JP6794755B2 - 光ファイバ - Google Patents
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Description
本発明は、光ファイバに関するものである。
エルビウム（Ｅｒ）を含むシリカガラスからなるコアを有する光ファイバは、Ｅｒを励起し得る波長の励起光が供給されることで、ＣバンドまたはＬバンドの信号光を増幅することができる。このような光ファイバはＥＤＦ（Erbium-Doped Fiber）と呼ばれる。
特許文献１にはＥＤＦの製造方法が記載されている。この文献に記載された製造方法は、シリカガラスのパイプの内壁面上にガラス微粒子を堆積させて透明化する工程などを含むＭＣＶＤ（Modified Chemical Vapor Deposition）法により光ファイバ母材を製造し、この光ファイバ母材を線引してＥＤＦを製造するものである。
特許文献２には、コアがアルカリ金属元素またはアルカリ土類元素を含むＥＤＦの発明が開示されている。この文献には、コアにおけるアルカリ金属元素の濃度を０.１wt％〜３wt％とすることで発光効率が向上した旨の記載がある。
本発明者は、特許文献１に記載されているようにＭＣＶＤ法によりＥＤＦを製造した場合に以下のような問題が生じることを見出した。
すなわち、ＥＤＦのファイバ軸からの径方向の距離に対してＥｒ濃度分布を測定してみると、コア内におけるＥｒ濃度分布の均一性が悪く、コア中央領域（ファイバ軸を中心とする領域）においてＥｒ濃度が低いディップが存在する。ＭＣＶＤ法における縮径工程やコラプス工程の際にガラスパイプが１８００〜２０００℃程度に加熱され、その加熱時にガラスパイプの内表面近傍のＥｒが揮発することにより、このようなディップが生じると考えられる。
コア内においてＥｒ濃度分布の均一性が優れる場合と比べると、コア中央領域においてＥｒ濃度が低いディップが存在する場合には、Ｅｒ濃度分布に対する励起光および信号光のパワー分布の重なり積分が小さく、その結果、信号光の増幅の効率が低い。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、信号光を高効率に増幅することができる光ファイバを提供することを目的とする。
本発明の光ファイバは、シリカガラスからなるコアと、該コアを取り囲み前記コアより屈折率が低いシリカガラスからなるクラッドとを備え、前記コアは、エルビウム、アルミニウムおよびカルシウムを含み、前記クラッドは、純シリカガラスまたはフッ素を含むシリカガラスであり、前記コアにおけるカルシウムの濃度は、前記コアの中心に近いほど大きい傾向を有し、前記コアにおけるエルビウムの最大濃度をMaxErとし、前記コアの半径の１／３の半径のコア中央領域におけるエルビウムの最小濃度をMinErとしたときに、比MinEr／MaxErが０.５以上である。
本発明の光ファイバは、コア中央領域におけるＥｒ濃度のディップが抑制されたものとなり、信号光を高効率に増幅することができる。
本発明の光ファイバは、シリカガラスからなるコアと、該コアを取り囲み前記コアより屈折率が低いシリカガラスからなるクラッドとを備え、前記コアは、エルビウム、アルミニウムおよびカルシウムを含み、前記クラッドは、純シリカガラスまたはフッ素を含むシリカガラスであり、前記コアにおけるエルビウムの最大濃度をMaxErとし、前記コアの半径の１／３の半径のコア中央領域におけるエルビウムの最小濃度をMinErとしたときに、比MinEr／MaxErが０.５以上である。
前記コアは、平均濃度５０wt ppm以上５０００wt ppm以下のカルシウムを含むのが好ましく、平均濃度５０wt ppm以上１０００wt ppm以下のカルシウムを含むのが更に好ましい。前記コアは、平均濃度５０wt ppm以上２０００wt ppm以下のエルビウムを含むのが好ましい。前記コアは、平均濃度０.５wt％以上７wt％以下のアルミニウムを含むのが好ましい。前記比MinEr／MaxErが０.８以上であるのが好ましい。ここで、「wt ppm」とは、添加されたすべてのドーパントを含めたシリカガラス1000ｇ中に0.001ｇのＣａ原子が含まれることを表す。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１は、光ファイバ１の断面図である。本実施形態の光ファイバ１は、コア１１と、このコア１１を取り囲むクラッド１２とを備える。コア１１は、エルビウム（Ｅｒ）を含むシリカガラスである。コア１１は、屈折率上昇のためにＧｅＯ２を含んでいてもよい。クラッド１２は、純シリカガラスまたはフッ素を含むシリカガラスである。クラッド１２の屈折率はコア１１の屈折率より低い。この光ファイバ１は、Ｅｒを励起し得る波長（９８０μｍ帯または１４８０μｍ帯）の励起光が供給されることで、Ｃバンド（１５３０μｍ〜１５６５μｍ）またはＬバンド（１５６５μｍ〜１６２５μｍ）の信号光を増幅することができる。
コア１１におけるＥｒ平均濃度は５０wt ppm以上２０００wt ppm以下であるのが好ましい。コア１１は、Ｅｒに加えてアルミニウム（Ａｌ）をも含む。コア１１におけるＡｌ平均濃度は０.５wt％以上７wt％以下であるのが好ましい。コア１１がＡｌを含むことで、利得スペクトルが平坦化される。
コア１１は、更にカルシウム（Ｃａ）をも含む。本発明者が行った実験に基づく知見によれば、揮発性が低いＣａをコア１１が含むことで、コア中央領域におけるＥｒ濃度のディップが抑制されたものとなる。これは、ＭＣＶＤ法における縮径工程やコラプス工程の際にガラスパイプが高温にさらされても、Ｃａが揮発し難く、このＣａがＥｒの揮発を妨げていることによると考えられる。
コア１１におけるＣａ平均濃度は、５０wt ppm以上５０００wt ppm以下であるのが好ましく、５０wt ppm以上１０００wt ppm以下であるのが更に好ましい。なお、コア１１におけるＣａ平均濃度が５０００wt ppmを超えると、ガラスが結晶化し易くなり、光ファイバの製造が困難となる。
コア１１がＣａを微量でも含んでいればコア中央領域におけるＥｒ濃度のディップが小さくなるが、光ファイバ１の増幅の高効率化の為にはコア１１におけるＣａ平均濃度は５０wt ppm以上であるのが好ましい。
コア１１におけるＥｒ最大濃度をMaxErとする。また、コア１１の半径の１／３の半径のコア中央領域（コア１１の中心と同じ中心を有する領域）におけるＥｒ最小濃度をMinErとする。このとき、本実施形態の光ファイバ１においては、比MinEr／MaxErは０.５以上である。また、比MinEr／MaxErは０.８以上であるのが好ましい。比MinEr／MaxErが大きいほど、コア中央領域におけるＥｒ濃度のディップが小さく、Ｅｒ濃度分布に対する励起光および信号光のパワー分布の重なり積分が大きくなり、信号光の増幅の効率が高くなる。
次に、本実施形態の光ファイバ１を製造する方法について説明する。図２および図３は、光ファイバ製造方法における一工程を説明する図である。
ＭＣＶＤ法によるガラス堆積工程では、図２に示されるように、シリカガラスのパイプ３１の一端から内部に原料ガスを導入するとともに、ガラスパイプ３１をバーナ３４により加熱する。このとき、ガラスパイプ３１の一端から他端へ向けてバーナ３４を移動させる。ガラスパイプ３１は、純シリカガラスであってもよいし、Ｆ元素を含むシリカガラスであってもよい。この加熱により原料ガスからガラス微粒子が生成され、そのガラス微粒子がガラスパイプ３１の内壁に堆積されて多孔質ガラス層３２となる。バーナ３４の移動によって多孔質ガラス層３２が更に加熱されて脱水・焼結され透明ガラス３３とされる。ガラスパイプ３１の内部に導入される原料ガスには、例えば、ＳｉＣｌ４ガス、ＧｅＣｌ４ガス、Ａｌ２Ｃｌ３ガス、Ｅｒ有機原料ガス（Ｅｒ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）３ガス）およびＯ２ガス等が含まれる。
このガラス堆積工程に続くＣａ添加工程では、図３に示されるように、ガラス堆積工程後のガラスパイプ５１の一端から内部に、熱源（電気炉やバーナなど）５２により加熱されたＣａ原料５３のガスを導入するとともに、キャリアガス（Ｏ２ガス、Ａｒガス、Ｈｅガスなど）を導入する。これと共に、ガラスパイプ５１を外部熱源（熱プラズマや酸水素火炎など）５４により加熱する。これにより、ガラスパイプ５１の内表面からガラスパイプ５１内にＣａを拡散添加する。
このＣａ添加工程に続いて、ガラスパイプを縮径しコラプスして、コアガラスロッドを作製する。このコアガラスロッドの周囲に、コアの一部となるべきガラスを更に設けてもよい。コアガラスロッドの周囲に、公知の方法で光ファイバのクラッドとなるべきガラスを設けることで、光ファイバ母材を製造することができる。そして、この光ファイバ母材を線引することで、光ファイバを製造することができる。
次に、本発明者が行った実験（実施例１、比較例１）の条件および結果について説明する。実施例１では、ガラス堆積工程において、原料ガスとしてＳｉＣｌ４、ＧｅＣｌ４、Ａｌ２Ｃｌ３、Ｅｒ有機原料およびＯ２をガラスパイプの内部に導入した。実施例１では、ガラス堆積工程に続くＣａ添加工程においてガラスパイプ内にＣａを拡散添加した。比較例１では、実施例１と同様のガラス堆積工程を行い、その後のＣａ添加工程を行わなかった。
図４は、実施例１のＥｒ濃度分布およびＣａ濃度分布ならびに比較例１のＥｒ濃度分布を示す図である。図５は、実施例１のＥｒ濃度分布およびＡｌ濃度分布を示す図である。これらの図において、横軸はファイバの中心を原点として径方向の相対的位置を表す。
比較例１では、コア中央領域においてＥｒ濃度が低いディップが存在した。Ｅｒ添加領域は径方向位置０.７以下の範囲であるのに対して、Ｅｒ濃度分布のディップは径方向位置０.２以下の範囲（すなわち、コアの半径の１／３の半径のコア中央領域）で生じた。MaxErは８００wt ppm超であり、MinErは４００wtppm未満であり、比MinEr／MaxErは０.５未満であった。なお、Ｃａ添加工程を行わない他の比較例として、ガラス堆積工程において径方向位置０.２以下の範囲のガラスを堆積する際にＥｒ原料の導入量を増やす等の対策を試みたが、比MinEr／MaxErが０.５以上となることはなかった。
これに対して、実施例１では、コア中央領域におけるＥｒ濃度分布のディップは抑制された。MaxErは、コア中心において約８５０wt ppmであった。MinErはMaxErと等しく、比MinEr／MaxErは１.０であった。実施例１では、Ｅｒ添加領域におけるＥｒ平均濃度は６５０wt ppmであり、Ｃａ平均濃度は３００wt ppmであり、Ａｌ平均濃度は３.８wt ppmであった。
１…光ファイバ、１１…コア、１２…クラッド。
Claims (6)
- シリカガラスからなるコアと、該コアを取り囲み前記コアより屈折率が低いシリカガラスからなるクラッドとを備え、
前記コアは、エルビウム、アルミニウムおよびカルシウムを含み、
前記クラッドは、純シリカガラスまたはフッ素を含むシリカガラスであり、
前記コアにおけるカルシウムの濃度は、前記コアの中心に近いほど大きい傾向を有し、
前記コアにおけるエルビウムの最大濃度をMaxErとし、前記コアの半径の１／３の半径のコア中央領域におけるエルビウムの最小濃度をMinErとしたときに、比MinEr／MaxErが０.５以上である、
光ファイバ。 - 前記コアは、平均濃度５０wt ppm以上５０００wt ppm以下のカルシウムを含む、
請求項１に記載の光ファイバ。 - 前記コアは、平均濃度５０wt ppm以上１０００wt ppm以下のカルシウムを含む、
請求項１に記載の光ファイバ。 - 前記コアは、平均濃度５０wt ppm以上２０００wt ppm以下のエルビウムを含む、
請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。 - 前記コアは、平均濃度０.５wt％以上７wt％以下のアルミニウムを含む、
請求項１〜４の何れか１項に記載の光ファイバ。 - 前記比MinEr／MaxErが０.８以上である、
請求項１〜５の何れか１項に記載の光ファイバ。
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