ O ₃ + Gd ₂ O ₃ + Yb ₂ O ₃ is 0 to 3%, Y ₂ O ₃ , Gd ₂ O ₃ and Yb ₂ O ₃ may not contain any of them, When any of these is contained, the total of the contents is 3% or less.
[0028]
Er ₂ O ₃ and Tm ₂ O ₃ are components for optical amplification and must contain at least one of them. If the total Er ₂ O ₃ + Tm ₂ O _{3 of} these contents is less than 0.05%, sufficient gain cannot be obtained. Preferably it is 0.1% or more, More preferably, it is 0.2% or more. If it exceeds 5%, vitrification becomes difficult, or the gain is lowered due to concentration quenching. Preferably it is 3% or less, More preferably, it is 2% or less.
[0029]
In the case of amplifying light having a wavelength of 1530 to 1630 nm, it is preferable that only Er ₂ O ₃ is contained, and Tm ₂ O ₃ is not contained because it may inhibit a desired transition caused by Er ions. In this case, Er ₂ O ₃ is more preferably 0.4 to 0.6%.
[0030]
In the case of amplifying S-band light, it contains Tm ₂ O ₃ alone, and Er ₂ O ₃ is preferably not contained because it may inhibit a desired transition caused by Tm ions.
[0031]
When the glass of the present invention is used for an optical fiber (the length is typically 8 cm or less) used for an EDFA without being wound in a bobbin shape, or a compact planar waveguide (the size thereof) used for an EDFA. For example, the Er ₂ O ₃ content is preferably 0.5 to 3%. More preferably, it is 1% or more. In these cases, when La ₂ O ₃ is contained, the content is preferably 2.5% or more.
[0032]
When La ₂ O ₃ is contained, the La ₂ O ₃ content / Er ₂ O ₃ content is preferably 1.0 or more. If it is less than 1.0, the effect of suppressing the concentration quenching or the effect of increasing the gain is small.
[0033]
Al ₂ O ₃ and Ga ₂ O ₃ are not essential, but in order to facilitate glass formation or to suppress crystal precipitation during fiber processing, either one or both are added to the total content. Al ₂ O ₃ + Ga ₂ O ₃ may be contained within a range of 45% or less. If it exceeds 45%, vitrification tends to be difficult, or Tg _{tends to} be low. More preferably, it is 30% or less, and particularly preferably 25% or less. Further, when containing at least one of Al ₂ O ₃ and Ga ₂ O ₃ , Al ₂ O ₃ + Ga ₂ O ₃ is preferably at least 3%, more preferably at least 8%, particularly preferably at least 11%. is there.
[0034]
When Al ₂ O ₃ is contained, the content is preferably 0.1 to 10%. If it is less than 0.1%, the Al ₂ O ₃ content effect may be small. More preferably, it is 1% or more, and particularly preferably 2% or more. If it exceeds 10%, glass formation may be difficult. More preferably, it is 9% or less, more preferably 8% or less, particularly preferably 7% or less, and most preferably 5% or less.
[0035]
Ga ₂ O ₃ may have the effect of increasing Δλ in addition to the above effects. In the case where it is desired to make Δλ larger, it is preferable to contain Ga ₂ O ₃ .
When Ga ₂ O ₃ is contained, the content is preferably 1 to 30%. If it is less than 1%, the Ga ₂ O ₃ -containing effect may be small. More preferably, it is 5% or more, and particularly preferably 9% or more. If it exceeds 30%, glass formation may be difficult. More preferably, it is 20% or less.
[0036]
B ₂ O ₃ is not essential, but may be contained up to 5% in order to facilitate glass formation. If it exceeds 5%, the water resistance or the gain may be lowered. In the case where it is desired to improve the water resistance or increase the gain, it is preferable not to contain B ₂ O ₃ .
[0037]
CeO ₂ is not essential, but Bi ₂ O ₃ may be contained up to 2% in order to prevent Bi ₂ O ₃ from depositing as metal bismuth in the glass melt and reducing the transmittance of the glass. If it exceeds 2%, the yellow or orange coloration of the glass becomes prominent and the transmittance is rather lowered. Preferably it is 1% or less, More preferably, it is 0.5% or less. In order to avoid a decrease in transmittance due to yellow or orange coloring of the glass, it is preferable not to contain CeO ₂ . Incidentally, the content if it contains CeO ₂ is preferably at least 0.05%.
[0038]
The glass of the present invention consists essentially of the above components, but may contain other components as long as the object of the present invention is not impaired. In this case, the total content of the other components is preferably 30% or less, more preferably 15% or less, and particularly preferably 10% or less.
[0039]
Examples of the other components include the following.
When it is desired to increase Δλ, WO ₃ , Ta ₂ O ₅ or TeO ₂ may be contained up to 30%. If it exceeds 30%, the gain may decrease. More preferably, each is 10% or less. When WO ₃ , Ta ₂ O ₅ or TeO ₂ is contained, the content of each of the contained components is preferably 1% or more, more preferably 3% or more.
[0040]
In order to increase the refractive index or to facilitate glass formation, GeO ₂ may be contained up to 30%. If it exceeds 30%, glass formation may be difficult. Preferably it is 5% or less. When GeO ₂ is contained, the content is preferably 1% or more.
[0041]
In the case where it is desired to further suppress crystal precipitation during fiber processing, TiO ₂ or SnO ₂ may be contained up to 30%. If it exceeds 30%, glass formation may be difficult. Preferably each is 10% or less.
[0042]
MgO, CaO, SrO, BaO, Na ₂ O, K ₂ O, ZrO ₂ , ZnO, CdO, PbO, Sb ₂ O ₃ are used as components for suppressing crystal precipitation during fiber processing or for facilitating glass formation. Etc. can also be mentioned.
[0043]
In the glass of the present invention, Bi ₂ O ₃ is 29 to 50%, SiO ₂ is 24 to 40%, In ₂ O ₃ is 1 to 10%, La ₂ O ₃ is 0.5 to 10%, Y ₂ O ₃ + Gd ₂ O ₃ + Yb ₂ O ₃ is 0 to 3%, Er ₂ O ₃ + Tm ₂ O ₃ is 0.1 to 1%, Al ₂ O ₃ is 1 to 5%, and Ga ₂ O ₃ is 9 to 20%. CeO ₂ is preferably 0 to 0.5%.
[0044]
There is no particular limitation on the method for producing the glass of the present invention. For example, the raw materials are prepared and mixed, put in a gold crucible, alumina crucible, quartz crucible or iridium crucible, and melted in the air at 800 to 1300 ° C. It can be produced by a melting method in which the obtained melt is cast into a predetermined mold. Moreover, you may manufacture by methods other than a melting method, for example, methods, such as a sol-gel method and a vapor deposition method.
[0045]
【Example】
A glass having a composition represented by mol% in the columns from Bi ₂ O ₃ to CeO _{2 in} Table 1 was prepared by a melting method in which the glass was melted at 1200 ° C. The glass transition point T _g (unit: ° C.), the drawing temperature (unit: ° C.), and the refractive index n with respect to light having a wavelength of 1550 nm are shown in the same table. Example 1 is an example, and Examples 2 and 3 are comparative examples.
[0046]
The drawing temperature is a temperature with a viscosity of 10 ^5.5 Pa · s, and the value was estimated as follows. That is, a glass (mole% display composition: Bi ₂ O ₃ 42.6%, SiO ₂ 35.5%, Er ₂ O ₃ 0.5) that is considered to have a temperature-viscosity curve similar to those of Examples 1-3. %, Al ₂ O ₃ 3.5%, Ga ₂ O ₃ 17.7%, CeO ₂ 0.2%). As a result, T _g = 485 ° C. and drawing temperature = 590 ° C. and _{(T g} by DTA, drawing temperature was determined respectively by the parallel plate assay). The difference _{T g} of the drawing temperature in Examples 1 to 3 were estimated drawing temperature of the glass of Examples 1 to 3 as a 105 ℃ (= 590 ℃ -485 ℃ ).
[0047]
[Table 1]

[0048]
The glass of Examples 1 to 3 was made into powder, and the T.V. T.A. In order to obtain a T diagram (time-temperature transformation diagram), crystallization start temperature Θ (unit: ° C.) and crystallization start time of these powders using differential thermal analysis (DTA) and differential scanning calorimeter (DSC) The relationship of t _C (unit: second) was examined. The results are shown in Table 2. The data for t _C of 6 seconds was determined by DTA (temperature increase rate = 10 ° C./second), the data for 60 seconds was determined by DTA (temperature increase rate = 1 ° C./second), and the other data were determined by DSC.
[0049]
Data obtained by plotting the horizontal axis as t _C and the vertical axis as Θ, and connecting these with a smooth curve, was obtained for each of the glasses of Examples 1 to 3. T.A. A T diagram was created.
[0050]
[Table 2]

[0051]
The present inventor made a preform by a well-known extrusion method using the glass of Examples 1 to 3 as a core glass, and the core glass and a clad glass appropriately selected for each, and this was used as a fiber. In the case of manufacturing an optical fiber by processing, it was evaluated as follows whether crystal precipitation causing propagation loss was difficult or likely to occur.
[0052]
That is, the T.W. T.A. T _C at each drawing temperature is obtained from the T diagram, and this is set as t _C0 . When t _C0 is 240 seconds or more, the crystal precipitation hardly occurs, and when t _C0 is smaller than 240 seconds, the crystal precipitation occurs. Evaluated that it was easy.
The t _{C0 values} of Examples 1, 2, and 3 were 11000 seconds, 160 seconds, and 11 seconds, respectively. That is, in Example 1, it is considered that crystal precipitation during fiber processing hardly occurs, but in Examples 2 and 3, crystal precipitation during fiber processing is likely to occur.
[0053]
The reason for using 240 seconds as a reference in the evaluation is as follows. That is, the most typical core diameter and clad diameter of the optical fiber of the present invention are 4 to 5 μm and 125 μm, respectively, but the preform deformation region stay time when the preform is processed into a fiber was 240 seconds.
[0054]
Here, the preform deformation region is a region where the diameter changes from 9.5 mm to 0.5 mm among the regions that are deformed when a preform having a diameter of 10 mm is processed into a fiber and become a neck shape. Yes, the preform deformation region stay time is a time obtained by dividing the preform deformation region length by the preform feed speed. A typical temperature in the preform deformation region is a drawing temperature, and it is considered that the temperature of the glass is significantly lower than the drawing temperature downstream from this region and no new crystal precipitation occurs.
[0055]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain an optical amplification glass in which crystal precipitation hardly occurs during fiber processing, and it is possible to reduce propagation loss of an optical waveguide such as an optical fiber having the glass as a core.

Claims

Bi ₂ O ₃ 29 to 50 %, SiO ₂ 24 to 40 %, In ₂ O ₃ 1 to 10 %, La ₂ O ₃ 0.5 to 10%, Y ₂ O _{3 in} terms of mol% based on the following oxides + Gd ₂ O ₃ + Yb ₂ O ₃ is 0 to 3%, Y ₂ O ₃ + La ₂ O ₃ + Gd ₂ O ₃ + Yb ₂ O ₃ 0.5 to 13 %, Er ₂ O ₃ + Tm ₂ O ₃ 0.1 to 1 _{_{_{%, Al 2 O 3 1~5%}}} , Ga 2 O 3 9~20%, Al 2 O 3 + Ga 2 O 3 10 ~45 _{_{_{mol%, B 2 O 3 0~5%}}} , CeO 2 0~ 0.5 %, A light amplification glass consisting essentially of.

The optical amplification glass according to claim 1, wherein the optical amplification glass does not contain Tm ₂ O ₃ .

Optical waveguide core optical amplification glass according to claim 1 or 2.