JP4875301B2 - 希土類添加光ファイバ母材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、主に光増幅器として利用される希土類元素が添加された希土類添加光ファイバに関し、特にコアスートに希土類元素を気相状態で添加する希土類添加光ファイバ母材の製造方法およびこの希土類添加光ファイバ母材から作製された希土類添加光ファイバに関するものである。

近年の光ファイバ伝送路における情報量の増大に伴い波長分割多重（ＷＤＭ）伝送を用いた通信容量の大容量化が進んでいる。ＷＤＭは、複数の波長の光を１本の光ファイバで伝送する方式である。そして、ＷＤＭ伝送における大容量化のためには、信号光を電気変換せず、光のまま高い効率で増幅することができ、広帯域で利用可能な光ファイバ増幅器が不可欠となっている。

従来、広帯域で利用可能な光ファイバ増幅器として、希土類元素が添加された光ファイバを増幅媒体として用いることが広く行われている。特に、希土類元素の中でもＥｒ（エルビウム）が添加されたエルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ）を用いたエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の研究・開発が行われ、実用化されている。このＥＤＦＡは、ＥＤＦに励起光を注入することで信号光を増幅する光ファイバ増幅器であり、ＥＤＦのコア部に添加されたエルビウムの電子が励起光のエネルギーにより励起され、それが基底レベルに戻る際に放出される誘導光を利用して信号光の増幅を行っている。

希土類元素の添加方法には２つの方法がある。１つは、気相軸付け法（Vapor-phase Axial Deposition method：ＶＡＤ法）または外側気相堆積法（Outside Vapor Deposition method：ＯＶＤ法）などで作製したコア用多孔質母材（以降、コアスートと呼ぶ。）を希土類元素に溶存させた液体に含浸させて希土類元素を添加する溶液含浸法であり、もう１つは、同じくＶＡＤ法またはＯＶＤ法などで作製したコアスートに気相で希土類元素を添加する気相添加法である。

溶液含浸法は、比較的容易に安定して希土類元素を添加することができるため、最も多く用いられている方法である。

気相添加法は、さらに２つの方法に分かれ、１つは、コアスート合成時に同時に添加する方法であり、もう１つは、コアスートを合成した後に添加する方法である。コアスート合成時に同時に添加する方法の一例として、例えばＭＣＶＤ法において希土類元素塩化物を加熱、気化させ、気体の状態でＳｉＣｌ₄等の原料と共に酸化反応させてガラス微粒子を同時合成する方法や、ＶＡＤ法、ＯＶＤ法においてＳｉＣｌ₄、ＧｅＣｌ₄と共に希土類元素を含有する気体を酸水素火炎中で同時に反応させてガラス微粒子を合成する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

一方、コアスートを合成した後、希土類元素を添加する方法においては、以下のようにして、コアスートから光ファイバ母材が作製される。すなわち、まずＶＡＤ法やＯＶＤ法などで合成したコアスートを加熱炉に収容し、同時に加熱炉下部に希土類塩化物を収容し、この状態で昇温することで希土類塩化物が気化してコアスート内に浸透し、同時にコアスートが透明ガラス化され希土類元素を含んだ希土類添加光ファイバ母材が作製される（例えば、非特許文献１参照）。

Jay Simpson, "Fabrication of Rare-Earth Doped Glass Fibers", Fiber Laser Sources and Amplifiers,1989,vol.1171

しかしながら、溶液含浸法に関しては、安定して希土類元素を添加することはできるが、希土類元素がクラスタリングを起こしやすいという問題がある。したがって、励起光のエネルギー吸収率を大きくしようとして希土類元素を高濃度で添加しようとすると濃度消光が起こり、変換効率が低下してしまうという課題がある。このため、この溶液含浸法では、変換効率をさらに向上させたいという最近の要求に対応することができない。

さらに、この溶液含浸法では、コアスートを溶液に浸すので、コアスートの強度が落ち、ガラス化工程時に割れやすくなる。そのため、例えばＶＡＤ法またはＯＶＤ法で合成したコアスートを溶液に浸す前に１２００℃程度で仮焼結させ、密度を高くする必要がある。さらに含浸工程や乾燥工程は長時間を必要とするので、製造工程の時間短縮が難しいという問題もある。

一方、気相添加法では、ＶＡＤ法やＯＶＤ法を用いた場合には、プロファイル制御が容易でないという問題がある。また、ＭＣＶＤ法を用いた場合はＶＡＤ法やＯＶＤ法に比べてプロファイル制御は容易になるが、大型母材の形成が難しく大量生産に向かないという問題もある。

また、気相添加法のうちコアスートを合成した後に希土類元素を添加する方法では、希土類元素を気化させる温度、コアスートに希土類元素気体を浸透、沈着させる温度、コアスートを透明ガラス化させる温度を同時に最適な温度にする必要があり、希土類元素濃度の制御や高濃度添加が極めて困難であるという課題もある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高濃度の希土類元素を安定して添加することができる希土類添加光ファイバ母材の製造方法およびこの製造方法を用いて作製した希土類添加光ファイバを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る第１の希土類添加光ファイバ母材の製造方法は、ＶＡＤ法またはＯＶＤ法のいずれか一方の方法によりコアスートを形成し、その後に、前記コアスートに希土類元素を気相状態で添加する希土類添加光ファイバ母材の製造方法において、希土類元素を含む気体を発生させる第１のヒートゾーンと、前記コアスートを加熱する第２のヒートゾーンとを設け、それぞれを独立に温度制御して希土類添加光ファイバ母材を作製する。

また、この発明に係る第２の希土類添加光ファイバ母材の製造方法は、前記コアスートのかさ密度が０．３５ｇ／ｃｍ³以下である。

また、この発明に係る第３の希土類添加光ファイバ母材の製造方法は、前記希土類元素として少なくともエルビウムを含む。

また、この発明に係る第４の希土類添加光ファイバ母材の製造方法は、前記希土類元素気体を得る際に、希土類金属とＣｌ₂を反応させることにより希土類塩化物気体を発生させる。

また、この発明に係る第５の希土類添加光ファイバ母材の製造方法は、前記希土類元素気体を発生させる第１のヒートゾーンの温度を制御することで、前記コアスートに添加される前記希土類元素の添加量を調整する。

また、この発明に係る第６の希土類添加光ファイバは、ＶＡＤ法またはＯＶＤ法のいずれか一方の方法によりコアスートが形成され、該コアスートに希土類元素が気相状態で添加された希土類添加光ファイバであって、前記添加する希土類元素を含む気体を発生させる第１のヒートゾーンと、前記コアスートを加熱する第２のヒートゾーンとが、それぞれ独立に温度制御されて作製されている。

また、この発明に係る第７の希土類添加光ファイバは、コア領域に希土類元素が添加された希土類添加光ファイバであって、前記希土類元素の添加濃度が２０００ｗｔｐｐｍ以上であり、前記希土類添加光ファイバを用いて光増幅器を構成して波長１４８０ｎｍにおける双方向励起を行ったときの励起光から信号光へのパワー変換効率が９０％以上である。

さらに、この発明に係る第８の希土類添加光ファイバは、前記希土類元素として少なくともエルビウムを含む。

本発明の製造方法を用いることにより希土類元素を安定して高濃度に添加することが可能となり、さらに、希土類元素を添加する工程とコアスートを透明ガラス化する工程を分離することができる。気相添加法を用いることにより、溶液含浸法に比べて透明ガラス化中に希土類添加光ファイバ母材が割れにくくなるため、大型母材の作製が可能となる。また、溶液に浸す必要がないので、溶液含浸法では溶液に浸す際に崩れてしまうような密度の低いコアスートでも希土類元素を添加することができる。さらに含浸法に比べて希土類元素のクラスタリングが低減されるため変換効率が高くなる。

以下に、本発明にかかる希土類添加光ファイバ母材の製造方法およびこの製造方法によって作製される希土類添加光ファイバの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

本発明にかかる希土類添加光ファイバ母材の製造方法は、独立に温度制御可能な２つのヒートゾーンを持つ電気炉を用いて希土類を添加することを特徴とする。この電気炉は上下２段構成になっており、上段ヒートゾーンでコアスート、下段ヒートゾーンで希土類元素を含む気体を発生させる原料をそれぞれ独立に加熱する。

希土類元素を含む気体は、希土類金属を少なくとも１０００℃以上に加熱した上でＣｌ₂ガスと反応させ、希土類塩化物気体として持ち出すか、あるいは希土類元素を含む化合物を少なくとも１０００℃以上に加熱することで希土類元素を含む気体として持ち出すことができる。このとき、下段のヒートゾーンの温度を調整することで添加する希土類元素の量を制御することができる。

また、本発明の希土類添加光ファイバ母材の製造方法は、希土類元素気体を得る際に、希土類金属を用いる。希土類金属はこれまで用いられていた希土類塩化物と比較して空気中で水分と反応しにくく、安定であるため保存が容易である。

本発明にかかる加熱炉の装置図を図１に示す。図１において、加熱炉３０は中心部に炉心管を有している。この炉心管はＳｉＣにて作製され、概略円筒状の上部炉心管１１と下部炉心管１２とが連結されて構成されている。そして、上部炉心管１１の周囲に上段ヒーター１５が、また下部炉心管１２の周囲に下段ヒーター１６がそれぞれ設けられている。上段ヒーター１５と下段ヒーター１６とは、独立に温度制御することができるようにされている。ここで、上段ヒーター１５にて熱せられる領域を上段ヒートゾーンとし、下段ヒーター１６にて熱せられる領域を下段ヒートゾーンとする。

上部炉心管１１と下部炉心管１２との連結部から試料保持具１７がつり下げられている。希土類金属試料２２は、この試料保持具１７にセットされて、下部ヒートゾーンの中央部に位置するようにされている。そして、上部炉心管１１は上方に移動可能にされており、上部炉心管１１を上方に移動した状態で、上部炉心管１１と下部炉心管１２との間から希土類金属試料２２の入れ替えが可能な構造となっている。

（実施例１）
以下に実施例１の上段ヒーター１５および下段ヒーター１６の温度制御の概略を示す。

上段ヒーター 下段ヒーター
１：脱水工程 １０００℃ 昇温せず
２：エルビウム添加・ガラス化工程 １４５５℃ １３３４℃
（１３８４℃）

本実施例では、まずコアスート２１に対して該コアスートに含まれるＯＨ基を取り除く（脱水する）脱水工程を行い、その後、コアスート２１にＥｒＣｌ₃を付着させるエルビウム添加工程とコアスート２１を透明ガラス化するガラス化工程とを同時に行った。

ＶＡＤ法を用いて作製したＧｅＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂コアスート２１を２本用意した。この２本のコアスート２１の平均かさ密度はそれぞれ０．２２ｇ／ｃｍ³、０．２６ｇ／ｃｍ³であった。このコアスート２１を図１に示した加熱炉３０を用いて脱水、エルビウム添加およびガラス化を行った。

（１：脱水工程）
上段ヒートゾーンにコアスート２１を配置し、金属エルビウム２２を下段ヒートゾーンにセットする。そしてまず、下段ヒートゾーンは昇温せずに上段ヒートゾーンのみ１０００℃程度に昇温する。この状態で、ガス供給口１２ａより、ガス（Ｈｅ１０リットル／分、酸素２リットル／分、塩素０．１リットル／分）を供給して炉心管内に充満させ、炉心管内が所定の圧力に保たれるよう、ガス排気口１１ｂより適宜ガスを排出する。そして、コアスート２１を上方から下方に移動させて、コアスート２１の下端から順に上段ヒートゾーンを通過させ、これによりコアスート２１の脱水を行った。

（２：エルビウム添加・ガラス化工程）
コアスート２１の脱水終了後、ガス（Ｈｅ１０リットル／分、塩素０．１リットル／分）を供給しつづけながら、下段ヒートゾーンを加熱してＥｒＣｌ₃ガスを発生させる。本実施例では、２本のコアスート２１に対して、下段ヒートゾーンの温度をそれぞれ１３３４℃と１３８４℃の２水準に変えて製造した。このように、金属エルビウムの加熱温度を１２００℃〜１６００℃の間で変化させることで、エルビウム添加濃度を調整できる。

そして、ＨｅによりこのＥｒＣｌ₃ガスを上段ヒートゾーンに移動させ、コアスートに浸透、沈着させる。そして、同時に上段ヒートゾーンを１４５５℃に昇温し、この状態で、コアスート２１を上方から下方に移動させて、コアスート２１の下端から順に上段ヒートゾーンを通過させ、これによりコアスート２１のガラス化を行った。なお、エルビウム添加工程およびガラス化工程に要した時間は３時間であった。そして、この方法にて作製された希土類添加光ファイバ母材は表面の割れがないことが確認できた。また、本実施例により得られたコアロッドは外径が約２５ｍｍであり、長さが平行部で５０ｍｍであった。

また、希土類添加光ファイバ母材中のエルビウム濃度は下段ヒートゾーンの温度が１３３４℃のとき２０００ｗｔｐｐｍ程度、１３８４℃のとき３０００ｗｔｐｐｍ程度であった。このように下段ヒートゾーンの温度を調整することでエルビウム添加濃度を制御することができた。

（実施例２）
以下に実施例２の上段ヒーター１５および下段ヒーター１６の温度制御の概略を示す。

上段ヒーター 下段ヒーター
１：エルビウム添加工程 １０００℃ １３８４℃
２：酸化工程 （別な炉にて、室温から８００℃まで１０時間で昇温）
３：脱水工程 １０００℃ 昇温せず
４：ガラス化工程 １４５５℃ 昇温せず

本実施例ではコアスート２１（平均かさ密度０．２３ｇ／ｃｍ³）にＥｒＣｌ₃を浸透、沈着させるエルビウム添加工程、ＥｒＣｌ₃を酸化させる酸化工程を行った後、コアスート２１を脱水・ガラス化した。

（Ｅｒ添加工程）
実施例１と同様にコアスート２１を上段ヒートゾーンに、金属エルビウムを下段ヒートゾーンにセットする。この状態にて、上段ヒートゾーンを１０００℃に昇温し、下段ヒートゾーンを１３８４℃に昇温する。この状態にて、ガス供給口１２ａから、ガス（Ｈｅ１０リットル／分、Ｃｌ₂０．１リットル／分）を供給して、ＥｒＣｌ₃ガスを発生させ、コアスート２１の下端から順に上段ヒートゾーンを通過させ、これによりコアスート２１にＥｒＣｌ₃ガスを浸透、沈着させた。

（酸化工程）
この後、コアスート２１を一旦取り出し、ヒートゾーンが１つであり、かつヒートゾーンがコアスートの全長を一度に加熱できる程度に広い図４に示す加熱炉５０に収容し、１０時間かけて室温から８００℃まで加熱し、同時に、ガス（アルゴン２リットル／分、酸素８リットル／分）を供給することでコアスートに沈着したＥｒＣｌ₃を酸化させた。

（脱水工程、ガラス化工程）
再びコアスート２１を図１の加熱炉３０にセットし、実施例１の脱水工程およびエルビウム添加・ガラス化工程とほぼ同様な条件にて、脱水工程およびガラス化工程を行った。この方法で得られた希土類添加光ファイバ母材中のエルビウム濃度は５０００ｗｔｐｐｍ程度であった。希土類添加光ファイバ母材は実施例１と同様に表面の割れがないことが確認できた。また、本実施例により得られたコアロッドは外径が約２５ｍｍであり、長さが平行部で５０ｍｍであった。本実施例のように酸化工程を含めることにより、脱水、ガラス化時にエルビウムが揮発するのを防ぐことができ、より高濃度にエルビウムを添加することができる。

（実施例３）
以下に実施例３の上段ヒーター１５および下段ヒーター１６の温度制御の概略を示す。

上段ヒーター 下段ヒーター
１：エルビウム添加 １０００℃ １３８４℃
２：酸化工程 （上段ヒーターのみ室温から８００℃まで１０時間で昇温）
３：脱水工程 １０００℃ 昇温せず
４：ガラス化工程 １４５５℃ 昇温せず

本実施例では実施例２と同様にコアスート２１（平均かさ密度０．２３ｇ／ｃｍ³）にＥｒＣｌ₃を付着させるエルビウム添加工程、ＥｒＣｌ₃を酸化させる酸化工程を行った後、脱水・ガラス化した。

ただし、酸化工程は実施例２のように別の加熱炉５０を用いずに、添加工程および酸化工程を行った加熱炉３０をそのまま用いて行った。したがって、コアスート２１を一旦加熱炉３０から取り出すことなく、コアロッドを作製した。それ以外の条件は実施例２と同様である。ただし、酸化工程において、室温から８００℃までの加熱は、上段ヒートゾーンを８００℃に設定し、コアスート２１を１０時間かけて上段ヒートゾーンに移動することにより行った。

この方法で得られた希土類添加光ファイバ母材中のエルビウム濃度は５０００ｗｔｐｐｍ程度であった。希土類添加光ファイバ母材は実施例１と同様に表面の割れがないことが確認できた。また、本実施例により得られたコアロッドは外径が約２５ｍｍであり、長さが平行部で５０ｍｍであった。

図３に示す装置によって、上記実施例１、２のエルビウム添加光ファイバ４５に関して、励起光から信号光のパワー変換効率を測定した。測定は図３に示す１４８０ｎｍの双方光励起で行った。信号光光源としてＤＦＢ光源４１を使い１４８０ｎｍ励起光源４７，５３にて双方向励起を行っている。信号光と励起光の出力強度をパワーメータ５７で測定し本文中に記載したパワー変換効率（ＰＣＥ）を下記定義式を用いて導出した。

ＰＣＥ＝（（Ｐ_s ^out−Ｐ_s ⁱⁿ）／（Ｐ_P ^F＋Ｐ_P ^B））×１００［％］

ここで、Ｐ_s ^outは信号光の出力強度、Ｐ_s ⁱⁿは信号光の入力強度、Ｐ_P ^Fは前方励起光の入力強度、Ｐ_P ^Bは後方励起光の入力強度である。それぞれの強度はＥＤＦ端面のものである。信号光波長は１５５３ｎｍ、強度は−３ｄＢｍである。なお、この測定において融着ロス及び部品ロスは除外して測定している。

図２はパワー変換効率のエルビウム添加濃度依存性を示すグラフである。図２において、縦軸はパワー変換効率［％］、エルビウム添加濃度［ｐｐｍ］を示している。点線が従来技術の含浸法、一点鎖線がＭＣＶＤ法を用いた気相添加法（多孔質コアスートを合成する際にエルビウムを添加する方法）、実線が本実施例のパワー変換効率のエルビウム添加濃度依存性を示す。どの製法においてもエルビウム添加濃度が高くなるほどパワー変換効率が低下しているが、本実施例のものでは従来と比較してパワー変換効率の低下が低減されていることが分かる。

溶液含浸法で作製したＥＤＦのパワー変換効率はエルビウム濃度がおおむね１０００ｗｔｐｐｍ、１５００ｗｔｐｐｍ、２０００ｗｔｐｐｍのとき、それぞれ９０％、８２％、７５％である。エルビウム濃度が１５００ｗｔｐｐｍを超えると濃度消光によりパワー変換効率の低下が顕著になっていた。本実施例１，２のＥＤＦではエルビウム濃度がおおむね２０００ｗｔｐｐｍ、３０００ｗｔｐｐｍ、５０００ｗｔｐｐｍのとき、それぞれ９２％、８８％、８０％であった。本実施例ではエルビウムを１５００ｗｔｐｐｍ以上添加しても顕著な効率低下は観測されなかった。

これは、本実施例の製造方法によれば、エルビウムの周囲にアルミニウムがより効率よく配位されるため、エルビウムイオン同士の会合（クラスタリング）による濃度消光が発生しないためと考えられる。また、ＭＣＶＤ法を用いた気相法よりも高い変換効率が得られるのは、ＶＡＤ法を用いることにより、得られる光ファイバ中にガラスの構造欠陥が少ないことが影響しているものと考えられる。

また、溶液含浸法では含浸、乾燥時にコアスートが崩れるのを防ぐため、焼結してかさ密度を０．３５ｇ／ｃｍ³程度あるいはそれ以上に高める必要があったが、本発明の気相添加法を用いることで０．３５ｇ／ｃｍ³程度以下の密度のスートでも崩れてしまうことはない。

本実施例ではＥｒＣｌ₃ガスを発生させる原料として金属エルビウムを用いたがＥｒＣｌ₃やＥｒＣｌ₃・６Ｈ₂Ｏを用いても良い。その際はＣｌ₂を導入してＥｒＣｌ₃ガスを発生させる必要はなく、ＥｒＣｌ₃やＥｒＣｌ₃・６Ｈ₂Ｏをそのまま加熱すればＥｒＣｌ₃ガスを発生させることができる。また、エルビウムを含んだ有機金属錯体を用いることも可能である。有機金属錯体は気化温度が無機金属材料よりも低いため、下段のヒートゾーンの温度を低く設定することができる。下段ヒートゾーンにＰ（リン）を含む化合物やＡｌ（アルミニウム）を含む化合物を収容すればリンやアルミニウムを共添加することも可能である。

以上のように、本発明にかかる希土類添加光ファイバ母材の製造方法および希土類添加光ファイバは、光ファイバ増幅器に有用であり、特に、大容量の波長分割多重伝送（ＷＤＭ）システムに用いられる光ファイバ増幅器に好適である。

実施例１および実施例２にて使用した加熱炉の断面図である。 パワー変換効率のエルビウム添加濃度依存性を示すグラフである。 エルビウム添加光ファイバの信号光のパワー変換効率を測定した装置の模式図である。 実施例２の酸化工程に使用する加熱炉の断面図である。

符号の説明

１１ 上部炉心管
１２ 下部炉心管
１５ 上段ヒーター
１６ 下段ヒーター
１７ 試料保持具
２１ コアスート
２２ 希土類金属試料（金属エルビウム）
３０ 加熱炉

Claims (4)

1. ＶＡＤ法またはＯＶＤ法のいずれか一方の方法によりコアスートを形成し、その後に、前記コアスートに希土類元素を気相状態で添加して、コア領域に希土類元素が添加された希土類添加光ファイバであって、前記希土類元素の添加濃度が２０００ｗｔｐｐｍ以上であり、前記希土類添加光ファイバを用いて光増幅器を構成して波長１４８０ｎｍにおける双方向励起を行ったときの励起光から信号光へのパワー変換効率が９０％以上であるところの前記希土類添加光ファイバの製造に用いる希土類添加光ファイバ母材を製造する希土類添加光ファイバ母材の製造方法において、
   前記添加する希土類元素を含む気体を発生させる第１のヒートゾーンと、前記コアスートを加熱する第２のヒートゾーンとを設け、前記第１のヒートゾーンに希土類元素を含む化合物または希土類金属を配置し、前記第２のヒートゾーンにかさ密度が０．３５ｇ／ｃｍ³以下のコアスートを配置し、前記第１のヒートゾーンおよび前記第２のヒートゾーンそれぞれの温度を独立に制御して、前記第１のヒートゾーンで前記希土類元素を含む気体を発生させるとともに該気体を前記第２のヒートゾーンで前記コアスートに浸透させて、前記コアスートに前記希土類元素を含む化合物を沈着させる工程と、
   前記コアスートに沈着した前記化合物を酸化する工程と、
   前記化合物が酸化した後のコアスートを脱水、ガラス化する工程と、
   を行って、前記希土類添加光ファイバ母材を作製することを特徴とする希土類添加光ファイバ母材の製造方法。
2. 前記希土類元素として少なくともＥｒ（エルビウム）を含むことを特徴とする請求項１記載の希土類添加光ファイバ母材の製造方法。
3. 前記希土類元素を含む気体を得る際に、前記希土類金属とＣｌ₂（塩素）を反応させることにより前記気体を発生させることを特徴とする請求項１または２に記載の希土類添加光ファイバ母材の製造方法。
4. 前記希土類元素を含む気体を発生させる第１のヒートゾーンの温度を制御することで、前記コアスートに添加される前記希土類元素の添加量を調整することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の希土類添加光ファイバ母材の製造方法。

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