JP4846175B2

JP4846175B2 - エルビウム添加光ファイバ

Info

Publication number: JP4846175B2
Application number: JP2002254859A
Authority: JP
Inventors: 佳弘寺田; 嘉磊賀; 真一中山; 邦治姫野
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: JP2004091261A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅器に用いられるエルビウム添加光ファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエルビウム添加光ファイバは、コアにゲルマニウムが１０〜２０質量％添加され、屈折率を高めるためのドーパントとして増幅媒体としてのエルビウムが５００〜２０００ｐｐｍ添加されてなるもので、高利得、低雑音などの優れた特性を有する。また増幅波長帯が１．５５μｍにあり１．５μｍ帯用の光増幅器として広く用いられている。このエルビウム添加光ファイバは、コアに更にアルミニウムを含有させることによって、利得の波長特性を平坦化でき、かつエネルギー変換効率の低下を防止できる。このためコアにアルミニウムを２〜４質量％含有させたエルビウム添加光ファイバが広く利用されている。
【０００３】
しかし、近年、光通信の伝送容量の増大に伴い、波長多重伝送の開発が進められており、４０Ｇｂ／ｓ級の高速伝送システムの導入が検討されている。このような波長多重伝送に利用できる光増幅器を実現するためには、上記したコアにアルミニウムを２〜４質量％含有させたエルビウム添加光ファイバでは、利得平坦度、エネルギー変換効率が十分とはいえない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、上記した事情に鑑みなされたものである。すなわち利得平坦度に優れ広帯域で使用でき、かつ高いエネルギー変換効率を有するエルビウム添加光ファイバを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、請求項１にかかる発明は、１５４０ｎｍ〜１５６０ｎｍの範囲の波長域で使用される、エルビウムとアルミニウムとゲルマニウムのみを添加したコアからなる光ファイバであって、
前記コアが、アルミニウムを４．２〜８．６質量％、ゲルマニウムを０．５〜１．０質量％含有し、利得平坦度が１０％以下であり、かつエネルギー変換効率が９５％以上であることを特徴とするエルビウム添加光ファイバである。
【０００９】
ここで、利得平坦度は、以下のようにして測定し、算出される。図２は、エルビウム添加光ファイバの利得の波長特性の一例を示す。入射される励起光の光強度とエルビウム添加光ファイバの光吸収量とを調整し、図２に示されたように利得の２つの極大点での値が一致するようにして、利得の波長特性を測定する。この極大点での利得をＧ_ｍａｘとする。また図２に示された１５４０ｎｍ帯の利得の極小値とＧ_ｍａｘとの利得差をΔＧとし、以下の式（１）により利得平坦度を算出する。この利得平坦度の値が小さいほど、広帯域にてほぼ一定の利得が得られ、これにより波長多重伝送に利用できることになる。
【００１０】
【数１】

【００１１】
またエネルギー変換効率は、以下の式（２）により算出される。ただし、式中のＰ_ｏｕｔは出力信号光量、Ｐ_ｉｎは入力信号光量、Ｐｐ_ｏｕｔは漏れ励起光量、Ｐｐ_ｉｎは入射される励起光量をそれぞれ示す。
【００１２】
【数２】

【００１３】
【発明の実施の形態】
［第１の実施形態］
以下、本発明の一実施形態を説明する。本実施形態のエルビウム添加光ファイバは、コアとクラッドからなり、コアは、エルビウム、アルミニウム、ゲルマニウムを含有する石英ガラスである。
【００１４】
ゲルマニウムの含有量は、１．５質量％未満であり、好ましくは０．５〜１．０質量％である。これによりエルビウム添加光ファイバの利得平坦度とエネルギー変換効率とを改善できる。ゲルマニウムの含有量が１．５質量％以上の場合、アルミニウムイオンがエルビウムクラスター形成を抑える作用を抑制するため、好ましくない。
【００１５】
アルミニウムの含有量は、特に限定されないが、通常４質量％未満である。アルミニウムが含有されたことによって、１５４０〜１５６０ｎｍ帯での利得の波長依存性を平坦化でき、利得平坦度を改善できる。またアルミニウムイオンはエルビウムイオンに配位し、エルビウムクラスターの形成を抑えることができる。これによりエルビウムイオン間のエネルギー交換を低減でき、優れたエネルギー変換効率が実現できる。コアのエルビウムの含有量は、特に限定されず、目的用途により適宜決定できる。
【００１６】
本実施形態のエルビウム添加光ファイバは、ＭＣＶＤ法、ＶＡＤ法などの化学気相蒸着法、アルミニウム化合物溶液を用いた浸漬法などの公知技術によって、所望の濃度でゲルマニウムなどの元素が添加されたファイバ用母剤を製造し、これを溶融線引きすることで製造できる。
【００１７】
なお、本発明の技術範囲は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。コアは、上記したようにエルビウム、アルミニウム、ゲルマニウムを所望の濃度含有していれば、他の元素を含有していても構わない。また、例えばコアに、セリウム、イッテルビウム、ランタンをそれぞれ０．５〜２．０質量％含有させることにより、エルビウムイオン間の結合を更に抑えることができ、エネルギー変換効率を更に向上できる。このため特にエルビウムを高濃度に含有させた場合であっても、優れたエネルギー変換効率が実現できる。また結晶構造が安定化し、構造欠陥に伴う光損失を低減できる。
【００１８】
［第２の実施形態］
本実施形態が、第１の実施形態と異なる点は、アルミニウムの含有量が４〜１０質量％である点である。これにより、特に利得平坦度を大幅に改善できる。またエルビウムの含有量が多い場合であっても、優れたエネルギー変換効率が実現できる。このためエルビウムの含有量は、０．０５〜０．２質量％が好ましく、更に好ましくは０．１〜０．２質量％である。これにより優れた利得量が得られ、かつ優れたエネルギー変換効率と利得平坦度を有するエルビウム添加光ファイバが実現できる。アルミニウムの含有量は、更に好ましくは、６〜８質量％である。
【００１９】
またアルミニウムを上記した範囲の高濃度に含有することによって、屈折率を高めることができ、これにより屈折率を高めるドーパントであるゲルマニウムの含有量を低減でき、利得平坦度とエネルギー変換効率とを更に改善できる。
【００２０】
アルミニウムの含有量が４質量％よりも少ない場合、利得平坦度、エネルギー変換効率を改善できず、好ましくない。アルミニウムの含有量が１０質量％よりも多い場合、コアの結晶化が過度に進行し、製造工程にて光ファイバ用母材を加熱する際、結晶質のコアと非晶質のクラッドとの熱膨張係数の差によって、コアとクラッドの界面にて熱応力による歪み、コアに割れが生じることとなり、歩留まりが低下するため好ましくない。
【００２１】
次に本実施形態のエルビウム添加光ファイバの製造方法について説明する。
図１は、エルビウム添加光ファイバ用母材の製造方法を示す概略構成図である。石英ガラス管１０は、ガラス旋盤（図示省略）に固定され、定速で回転されるように構成されている。酸水素バーナ１３は、石英ガラス管１０を外部から加熱するものであり、石英ガラス管１０の長手方向に移動できるように構成されている。石英ガラス管１０の一端部には混合ガス供給部１４が設けられ、他端には排出ガス処理装置（図示省略）が設けられる。
【００２２】
混合ガス供給部１４より、原料ガスと酸素ガスとの混合ガス１５が石英ガラス管１０内に導入される。酸素ガスはキャリアガスとして使用される。原料ガス１５は、ＳｉＣｌ_４ガス、ＧｅＣｌ_４ガス、ＡｌＣｌ_３からなる。ＳｉＣｌ_４ガス、ＧｅＣｌ_４ガスは、それぞれＳｉＣｌ_４ガス発生器１６、ＧｅＣｌ_４ガス発生器１７にて高純度ガスとして生成され、管１８を介して混合ガス供給部１４から石英ガラス管１０内に供給される。
【００２３】
またＡｌＣｌ_３ガスは、アルミニウム恒温槽１９にて生成され、管１８を介して混合ガス供給部１４から石英ガラス管１０内に供給される。アルミニウム恒温槽１９を１８０〜２５０℃に加熱し、Ｃｌ_２ガスボンベ２０からＣｌ_２ガスを導入し、またＨｅガスボンベ２１からＨｅガスを導入し、これらのガスをアルミニウム恒温槽１９内の金属アルミニウムと反応させることで高純度のＡｌＣｌ_３が生成される。このとき高い反応熱が得られ、これにより高温度の状態でＡｌＣｌ_３ガスが得られる。
【００２４】
酸水素バーナ１３により石英ガラス管１０を加熱する。次にＳｉＣｌ_４ガス、ＧｅＣｌ_４ガス、ＡｌＣｌ_３の各ガス流量を調整し、それぞれのガスを所望の濃度含有した原料ガス１５とし、キャリアガスである酸素ガスと共に石英ガラス管１０内に供給する。このとき酸水素バーナ１３の加熱量を調整し、石英ガラス管１０を所望の温度とする。このとき石英ガラス管１０内に供給された混合ガス１５は、酸水素バーナの熱で反応し、これによりガラス微粒子（スート）１１が生成し、石英ガラス管１０の内面に堆積する。このガラス微粒子１１は、酸水素バーナの熱により結晶化され、ガラス層１２となる。
【００２５】
酸水素バーナ１３を石英ガラス管１０の長手方向に定速度で繰り返し移動させ、ガラス微粒子１１の生成とガラス層１２の形成を繰り返し行う。形成されたガラス層１２はコアとなり、また石英ガラス管１０はクラッドの一部となる。石英ガラス管１０の回転速度、酸水素バーナ１３の移動速度を適宜決定し、高濃度のアルミニウムが均一に分布し、かつ所望のアルミニウムを有するエルビウム添加光ファイバ用母材が安定して製造できるようにする。
【００２６】
次に、ガラス層１２を堆積させた石英ガラス管１０をエルビウム水溶液に浸漬し、ガラス層１２にエルビウムを含浸する。そして、エルビウムが含浸されたガラス層１２を含む石英ガラス管１０を乾燥させ、水などの溶媒を蒸発、除去する。次にこの石英ガラス管１０を中実化し、更に延伸して所望の大きさのプリフォームとする。プリフォームの外周に、クラッドとなる石英ガラスを形成し、エルビウム添加光ファイバ用母材とする。
【００２７】
このエルビウム添加光ファイバ用母材を紡糸炉によって加熱して溶融線引きし、光ファイバ裸線とした後、樹脂塗布用ダイスに通し、紫外線硬化性樹脂をファイバ表面に塗布する。次に硬化装置にて紫外線を照射して紫外線硬化性樹脂を硬化し光ファイバ素線とする。
【００２８】
本実施形態では、上述したようにエルビウム添加光ファイバ用母材を製造する際、金属アルミニウムとＣｌ_２ガスとを反応させてＡｌＣｌ_３ガスを生成する。このとき高い反応熱が得られるため、高温度の状態でＡｌＣｌ_３ガスが得られる。ＡｌＣｌ_３ガスは、ＳｉＣｌ_４ガス、ＧｅＣｌ_４ガスに比べて沸点が高く、２００℃以下では管１８内で固化析出する。しかし本実施形態では、上記したように反応熱を利用し、高温度のＡｌＣｌ_３ガスとして得られるため、管１８内で固化析出することが無く搬送できる。これにより高濃度のＡｌＣｌ_３ガスを供給することができ、高濃度のアルミニウムを含有するエルビウム添加光ファイバ用母材が製造できる。従って、従来困難であったアルミニウムの添加量を４質量％以上とするエルビウム添加光ファイバを容易に製造できる。
【００２９】
なお本実施形態のエルビウム添加光ファイバを製造する方法は、上述したＭＣＶＤ法を用いた製造方法以外に、ＶＡＤ法など他の化学気相蒸着法でも適用できる。ＡｌＣｌ_３ガスを用いた製造方法では、上述したように金属アルミニウムとＣｌ_２ガスとを反応させ、このときの反応熱を利用し、高温度のＡｌＣｌ_３ガスとして管内を搬送することによって、管内で固化析出することが無く、本実施形態の高濃度にアルミニウムを含有するエルビウム添加光ファイバを製造できる。またアルミニウム化合物溶液を用いた浸漬法では、アルミニウム化合物溶液の濃度、温度、浸漬時間などの条件を最適化することによって製造できる。
【００３０】
本発明の具体例を以下に示す。上述した方法により、表１に示した濃度のアルミニウム、ゲルマニウムを含有する石英ガラスからなるコアと、石英ガラスのクラッドとからなるエルビウム添加光ファイバ用母材を作製した。コアのエルビウム濃度は、１５３０ｎｍでの光吸収量が１０ｄＢ／ｍとなるように調整した。このエルビウム添加光ファイバ用母材を紡糸し、エルビウム添加光ファイバとした。エルビウム添加光ファイバのエネルギー変換効率、利得平坦度を測定した結果を表１に示す。ゲルマニウムの濃度が１．５質量％未満のとき、エネルギー変換効率が９０％以上であり、かつ利得平坦度が１１％以下を実現できた。またゲルマニウムの濃度が１．５質量％未満、かつアルミニウム濃度が、４質量％以上、１０質量％未満の範囲のとき、エネルギー変換効率が９０％以上であり、かつ利得平坦度が１０％以下を実現できた。
【００３１】
【表１】

【００３２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、請求項１に係る発明によれば、コアが、ゲルマニウムを１．５質量％未満含有し、これによりエルビウム添加光ファイバの利得平坦度とエネルギー変換効率とを改善できる。
【００３３】
また、コアに高濃度のアルミニウムが含有され、１５４０〜１５６０ｎｍ帯での利得の波長依存性を平坦化でき、特に利得平坦度を大幅に向上できる。またエルビウムの含有量が多い場合であっても、エルビウムクラスターの形成を抑えることができる。このため、例えば特に高い含有量でエルビウムが含有された構成とすることによって、優れた利得量が得られ、かつ優れたエネルギー変換効率と利得平坦度を有するエルビウム添加光ファイバが実現できる。更にアルミニウムを高濃度に含有することによって屈折率を高めることができ、これにより屈折率を高めるドーパントであるゲルマニウムの含有量を低減でき、利得平坦度とエネルギー変換効率とを更に改善できる。
【００３４】
また、例えば光増幅器に適用でき、これにより波長多重伝送に対応でき、かつ優れたエネルギー効率が実現できる増幅器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のエルビウム添加光ファイバ用母材の製造方法を示す概略構成図である。
【図２】本実施形態のエルビウム添加光ファイバの利得の波長特性の一例を示す概略模式図である。

Claims

１５４０ｎｍ〜１５６０ｎｍの範囲の波長域で使用される、エルビウムとアルミニウムとゲルマニウムのみを添加したコアからなる光ファイバであって、
前記コアが、アルミニウムを４．２〜８．６質量％、ゲルマニウムを０．５〜１．０質量％含有し、利得平坦度が１０％以下であり、かつエネルギー変換効率が９５％以上であることを特徴とするエルビウム添加光ファイバ。