JP7149515B2 - Rare-earth-doped optical fiber and method for improving radiation resistance of rare-earth-doped optical fiber - Google Patents

Rare-earth-doped optical fiber and method for improving radiation resistance of rare-earth-doped optical fiber Download PDF

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本発明は、希土類元素添加光ファイバ、及び希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法に関する。 The present invention relates to a rare-earth-doped optical fiber and a method for improving the radiation resistance of the rare-earth-doped optical fiber.

光ファイバは、一般に、コア部と、そのコア部を被覆するクラッド部とを有する。この種の光ファイバでは、コア部の屈折率をクラッド部の屈折率よりも大きくして、光をコア部とクラッド部の境界で全反射させることにより、その光をコア部内に閉じ込めて、光信号として遠方に伝播させる。 An optical fiber generally has a core portion and a clad portion covering the core portion. In this type of optical fiber, the refractive index of the core is made higher than that of the clad, and the light is totally reflected at the boundary between the core and the clad. Propagate far away as a signal.

また、光ファイバは、増幅器としても利用されている。増幅器用の光ファイバとして、コア部に希土類元素を添加した希土類元素添加光ファイバが知られている。希土類元素として、エルビウム(Er)を添加したEr添加光ファイバは、1.55μm帯の増幅器として利用されている。
増幅器として利用する希土類元素添加光ファイバでは、利得を向上させるために、コア部の希土類元素の含有量を多くすることが有効である。しかしながら、希土類元素(特に、Er)の含有量を多くし過ぎると、希土類元素同士のクラスタリング(寄り集ること)が生成して濃度消光が起こり、却って利得が低下することがある。この希土類元素同士のクラスタリングの生成を防止するために、希土類元素添加光ファイバでは、コア部に、リン(P)やアルミニウム(Al)を共添加して希土類元素を分散させることが行なわれている。
Optical fibers are also used as amplifiers. Rare-earth-element-doped optical fibers having a core portion doped with a rare-earth element are known as optical fibers for amplifiers. An Er-doped optical fiber doped with erbium (Er) as a rare earth element is used as an amplifier in the 1.55 μm band.
In a rare earth element-doped optical fiber used as an amplifier, it is effective to increase the content of the rare earth element in the core portion in order to improve the gain. However, if the content of the rare earth elements (especially Er) is too high, clustering (aggregation) of the rare earth elements occurs, concentration quenching occurs, and the gain may rather decrease. In order to prevent this clustering between rare earth elements, in a rare earth element-doped optical fiber, phosphorus (P) or aluminum (Al) is co-doped in the core portion to disperse the rare earth elements. .

近年の光通信技術の進展に伴って、光ファイバは様々な環境で利用されるようになっている。例えば、光ファイバは、宇宙空間や原子力発電所などの放射線が存在する環境においても利用されている。しかしながら、コア部に金属元素が添加されている光ファイバは、放射線(特に、X線、γ線などの電磁放射線)によって劣化しやすいという問題がある。 2. Description of the Related Art With recent progress in optical communication technology, optical fibers have come to be used in various environments. For example, optical fibers are also used in environments where radiation exists, such as outer space and nuclear power plants. However, an optical fiber having a core portion doped with a metal element has a problem that it is easily deteriorated by radiation (especially electromagnetic radiation such as X-rays and γ-rays).

例えば、光ファイバのコア部の屈折率を向上させるためにGeが添加された光ファイバは、純粋なシリカコアの光ファイバと比較して耐放射線性が劣ることが知られている。このため、Geを使用せずにコア部の屈折率を高めることが検討されている。特許文献1には、Geを使用せずにコア部の屈折率を高める方法として、クラッド部として高濃度のフッ素を含む石英ガラス質クラッド部を用いて、クラッド部をコア部よりも低屈折率とすることによって、コア部の屈折率を相対的に高める方法が開示されている。 For example, it is known that an optical fiber doped with Ge to improve the refractive index of the core portion of the optical fiber is inferior to an optical fiber having a pure silica core in radiation resistance. Therefore, increasing the refractive index of the core portion without using Ge is being studied. In Patent Document 1, as a method for increasing the refractive index of the core portion without using Ge, a quartz glass clad portion containing a high concentration of fluorine is used as the clad portion, and the clad portion has a lower refractive index than the core portion. A method of relatively increasing the refractive index of the core portion is disclosed.

また、希土類元素のクラスタリングの発生を防止するためにPやAlがコア部に添加された希土類元素添加光ファイバは、放射線が照射されると、光の欠陥吸収が生成して利得が低下することが知られている。この光の欠陥吸収は、コア部に添加されているPやAlに起因するとされている。 In addition, when a rare earth element-doped optical fiber in which P or Al is added to the core portion to prevent clustering of the rare earth element from occurring, defect absorption of light is generated and the gain is lowered when irradiated with radiation. It has been known. This defect absorption of light is said to be caused by P and Al added to the core portion.

特許文献2には、放射線に敏感な他のいかなるドーパントも追加することを必要としない希土類元素添加光ファイバとして、コア部が、コアマトリックスを有し、かつ希土類ドーピングのシリカベースナノ粒子を含む希土類元素添加光ファイバが開示されている。この特許文献2に開示されている希土類元素添加光ファイバでは、コアマトリックスとしてはリンやアルミニウムを含まないシリカベースマトリックスが用いられている。 US Pat. No. 6,200,000 discloses a rare earth element-doped optical fiber that does not require the addition of any other radiation sensitive dopants. A doped optical fiber is disclosed. In the rare-earth-element-doped optical fiber disclosed in Patent Document 2, a silica-based matrix that does not contain phosphorus or aluminum is used as the core matrix.

特許文献3には、リンに起因する放射線による利得の低下を抑制するために、コア部に、セリウム(Ce)を共ドープすることが開示されている。この特許文献3には、コア部のエルビウム濃度が100~1000ppmであり、イッテルビウム濃度が500~10000ppmであり、リン濃度が2~10原子%であり、セリウム濃度が500~10000ppmである希土類元素添加光ファイバが記載されている。 Patent Document 3 discloses that the core portion is co-doped with cerium (Ce) in order to suppress reduction in gain due to radiation caused by phosphorus. In Patent Document 3, the core portion has an erbium concentration of 100 to 1000 ppm, an ytterbium concentration of 500 to 10000 ppm, a phosphorus concentration of 2 to 10 atomic %, and a cerium concentration of 500 to 10000 ppm. An optical fiber is described.

特開昭60-257408号公報JP-A-60-257408 特開2010-135801号公報JP 2010-135801 A 米国特許出願公開第2013/0101261号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2013/0101261

本発明の目的は、耐放射線性に優れる新規な希土類元素添加光ファイバを提供することにある。すなわち、本発明は、コア部に希土類元素とリンとを含みながらも耐放射線性が高く、放射線が存在する環境で使用しても利得が低減しにくい新規な希土類元素添加光ファイバを提供することを目的とする。また、本発明は、コア部に希土類元素とリンとを含む希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる新規な方法を提供することもその目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a novel rare earth element-doped optical fiber having excellent radiation resistance. That is, the present invention provides a novel rare-earth element-doped optical fiber that has high radiation resistance while containing a rare-earth element and phosphorus in the core portion, and does not easily reduce gain even when used in an environment where radiation exists. With the goal. Another object of the present invention is to provide a novel method for improving the radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber containing a rare earth element and phosphorus in the core portion.

上記の課題を解決するために、本発明の希土類元素添加光ファイバは、コア部と、前記コア部の周囲を覆うクラッド部とを有し、前記コア部が、エルビウム、イッテルビウム、リン及びゲルマニウムを含み、前記エルビウムの含有量が0.05質量%以上であり、前記リンの含有量が、前記リンと前記エルビウムとの質量比P/Erで13.5以上92.6以下であり、前記ゲルマニウムの含有量が0.5質量%以上12.0質量%以下であり、前記イッテルビウムの含有量が、前記イッテルビウムと前記エルビウムとの質量比Yb/Erで3.9以上11.6以下であることを特徴としている。 In order to solve the above problems, the rare earth element-doped optical fiber of the present invention has a core portion and a clad portion surrounding the core portion, and the core portion contains erbium, ytterbium, phosphorus and germanium. The erbium content is 0.05% by mass or more, the phosphorus content is 13.5 or more and 92.6 or less in mass ratio P/Er between the phosphorus and the erbium, and the germanium is 0.5% by mass or more and 12.0% by mass or less, and the content of the ytterbium is 3.9 or more and 11.6 or less in terms of the mass ratio Yb/Er between the ytterbium and the erbium. is characterized by

本発明の希土類元素添加光ファイバにおいては、前記ゲルマニウムの含有量が0.5質量%以上8.6質量%以下であってもよい。 In the rare earth element-doped optical fiber of the present invention, the germanium content may be 0.5% by mass or more and 8.6% by mass or less .

また、本発明の希土類元素添加光ファイバにおいては、前記リンの含有量が、0.9質量%以上18質量%以下であってもよい。
また、本発明の希土類元素添加光ファイバにおいては、前記イッテルビウムの含有量が、0.2質量%以上2.5質量%以下であってもよい。
Further, in the rare earth element-doped optical fiber of the present invention, the phosphorus content may be 0.9% by mass or more and 18% by mass or less.
Further, in the rare earth element-doped optical fiber of the present invention, the ytterbium content may be 0.2% by mass or more and 2.5% by mass or less.

また、本発明の希土類元素添加光ファイバにおいては、前記コア部はセリウムを含み、前記セリウムの含有量が0.12質量%以下であってもよい。 Further, in the rare earth element-doped optical fiber of the present invention, the core portion may contain cerium, and the cerium content may be 0.12% by mass or less.

また、本発明の希土類元素添加光ファイバにおいては、前記コア部はアルミニウムを含み、前記アルミニウムの含有量が、前記アルミニウムと前記リンとの質量比Al/Pで1.0未満であってもよい。 Further, in the rare earth element-doped optical fiber of the present invention, the core portion may contain aluminum, and the content of the aluminum may be less than 1.0 as a mass ratio Al/P between the aluminum and the phosphorus. .

また、本発明の希土類元素添加光ファイバにおいては、前記コア部はホウ素を含み、前記ホウ素の含有量が0.6質量%以下であってもよい。 Further, in the rare earth element-doped optical fiber of the present invention, the core portion may contain boron, and the boron content may be 0.6% by mass or less.

本発明の希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法は、コア部と、前記コア部の周囲を覆うクラッド部とを有し、前記コア部が、エルビウム、イッテルビウム及びリンを含む希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法であって、前記コア部に、前記エルビウムを0.05質量%以上、前記リンと前記エルビウムとの質量比P/Erで13.5以上92.6以下、前記ゲルマニウムを0.5質量%以上12.0質量%以下、前記イッテルビウムを前記イッテルビウムと前記エルビウムとの質量比Yb/Erで3.9以上11.6以下添加することを特徴としている。
本発明に係る希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法において、前記ゲルマニウムの含有量を0.5質量%以上8.6質量%以下とすることができる。
本発明に係る希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法において、前記リンの含有量を0.9質量%以上18質量%以下とすることができる。
本発明に係る希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法において、前記イッテルビウムの含有量を0.2質量%以上2.5質量%以下とすることができる。
本発明に係る希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法において、前記コア部にセリウムを含有させ、前記セリウムの含有量を0.12質量%以下とすることができる。
本発明に係る希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法において、前記コア部にアルミニウムを含有させ、前記アルミニウムの含有量を前記アルミニウムと前記リンとの質量比Al/Pで1.0未満とすることができる。
本発明に係る希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法において、前記コア部にホウ素を含有させ、前記ホウ素の含有量を0.6質量%以下とすることができる。
A method for improving radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber according to the present invention has a core portion and a clad portion surrounding the core portion, and the core portion contains a rare earth element containing erbium, ytterbium and phosphorus. A method for improving the radiation resistance of a doped optical fiber, wherein the core portion contains 0.05% by mass or more of erbium, and the mass ratio P/Er of the phosphorus and the erbium is 13.5 to 92.6. Hereinafter, the germanium is added at 0.5% by mass or more and 12.0% by mass or less, and the ytterbium is added at a mass ratio Yb/Er of 3.9 or more and 11.6 or less between the ytterbium and the erbium .
In the method for improving the radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber according to the present invention, the content of germanium can be 0.5% by mass or more and 8.6% by mass or less.
In the method for improving the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber according to the present invention, the phosphorus content can be 0.9% by mass or more and 18% by mass or less.
In the method for improving the radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber according to the present invention, the content of ytterbium can be 0.2% by mass or more and 2.5% by mass or less.
In the method for improving the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber according to the present invention, the core portion may contain cerium, and the cerium content may be 0.12% by mass or less.
In the method for improving the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber according to the present invention, the core portion contains aluminum, and the content of the aluminum is 1.0 in terms of the mass ratio Al/P of the aluminum and the phosphorus. can be less than
In the method for improving the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber according to the present invention, the core portion may contain boron, and the boron content may be 0.6% by mass or less.

本発明によれば、コア部にエルビウムとゲルマニウムとイッテルビウムとリンとを含みながらも、リンとエルビウムとの質量比P/Erで13.5以上92.6以下、ゲルマニウムを0.5質量%以上12.0質量%以下、イッテルビウムをイッテルビウムとエルビウムとの質量比Yb/Erで3.9以上11.6以下添加したので、耐放射線性が高く、放射線が存在する環境で使用しても利得が低減しにくい新規な希土類元素添加光ファイバを提供することが可能となる。
上述のエルビウム添加により、コア部において励起光により信号光を生成する作用を得ることができ、上述のゲルマニウム添加によりリン添加に起因する放射線照射による欠陥吸収の生成を抑制し、耐放射線性を向上できる。更に、上述のようにイッテルビウムとエルビウムとの質量比を調整すると、エルビウムの含有量が多くても、エルビウムの濃度消光を抑えることができ、信号光の生成量を増加できる。更に、上述のようにエルビウムとリンとの質量比を調整すると、エルビウムのクラスタリングの発生を確実に抑制することができる。
また、本発明によれば、上述のエルビウム含有量とゲルマニウム含有量を選択し、上述の質量比P/Erと質量比Yb/Erを選択することにより、コア部にエルビウムとゲルマニウムとイッテルビウムとリンとを含む希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる新規な方法を提供することが可能となる。
According to the present invention, even though the core portion contains erbium, germanium, ytterbium, and phosphorus , the mass ratio P/Er between phosphorus and erbium is 13.5 or more and 92.6 or less, and germanium is 0.5% by mass or more. Ytterbium is added at a mass ratio Yb/Er of ytterbium to erbium of 12.0% by mass or less, from 3.9 to 11.6. It is possible to provide a novel rare-earth element-doped optical fiber that is difficult to reduce.
The above-mentioned erbium addition makes it possible to obtain the action of generating signal light by excitation light in the core portion, and the above-mentioned germanium addition suppresses the generation of defect absorption due to radiation irradiation caused by phosphorus addition, improving radiation resistance. can. Furthermore, by adjusting the mass ratio of ytterbium and erbium as described above, even if the erbium content is high, erbium concentration quenching can be suppressed and the amount of signal light generated can be increased. Furthermore, by adjusting the mass ratio of erbium and phosphorus as described above, it is possible to reliably suppress the occurrence of erbium clustering.
Further, according to the present invention, by selecting the above-described erbium content and germanium content, and by selecting the above-described mass ratio P/Er and mass ratio Yb/Er , erbium, germanium, ytterbium , and phosphorus are formed in the core portion. It is possible to provide a novel method for improving the radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber containing

実施例1で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。4 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 1. FIG. 実施例2で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。5 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 2. FIG. 実施例3で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。7 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 3. FIG. 実施例4で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 4. FIG. 実施例5で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 5. FIG. 実施例6で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 6. FIG. 実施例7で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 7. FIG. 実施例8で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 8. FIG. 実施例9で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 9. FIG. 実施例10で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 10. FIG. 実施例11で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 11. FIG. 実施例12で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 12. FIG. 実施例13で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。13 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 13. FIG. 実施例14で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 14. FIG. 実施例15で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 15. FIG. 実施例16で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 16. FIG. 実施例17で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 17. FIG. 実施例18で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 18. FIG. 実施例19で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 19. FIG. 実施例20で作製した希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布を示すグラフである。10 is a graph showing the concentration distribution of the additive element in the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Example 20. FIG. 実施例1~10で作製した希土類元素添加光ファイバ母材のX線照射後の光の吸収係数増加量を示すグラフである。5 is a graph showing the amount of light absorption coefficient increase after X-ray irradiation of the rare earth element-doped optical fiber preforms produced in Examples 1 to 10. FIG. 実施例11~20で作製した希土類元素添加光ファイバ母材のX線照射後の光の吸収係数増加量を示すグラフである。10 is a graph showing the amount of increase in light absorption coefficient after X-ray irradiation of the rare earth element-doped optical fiber preforms produced in Examples 11 to 20. FIG. 実施例1、6、8、10及び比較例1で作製した希土類元素添加光ファイバのγ線照射後の光の吸収損失増加量を示すグラフである。5 is a graph showing the increase in light absorption loss of the rare earth element-doped optical fibers produced in Examples 1, 6, 8, 10 and Comparative Example 1 after γ-ray irradiation. 実施例11、12、13、18、19、21、22、23及び比較例1で作製した希土類元素添加光ファイバのγ線照射後の光の吸収損失増加量を示すグラフである。5 is a graph showing the amount of increase in light absorption loss after γ-ray irradiation of the rare earth element-doped optical fibers produced in Examples 11, 12, 13, 18, 19, 21, 22, and 23 and Comparative Example 1. FIG. 実施例1~23及び比較例1で作製した希土類元素添加光ファイバのコア部のGe添加濃度と耐X線特性と耐γ線特性の関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the Ge doping concentration in the core portion of the rare-earth-element-doped optical fibers produced in Examples 1 to 23 and Comparative Example 1, X-ray resistance, and γ-ray resistance.

以下、本発明に係る希土類元素添加光ファイバ、及び希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法の実施形態について説明する。 Embodiments of the rare earth element-doped optical fiber and the method for improving the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber according to the present invention will be described below.

本実施形態の希土類元素添加光ファイバは、コア部と、このコア部の周囲を覆うクラッド部とを有する。コア部は、エルビウム(Er)、イッテルビウム(Yb)、リン(P)及びゲルマニウム(Ge)を含むシリカ組成物で形成されている。コア部は、さらに必要に応じて、セリウム(Ce)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)を含んでいてもよい。 The rare-earth element-doped optical fiber of this embodiment has a core portion and a clad portion surrounding the core portion. The core is made of a silica composition containing erbium (Er), ytterbium (Yb), phosphorus (P) and germanium (Ge). The core portion may further contain cerium (Ce), aluminum (Al), and boron (B) as necessary.

本実施形態の希土類元素添加光ファイバは、コア部がErを含むEr添加光ファイバである。本実施形態の希土類元素添加光ファイバは、マルチモード型光ファイバ(MMF)、シングルモード型光ファイバ(SMF)、ダブルクラッド型光ファイバ(DCF)、偏波保持型光ファイバなどの光ファイバとして利用されている種々の形態とすることができる。本実施形態の希土類元素添加光ファイバは、例えば、1.55μm帯の光の増幅器として使用することができる。本実施形態の希土類元素添加光ファイバは、宇宙機(例えば、ロケット、人工衛星、宇宙船)に搭載される光通信機器や光ファイバジャイロ、原子炉における光ファイバ増幅器、航空機搭載用の光通信機器などの耐放射線性が要求される用途において好適に使用することができる。 The rare-earth-element-doped optical fiber of this embodiment is an Er-doped optical fiber whose core contains Er. The rare earth element-doped optical fiber of this embodiment is used as an optical fiber such as a multimode optical fiber (MMF), a single mode optical fiber (SMF), a double clad optical fiber (DCF), and a polarization maintaining optical fiber. It can be in various forms. The rare earth element-doped optical fiber of this embodiment can be used, for example, as an amplifier for light in the 1.55 μm band. The rare-earth-element-doped optical fiber of this embodiment can be used for optical communication equipment and optical fiber gyros mounted on spacecraft (for example, rockets, artificial satellites, spacecraft), optical fiber amplifiers in nuclear reactors, and optical communication equipment for aircraft. It can be suitably used in applications that require radiation resistance such as.

コア部に含まれるErは、波長0.98μmあるいは波長1.48μmの光(励起光)によって励起されて、波長1.55μmの光(信号光)を生成する作用を有する。
コア部のEr含有量は、好ましくは0.05質量%以上であり、特に好ましくは0.09質量%以上である。一方、Er含有量が多くなりすぎると、クラスタリングの発生による濃度消光が発生するおそれがあるため、次項以降に示す範囲でYb、Pを共添加させる必要がある。
Er contained in the core portion has the effect of generating light (signal light) with a wavelength of 1.55 μm when excited by light (pumping light) with a wavelength of 0.98 μm or 1.48 μm.
The Er content of the core portion is preferably 0.05% by mass or more, and particularly preferably 0.09% by mass or more. On the other hand, if the Er content is too high, concentration quenching may occur due to clustering, so it is necessary to co-dope Yb and P within the range shown in the following section.

Ybは、波長0.8~1.1μmの広い波長範囲の光で励起され、その励起したYbからErへのエネルギー遷移によってErを励起させる作用を有する。この作用によって、波長1.55μmの光の生成量を増加させることができる。また、Ybは、Erの周囲に配位して、Er同士の距離を長くすることによって、Erのクラスタリングの発生を抑制する作用も有する。この作用によって、Erの含有量が多くてもErの濃度消光を抑えることができ、これによっても波長1.55μmの光の生成量を増加させることができる。コア部のYb含有量は、YbとErとの質量比Yb/Erで、好ましくは4以上50以下の範囲、より好ましくは4以上40以下の範囲、特に好ましくは4以上20以下の範囲である。Yb含有量を上記の範囲とすることによって、波長1.55μmの光の生成を確実に増加させることができる。 Yb is excited by light with a wide wavelength range of 0.8 to 1.1 μm, and has the action of exciting Er by energy transition from the excited Yb to Er. This action can increase the amount of light with a wavelength of 1.55 μm. Yb also has the effect of suppressing the occurrence of clustering of Er by coordinating around Er and increasing the distance between Er. Due to this action, concentration quenching of Er can be suppressed even if the Er content is high, and this also makes it possible to increase the amount of light with a wavelength of 1.55 μm. The Yb content in the core portion is preferably in the range of 4 to 50, more preferably in the range of 4 to 40, and particularly preferably in the range of 4 to 20 in terms of the mass ratio Yb/Er of Yb and Er. . By setting the Yb content within the above range, it is possible to reliably increase the generation of light with a wavelength of 1.55 μm.

Pは、Erの周囲に配位して、Er同士の距離を長くすることによって、Erのクラスタリングの発生を抑制する作用を有する。この作用によって、Erの含有量が多くてもErの濃度消光を抑えることができ、これによって波長1.55μmの光の生成量を増加させることができる。また、Pは、Erの励起状態吸収(ESA)や励起したErからYbへのエネルギーの逆移動を抑制する作用も有する。
コア部のP含有量は、PとErとの質量比P/Erで、好ましくは18以上360以下の範囲である。P含有量が上記の範囲にあることによって、Erのクラスタリングの発生を確実に抑制することができる。
P has the effect of suppressing the occurrence of clustering of Er by coordinating around Er and lengthening the distance between Er. Due to this action, the concentration quenching of Er can be suppressed even if the Er content is high, so that the amount of light with a wavelength of 1.55 μm can be increased. P also has the effect of suppressing excited state absorption (ESA) of Er and back transfer of energy from excited Er to Yb.
The P content in the core portion is preferably in the range of 18 or more and 360 or less in mass ratio P/Er of P and Er. By setting the P content within the above range, it is possible to reliably suppress the occurrence of Er clustering.

Geは、後述の実施例で示すように、Pに起因する放射線の照射による欠陥吸収の生成を抑制して、耐放射線性を向上させる作用を有する。
本発明の発明者は、Pを含む希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させるために、コア部に種々の元素を添加した。そして、その結果、意外にも従来は耐放射線性の観点から使用が避けられていたGeを添加することによって、Pに起因する放射線の照射による欠陥吸収の生成が抑制され、希土類元素光ファイバの耐放射線性が向上することを見出した。
Ge has the effect of suppressing the generation of defect absorption due to P-induced radiation irradiation and improving the radiation resistance, as will be shown in the examples below.
The inventor of the present invention added various elements to the core portion in order to improve the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber containing P. As a result, unexpectedly, the addition of Ge, whose use was conventionally avoided from the viewpoint of radiation resistance, suppresses the generation of defect absorption due to irradiation of radiation caused by P, and the rare earth element optical fiber is improved. It was found that radiation resistance is improved.

コア部のGe含有量は、好ましくは0.5質量%以上12.0質量%以下の範囲である。Ge含有量の下限値は、より好ましくは1.0質量%以上、さらに好ましくは2.3質量%以上、特に好ましくは3.2質量%以上である。Ge含有量の上限値は、より好ましくは10質量%以下、さらに好ましくは9.0質量%以下、特に好ましくは8.6質量%以下、さらにより好ましくは6.0質量%以下、最も好ましくは5.0質量%以下である。Ge含有量が少なくなりすぎると、耐放射線性を十分に向上させることが難しくなるおそれがある。一方、Ge含有量が多くなりすぎても、耐放射線性の向上効果は飽和し、またNA(開口数)が大きくなりすぎるおそれがある。 The Ge content of the core portion is preferably in the range of 0.5% by mass or more and 12.0% by mass or less. The lower limit of the Ge content is more preferably 1.0% by mass or more, still more preferably 2.3% by mass or more, and particularly preferably 3.2% by mass or more. The upper limit of the Ge content is more preferably 10% by mass or less, more preferably 9.0% by mass or less, particularly preferably 8.6% by mass or less, still more preferably 6.0% by mass or less, and most preferably It is 5.0% by mass or less. If the Ge content is too low, it may become difficult to sufficiently improve the radiation resistance. On the other hand, if the Ge content is too high, the effect of improving the radiation resistance may be saturated and the NA (numerical aperture) may become too large.

Ceは、上記のGeと共に耐放射線性を向上させる作用を有する。
コア部のCe含有量は、好ましくは0.12質量%以下であり、特に好ましくは0.08質量%以上0.12質量%以下の範囲である。Ceの含有量を上記の範囲とすることによって、耐放射線性をより確実に向上させることが可能となる。
Ce has the effect of improving the radiation resistance together with Ge described above.
The Ce content in the core portion is preferably 0.12% by mass or less, and more preferably in the range of 0.08% by mass to 0.12% by mass. By setting the Ce content within the above range, the radiation resistance can be improved more reliably.

Alは、上記のPと共に、Erの周囲に配位して、Er同士の距離を長くすることによって、Erのクラスタリングの発生を抑制する作用を有する。また、Alは、増幅利得を平準化させる作用やPと共添加することでコア部のNAを低減させる効果がある。
コア部のAl含有量は、AlとPとの質量比Al/Pで、好ましくは1.0未満である。Alの含有量が多くなりすぎると、放射線の照射によってAlに起因する欠陥吸収が生成し易くなり、耐放射線性が低下するおそれがあるが、上記の範囲とすることによって、Alに起因する放射線の照射による欠陥吸収の生成を抑制しつつ、Erのクラスタリングの発生をより抑制でき、さらにコア部のNAを低減させることができる。
Al, together with P described above, coordinates around Er to lengthen the distance between Er, thereby suppressing the occurrence of clustering of Er. In addition, Al has the effect of leveling the amplification gain and the effect of reducing the NA of the core portion by being co-doped with P.
The Al content in the core portion is preferably less than 1.0 as the mass ratio Al/P between Al and P. If the content of Al is too high, the absorption of defects caused by Al is likely to occur due to radiation irradiation, and the radiation resistance may decrease. While suppressing the generation of defect absorption due to the irradiation of , the occurrence of clustering of Er can be further suppressed, and the NA of the core portion can be reduced.

Bは、耐放射線性を劣化させずに、コアのNAを低減させる作用を有する。コアのNAを低減させる観点では、BはAlの代替となり得るため、Bを添加することによって、Alの添加量を減らすことができる。
コア部のBの含有量は、好ましくは0.6質量%以下、特に好ましくは0.1質量%以上0.6質量%以下の範囲である。Bの含有量が多くなりすぎると、MCVD法により希土類元素添加光ファイバ母材(プリフォーム)を製造する場合は、Bと希土類元素の両方を高濃度に添加することが難しく、相対的に希土類元素の含有量が低下することにより、希土類元素の添加効果が低減するおそれがある。また、Bの含有量が多くなりすぎると、希土類元素添加光ファイバの製造時において、希土類元素添加光ファイバ母材のコア部分とクラッド部分の線膨張係数の差が大きくなり、プリフォームが割れてしまう可能性がある。また、Bの含有量が0.1質量%未満であると、Bの添加によってコアのNAを低減させる効果が小さくなるおそれがある。
B has the effect of reducing the NA of the core without degrading the radiation resistance. From the viewpoint of reducing the NA of the core, since B can substitute for Al, the addition of B can reduce the amount of Al added.
The content of B in the core portion is preferably 0.6 mass % or less, particularly preferably 0.1 mass % or more and 0.6 mass % or less. If the content of B is too high, it is difficult to add both B and a rare earth element at a high concentration when manufacturing a rare earth element-doped optical fiber preform (preform) by the MCVD method. A decrease in the content of the element may reduce the effect of adding the rare earth element. Also, if the B content is too high, the difference in linear expansion coefficient between the core portion and the clad portion of the rare earth element-doped optical fiber preform increases during the production of the rare earth element-doped optical fiber, and the preform cracks. It may get lost. If the B content is less than 0.1% by mass, the addition of B may reduce the effect of reducing the NA of the core.

本実施形態の希土類元素添加光ファイバにおいて、クラッド部は、コア部よりも屈折率が低いものであれば、その材料には特に制限はない。クラッド部の材料としては、例えば、シリカ(石英ガラス)を使用することができる。 In the rare-earth element-doped optical fiber of the present embodiment, the material of the cladding is not particularly limited as long as it has a lower refractive index than the core. Silica (quartz glass), for example, can be used as the material of the clad.

本実施形態の光ファイバは、特に限定されないが、クラッド部の直径が50μm以上400μm以下の範囲であってもよい。コア部の直径は、特に限定されないが、3μm以上110μm以下の範囲であってもよい。 Although the optical fiber of this embodiment is not particularly limited, the diameter of the cladding portion may be in the range of 50 μm or more and 400 μm or less. The diameter of the core portion is not particularly limited, but may be in the range of 3 μm or more and 110 μm or less.

次に、本実施形態の希土類元素添加光ファイバの製造方法について説明する。
本実施形態の希土類元素添加光ファイバは、例えば、コア部と、このコア部の周囲を覆うクラッド部とを有する希土類元素添加光ファイバ母材(プリフォーム)を作製する母材作製工程と、希土類元素添加光ファイバ母材を線引きして希土類元素添加光ファイバを製造する線引き工程とを有する方法によって製造することができる。
Next, a method for manufacturing the rare earth element-doped optical fiber of this embodiment will be described.
The rare-earth element-doped optical fiber of the present embodiment is produced by, for example, a preform manufacturing step of manufacturing a rare-earth element-doped optical fiber preform having a core portion and a clad portion surrounding the core portion; and a drawing step of drawing the element-doped optical fiber preform to manufacture the rare-earth element-doped optical fiber.

(母材作製工程)
母材作製工程では、Er、Yb、P及びGeを含み、さらに必要に応じてCe、Al、Bを含むシリカ組成物を備えるコア形成部と、そのコア形成部の周囲を覆うクラッド形成部とを有する希土類元素添加光ファイバ母材を作製する。希土類元素添加光ファイバ母材の作製方法としては、MCVD法(Modified Chemical Vapor Deposition Method)を用いることができる。具体的には、石英管に、シリカ源(例えば、SiCl)、Er源(例えば、Er(DPM))、Yb源(例えば、Yb(DPM))、P源(例えば、POCl)、Ge源(例えば、GeCl)、Ce源(例えば、Ce(DPM))、Al源(例えば、AlCl)、B源(例えば、BCl)及び酸素を含む原料ガスを供給しながら、石英管を酸水素バーナにより加熱する。このとき、原料ガスの種類や組成を調整することによって、コア部に含有されるEr、Yb、P、Ce、Al、Bの量を調整することができる。こうしてEr、Yb、P、Ce、Al、Bを含むガラス組成物粒子からなるスートを石英管に堆積させる。次いで、石英管を酸水素バーナにより加熱して、スートを透明のガラス層とする。そして最後に、原料ガスの供給を止めて、石英管を酸水素バーナにより加熱して、石英管を軟化させて、中空部を潰す。これにより、Er、Yb、P、Ge、Ce、Al、Bを含むシリカ組成物を備えるコア形成部と、そのコア形成部の周囲を覆うクラッド形成部とを有する希土類元素添加光ファイバ母材が得られる。
(Base material manufacturing process)
In the base material preparation step, a core forming portion comprising a silica composition containing Er, Yb, P and Ge, and optionally Ce, Al and B, and a clad forming portion surrounding the core forming portion. A rare earth element-doped optical fiber preform having The MCVD method (Modified Chemical Vapor Deposition Method) can be used as a method for producing the rare earth element-doped optical fiber preform. Specifically, a silica source (eg, SiCl 4 ), an Er source (eg, Er(DPM) 3 ), a Yb source (eg, Yb(DPM) 3 ), and a P source (eg, POCl 3 ) are placed in a quartz tube. , a Ge source (e.g., GeCl 4 ), a Ce source (e.g., Ce(DPM) 4 ), an Al source (e.g., AlCl 3 ), a B source (e.g., BCl 3 ), and a source gas containing oxygen, A quartz tube is heated by an oxyhydrogen burner. At this time, the amounts of Er, Yb, P, Ce, Al, and B contained in the core portion can be adjusted by adjusting the type and composition of the raw material gas. Thus, soot composed of glass composition particles containing Er, Yb, P, Ce, Al and B is deposited on the quartz tube. The quartz tube is then heated by an oxyhydrogen burner to turn the soot into a transparent glass layer. Finally, the supply of the raw material gas is stopped, and the quartz tube is heated by an oxyhydrogen burner to soften the quartz tube and crush the hollow portion. As a result, a rare-earth element-doped optical fiber preform having a core-forming portion comprising a silica composition containing Er, Yb, P, Ge, Ce, Al, and B and a clad-forming portion surrounding the core-forming portion is produced. can get.

なお、希土類元素添加光ファイバ母材作製方法としては、上記のMCVD法以外に光ファイバ母材の作製方法として一般に用いられている各種の方法、例えば、OVD法(Outside Vaper Deposition Method)、VAD法(Vapor phase Axial Deposition Method)などを利用することができる。 In addition to the above-described MCVD method, various methods generally used as a method for manufacturing an optical fiber preform, such as the OVD method (Outside Vapor Deposition Method) and the VAD method, can be used as the method for manufacturing the rare earth element-doped optical fiber preform. (Vapor phase Axial Deposition Method) or the like can be used.

(線引き工程)
線引き工程では、上記の母材作製工程で作製した希土類元素添加光ファイバ母材を加熱して溶融させ、溶融した希土類元素添加光ファイバ母材を糸状に引き伸ばして、冷却する。希土類元素添加光ファイバ母材を糸状に引き伸ばす方法としては、光ファイバの製造で一般に用いられている各種の方法を利用することができる。
(drawing process)
In the drawing step, the rare earth element-doped optical fiber preform prepared in the preform preparation step is heated and melted, and the melted rare earth element-doped optical fiber preform is drawn into a filament and cooled. As a method for stretching the rare-earth-element-doped optical fiber preform into a filamentous shape, various methods commonly used in the manufacture of optical fibers can be used.

得られた希土類元素添加光ファイバは、クラッド部の外周を保護樹脂で被覆して使用することができる。クラッド部の外周を保護樹脂で被覆する方法としては、光ファイバの製造で一般に用いられている各種の方法を利用することができる。 The obtained rare earth element-doped optical fiber can be used by coating the outer circumference of the clad portion with a protective resin. As a method of coating the outer periphery of the clad portion with the protective resin, various methods commonly used in the manufacture of optical fibers can be used.

以上のような構成とされた本実施形態である希土類元素添加光ファイバによれば、コア部が、Er、Yb、P及びGeを含むので、Erの含有量を多くしても、Erのクラスタリングが発生しにくく、かつ耐放射線性が高く、放射線が存在する環境で使用しても利得が低減しにくい。 According to the rare-earth element-doped optical fiber of the present embodiment configured as described above, since the core portion contains Er, Yb, P, and Ge, even if the Er content is increased, clustering of Er occurs. is less likely to occur, and has high radiation resistance, and the gain is less likely to decrease even when used in an environment where radiation exists.

本実施形態の希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法は、コア部と、このコア部の周囲を覆うクラッド部とを有し、コア部が、Er、Yb及びPを含む希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法である。本実施形態では、このコア部にGeを添加する。コア部には、さらに必要に応じて、Ce、Al、Bを添加してもよい。 A method for improving the radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber according to the present embodiment has a core portion and a clad portion surrounding the core portion, and the core portion comprises a rare earth element containing Er, Yb and P. This is a method for improving the radiation resistance of doped optical fibers. In this embodiment, Ge is added to this core portion. Ce, Al, and B may be added to the core portion, if necessary.

本実施形態の希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法は、具体的には、希土類元素添加光ファイバの母材作製時に、コア形成部にGeを含有させる方法である。本実施形態の希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法を利用して得られる光ファイバのコア部に含まれるEr、Yb、P、Ce、Al、Bの量は、上述のとおりである。 Specifically, the method for improving the radiation resistance of the rare-earth-doped optical fiber of the present embodiment is to incorporate Ge into the core-forming portion when fabricating the base material of the rare-earth-doped optical fiber. The amounts of Er, Yb, P, Ce, Al, and B contained in the core portion of the optical fiber obtained by using the method for improving the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber of this embodiment are as described above. be.

本実施形態の希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法によれば、コア部が、Er、Yb及びPを含む光ファイバのコア部にGeを添加するので、Pに起因する放射線の照射による欠陥吸収の生成を抑制することができ、これによって、希土類元素添加光ファイバの耐放射線性が向上する。 According to the method for improving the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber of the present embodiment, the core portion of the optical fiber containing Er, Yb, and P is doped with Ge, so that radiation caused by P is reduced. The generation of defect absorption due to irradiation can be suppressed, thereby improving the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber.

以下に、本発明の作用効果を、実施例により説明する。 Below, the effects of the present invention will be described with reference to examples.

[実施例1]
(希土類元素添加光ファイバ母材の作製)
MCVD法により、コア部が、Er含有量が0.12質量%、Yb含有量が0.69質量%、P含有量が9.95質量%、Ge含有量が4.0質量%のシリカ組成物からなり、クラッド部がシリカガラスである希土類元素添加光ファイバ母材(直径:13mm)を作製した。
[Example 1]
(Fabrication of rare earth element-doped optical fiber preform)
Silica composition in which the core portion has an Er content of 0.12% by mass, a Yb content of 0.69% by mass, a P content of 9.95% by mass, and a Ge content of 4.0% by mass by the MCVD method A rare earth element-doped optical fiber preform (diameter: 13 mm) having a cladding made of silica glass was produced.

(光ファイバの作製)
上記の希土類元素添加光ファイバ母材を、線引きして希土類元素添加光ファイバを作製した。作製した希土類元素添加光ファイバは、クラッド部の直径が125μmであり、コア部の直径が35μmのマルチモード型光ファイバ(MMF)であった。
(Fabrication of optical fiber)
A rare earth element-doped optical fiber was produced by drawing the above rare earth element-doped optical fiber preform. The produced rare earth element-doped optical fiber was a multimode optical fiber (MMF) having a cladding diameter of 125 μm and a core diameter of 35 μm.

[実施例2~23、比較例1]
(希土類元素添加光ファイバ母材の作製)
コア部の組成を、下記の表1、2に記載の組成としたこと以外は実施例1と同様にして、希土類元素添加光ファイバ母材を作製した。なお、表1、2には、コア部の組成として、Er含有量%、Yb含有量、P含有量、Ge含有量、Ce含有量、Al含有量、B含有量、Yb/Er質量比、P/Er質量比、Al/Er質量比を示した。
[Examples 2 to 23, Comparative Example 1]
(Fabrication of rare earth element-doped optical fiber preform)
A rare earth element-doped optical fiber preform was produced in the same manner as in Example 1, except that the composition of the core portion was set as shown in Tables 1 and 2 below. Tables 1 and 2 show the composition of the core portion as Er content %, Yb content, P content, Ge content, Ce content, Al content, B content, Yb/Er mass ratio, P/Er mass ratio and Al/Er mass ratio are shown.

(希土類元素添加光ファイバ母材の作製)
実施例6、8、10、11、12、13、18、19、21、22、23及び比較例1では、得られた希土類元素添加光ファイバ母材を用いて、下記の表1、2に示す構造の希土類元素添加光ファイバを製造した。実施例6と実施例21と実施例22、及び実施例10と実施例23は同じ希土類元素添加光ファイバ母材を用いて希土類元素添加光ファイバを製造した。なお、表1、2において、MMFは、マルチモード型光ファイバを、SMFは、シングルモード型光ファイバを、DCFは、ダブルクラッド型光ファイバを、2LP-DCFは、LP01モードとLP11モードの2LPモードで伝搬するダブルクラッド型光ファイバを意味する。
SMF、DCF、2LP-DCFは、希土類元素添加光ファイバ母材の外周部に、シリカガラス(クラッドガラス)をジャケット法(ロッドインチューブ法とも呼ばれる)により追加した後、コア径が表1、2に示す値で、かつクラッド部の直径が125μmとなるように線引きして作製した。
(Fabrication of rare earth element-doped optical fiber preform)
In Examples 6, 8, 10, 11, 12, 13, 18, 19, 21, 22, and 23 and Comparative Example 1, the obtained rare earth element-doped optical fiber preforms were used, and the following Tables 1 and 2 A rare-earth element-doped optical fiber having the structure shown was manufactured. In Examples 6, 21 and 22, and in Examples 10 and 23, the same rare earth element-doped optical fiber preform was used to manufacture rare earth element-doped optical fibers. In Tables 1 and 2, MMF is multimode optical fiber, SMF is single mode optical fiber, DCF is double clad optical fiber, and 2LP-DCF is 2LP of LP01 mode and LP11 mode. Mode-propagating double-clad optical fiber.
In SMF, DCF, and 2LP-DCF, silica glass (cladding glass) is added to the outer periphery of the rare earth element-doped optical fiber preform by a jacket method (also called a rod-in-tube method), and then the core diameter is as shown in Tables 1 and 2. and the diameter of the clad portion was 125 μm.

得られた希土類元素添加光ファイバは、第1樹脂層で被覆し、次いで第1樹脂層を第2樹脂層で被覆した。第2樹脂層は、外径が250μmとなるように被覆した。なお、MMF及びSMFでは、希土類元素添加光ファイバ側の第1樹脂層の材料として、シリカガラス(クラッド部)よりも高屈折率な樹脂を用いた。DCF及び2LP-DCFでは、第1樹脂層の材料としてシリカガラスよりも低屈折率な樹脂を用い、第2樹脂層の材料として、シリカガラス(クラッド部)よりも高屈折率な樹脂を用いた。 The obtained rare earth element-doped optical fiber was coated with a first resin layer, and then the first resin layer was coated with a second resin layer. The second resin layer was coated so as to have an outer diameter of 250 μm. In MMF and SMF, a resin having a higher refractive index than silica glass (cladding) was used as the material of the first resin layer on the rare earth element-doped optical fiber side. In DCF and 2LP-DCF, a resin having a refractive index lower than that of silica glass was used as the material for the first resin layer, and a resin having a refractive index higher than that of silica glass (cladding) was used as the material for the second resin layer. .

[評価]
希土類元素添加光ファイバ母材を用いて、添加元素の濃度分布と耐X線特性とを測定した。また、希土類元素添加光ファイバを用いて、耐γ線特性を測定した。測定方法を以下に示す。
[evaluation]
Using the rare earth element-doped optical fiber preform, the concentration distribution of the added element and the X-ray resistance characteristics were measured. Also, the γ-ray resistance was measured using the rare-earth element-doped optical fiber. The measurement method is shown below.

(希土類元素添加光ファイバ母材の添加元素の濃度分布)
希土類元素添加光ファイバ母材を径方向に切断した。得られた切断片の切断面の中心線に沿って、EPMA(電子線プローブマイクロアナライザ)を用いて、添加元素の濃度を線分析した。EPMAの測定条件を次に示す。
<EPMAの測定条件>
加速電圧:15.0kV
照射電流:1.17×10-7
ビーム形状:circle
プローブ径:50μm
測定点数:200
スキャン幅:1cm
計測時間:2 sec
(Concentration distribution of additive element in rare earth element-doped optical fiber preform)
A rare earth element-doped optical fiber preform was cut radially. The concentration of the additive element was linearly analyzed using an EPMA (electron probe microanalyzer) along the center line of the cut surface of the obtained cut piece. EPMA measurement conditions are shown below.
<EPMA measurement conditions>
Accelerating voltage: 15.0 kV
Irradiation current: 1.17×10 −7 A
Beam shape: circle
Probe diameter: 50 μm
Number of measurement points: 200
Scan width: 1cm
Measurement time: 2 sec

実施例1~20で作製した希土類元素添加光ファイバ母材について得られた結果を、順に図1~20に示す。図1~20において、横軸は、母材中心からの測定位置を示し、「0」は、母材のコア部の中心を示す。縦軸は、母材に含まれる各添加元素の濃度を表す。この図1~20から算出される実施例1~20の各添加元素の平均濃度は、表1に記載されている実施例1~20のコア部の添加元素量と一致することが確認された。 The results obtained for the rare earth element-doped optical fiber preforms produced in Examples 1 to 20 are shown in FIGS. 1 to 20 in order. 1 to 20, the horizontal axis indicates the measurement position from the base material center, and "0" indicates the center of the core portion of the base material. The vertical axis represents the concentration of each additive element contained in the base material. It was confirmed that the average concentration of each additive element in Examples 1 to 20 calculated from FIGS. .

(耐X線性)
希土類元素添加光ファイバ母材を径方向に切断した。得られた切断片について、切断面のコア部の光の吸収係数を下記の条件で測定した。
<光の吸収係数の測定条件>
波長範囲:200~1600nm
分解能:0.5nm
(X-ray resistance)
A rare earth element-doped optical fiber preform was cut radially. With respect to the obtained cut piece, the light absorption coefficient of the core portion of the cut surface was measured under the following conditions.
<Conditions for measurement of light absorption coefficient>
Wavelength range: 200-1600nm
Resolution: 0.5nm

次いで、切断片の切断面のコア部に、波長が0.71Å(Mo)のX線を、17.5keVの出力で100分間照射した。X線照射後の切断片について、切断面のコア部の光の吸収係数を再測定した。そして、X線照射後のコア部の光の吸収係数からX線照射前のコア部の光の吸収係数を減じた値を、吸収係数増加量として算出した。なお、比較例1で作製した希土類元素添加光ファイバ母材は、X線照射後のコア部が赤紫色に着色し、光の吸収係数が大幅に増加したことが明らかであったため、光の吸収係数の再測定は実施しなかった。 Next, the core portion of the cut surface of the cut piece was irradiated with X-rays having a wavelength of 0.71 Å (Mo) at an output of 17.5 keV for 100 minutes. The light absorption coefficient of the core portion of the cut surface of the cut piece after the X-ray irradiation was measured again. Then, a value obtained by subtracting the light absorption coefficient of the core portion before X-ray irradiation from the light absorption coefficient of the core portion after X-ray irradiation was calculated as the absorption coefficient increase amount. In the rare earth element-doped optical fiber preform produced in Comparative Example 1, the core portion was colored reddish purple after X-ray irradiation, and it was clear that the light absorption coefficient was significantly increased. No re-measurement of coefficients was performed.

実施例1~10で作製した希土類元素添加光ファイバ母材について得られた結果を図21に、実施例1~10で作製した希土類元素添加光ファイバ母材について得られた結果を図22に示す。波長240nm、400nm、510nm、570nmの光の吸収は、P-OHC(リン酸素正孔中心)による誘起欠陥吸収である。図21及び図22の結果から、X線照射後の希土類元素添加光ファイバのコア部は、P-OHCによる光の吸収が増加することが分かる。表1及び表2に、耐X線性として、波長550nmの光の吸収係数増加量を示す。 The results obtained for the rare earth element-doped optical fiber preforms produced in Examples 1 to 10 are shown in FIG. 21, and the results obtained for the rare earth element-doped optical fiber preforms produced in Examples 1 to 10 are shown in FIG. . Absorption of light with wavelengths of 240 nm, 400 nm, 510 nm and 570 nm is induced defect absorption by P-OHC (phosphorus oxygen hole center). From the results of FIGS. 21 and 22, it can be seen that the core portion of the rare earth element-doped optical fiber after X-ray irradiation has increased light absorption by P-OHC. Tables 1 and 2 show the amount of increase in absorption coefficient for light with a wavelength of 550 nm as X-ray resistance.

(耐γ線性)
実施例1、6、8、10、11、12、13、18、19、21、22、23及び比較例1で作製した希土類元素添加光ファイバについて、横軸を光の波長とし、縦軸を光の吸収損失とした光の損失スペクトルを下記の方法で測定した。
<光の損失スペクトルの測定方法>
損失スペクトルはカットバック法により測定した。条長L[m]の被測定ファイバに白色光を入射し、光スペクトラムアナライザを用いて透過光スペクトルを測定した。このときの光パワーをP[dBm]とした。次いで、被測定ファイバの条長をL[m]にカットバックし、カットバック後の被測定ファイバの透過光スペクトルを測定した。このときの光パワーをP[dBm]とした。Lは約10m、Lは約2mとした。吸収損失[dB/m]は、(P-P)/ (L-L)により求めた。
(γ-ray resistance)
Regarding the rare earth element-doped optical fibers produced in Examples 1, 6, 8, 10, 11, 12, 13, 18, 19, 21, 22, and 23 and Comparative Example 1, the horizontal axis is the wavelength of light, and the vertical axis is A light loss spectrum as light absorption loss was measured by the following method.
<Method for measuring optical loss spectrum>
Loss spectra were measured by the cutback method. White light was incident on the fiber under test having a length L 0 [m], and the transmitted light spectrum was measured using an optical spectrum analyzer. The optical power at this time was P 0 [dBm]. Next, the length of the fiber to be measured was cut back to L 1 [m], and the transmitted light spectrum of the fiber to be measured after cutback was measured. The optical power at this time was P 1 [dBm]. L0 was about 10m and L1 was about 2m. Absorption loss [dB/m] was determined by (P 1 -P 0 )/(L 0 -L 1 ).

次いで、希土類元素添加光ファイバに、コバルト60のγ線照射装置を用いて、γ線を1000Gy(静止軌道に10年間静置した場合に相当)照射した。γ線照射後の希土類元素添加光ファイバについて、光の損失スペクトルを再測定した。そして、γ線照射後の希土類元素添加光ファイバの光の損失スペクトルからγ線照射前の光の損失スペクトルを減じた値を、吸収損失の増加量として算出した。光の損失スペクトルの波長(nm)を光子エネルギー量(eV)に換算して、横軸を光子エネルギー量(eV)とし、縦軸に吸収損失の増加量をプロットしたグラフを作成し、このプロットしたデータを用いて、ガウシアンフィッティングを行って近似曲線を得た。ガウシアンフィッティングは、下記の文献に記載されているパラメータを用いて行った。
「D. L. Griscom, E. J. Friebele, K. J. Long and J. W. Fleming, “Fundamental defect centers in glass: Electron spin resonance and optical absorption studies of irradiated phosphorus-doped silica glass and optical fibers,” Jounal of Applied Physics, vol. 54, no. 7, pp. 3743-3762, 1983.」
Next, the rare-earth element-doped optical fiber was irradiated with 1000 Gy of γ-rays (equivalent to the case of standing in a geostationary orbit for 10 years) using a cobalt-60 γ-ray irradiator. The optical loss spectrum of the rare-earth element-doped optical fiber after gamma-ray irradiation was measured again. Then, a value obtained by subtracting the light loss spectrum before γ-ray irradiation from the light loss spectrum of the rare earth element-doped optical fiber after γ-ray irradiation was calculated as the amount of increase in absorption loss. The wavelength (nm) of the loss spectrum of light is converted to the amount of photon energy (eV), the horizontal axis is the amount of photon energy (eV), and the vertical axis is the amount of increase in absorption loss. Using the obtained data, Gaussian fitting was performed to obtain an approximate curve. Gaussian fitting was performed using the parameters described in the following literature.
“DL Griscom, EJ Friebele, KJ Long and JW Fleming, “Fundamental defect centers in glass: Electron spin resonance and optical absorption studies of irradiated phosphorus-doped silica glass and optical fibers,” Journal of Applied Physics, vol. 54, no. 7, pp. 3743-3762, 1983.”

実施例1、6、8、10及び比較例1で作製した希土類元素添加光ファイバについて得られた結果を図23に、実施例11、12、13、18、19、21、22、23及び比較例1で作製した希土類元素添加光ファイバについて得られた結果を図24に示す。波長1570nmの光の吸収は、リン(P1)による誘起欠陥吸収である。図23及び図24の結果から、γ線照射後の希土類元素添加光ファイバは、P1による光の吸収が増加することが分かる。表1及び表2に、耐γ線性として、波長1570nmの光の吸収損失増加量を示す。 FIG. 23 shows the results obtained for the rare-earth element-doped optical fibers fabricated in Examples 1, 6, 8, 10 and Comparative Example 1. FIG. 24 shows the results obtained for the rare earth element-doped optical fiber produced in Example 1. FIG. Absorption of light with a wavelength of 1570 nm is induced defect absorption by phosphorus (P1). From the results of FIGS. 23 and 24, it can be seen that the optical fiber doped with a rare earth element after gamma-ray irradiation has increased light absorption by P1. Tables 1 and 2 show the increase in absorption loss of light with a wavelength of 1570 nm as γ-ray resistance.

Figure 0007149515000001
Figure 0007149515000001

Figure 0007149515000002
Figure 0007149515000002

コア部にGeが添加されていない比較例1においては、X線照射後の光の吸収係数及びγ線照射後の光の吸収損失が大きくなった。これは、放射線の照射によって、POHC及びP1による誘起欠陥吸収が大きくなったためであると考えられる。 In Comparative Example 1 in which Ge was not added to the core portion, the light absorption coefficient after X-ray irradiation and the light absorption loss after γ-ray irradiation were increased. It is considered that this is because the absorption of induced defects by POHC and P1 increased due to irradiation with radiation.

これに対してコア部にGeが添加されている実施例1~23においては、X線照射後の光の吸収係数及びγ線照射後の光の吸収損失が小さくなった。すなわち実施例1~23の結果から、希土類元素添加光ファイバでは、Geの添加によって耐放射線性が向上することが確認された。また、実施例7、8の結果からGeと共にCeを添加することによって、さらに耐放射線性が向上することが確認された。さらに、実施例9、10、11~20、23の結果から、Geは、PとAlを含む希土類元素添加光ファイバに対しても有効であることが確認された。 On the other hand, in Examples 1 to 23 in which Ge was added to the core portion, the light absorption coefficient after X-ray irradiation and the light absorption loss after γ-ray irradiation were small. That is, from the results of Examples 1 to 23, it was confirmed that the radiation resistance of the rare earth element-doped optical fiber was improved by the addition of Ge. Further, from the results of Examples 7 and 8, it was confirmed that the radiation resistance was further improved by adding Ce together with Ge. Furthermore, from the results of Examples 9, 10, 11 to 20, and 23, it was confirmed that Ge is also effective for rare earth element-doped optical fibers containing P and Al.

図25に、希土類元素添加光ファイバのコア部のGe添加濃度と耐X線特性と耐γ線特性の関係を示す。図25の横軸はコア部のGe添加濃度を示し、左縦軸のRIA of P-OHC(X-ray)(550nm)はX線照射後の波長550nmの光の吸収係数増加量を示し、右縦軸のRIA of P1(Gannma-ray)(1570nm)はγ線照射後の波長1570nmの光の吸収損失増加量を示す。また、白丸及び黒丸のP-Geは、Yb及びErとPとGeを含む希土類元素添加光ファイバ母材及び光ファイバの測定結果を、白三角及び黒三角のP-Ge-Ceは、Yb及びErとPとGeとCeを含む希土類元素添加光ファイバ母材及び光ファイバの測定結果を、白四角及び黒四角のP-Ge-Alは、Yb及びErとPとGeとAlを含む希土類元素添加光ファイバ母材及び光ファイバの測定結果を、白菱形及び黒菱形のP-Ge-Al-Bは、Yb及びErとPとGeとAlとBを含む希土類元素添加光ファイバ母材及び光ファイバの測定結果を示す。そして、白丸、白三角、白四角及び白菱形は、X線照射後の波長550nmの光の吸収係数増加量を示し、黒丸、黒三角、黒四角及び黒菱形は、γ線照射後の波長1570nmの光の吸収損失増加量を示す。 FIG. 25 shows the relationship between the Ge doping concentration in the core portion of the rare-earth element-doped optical fiber, the X-ray resistance, and the γ-ray resistance. The horizontal axis of FIG. 25 indicates the Ge doping concentration in the core portion, and the RIA of P-OHC (X-ray) (550 nm) on the left vertical axis indicates the increase in the absorption coefficient of light with a wavelength of 550 nm after X-ray irradiation, RIA of P1 (Gannima-ray) (1570 nm) on the right vertical axis indicates the increase in absorption loss of light with a wavelength of 1570 nm after γ-ray irradiation. The white and black circles of P-Ge are the measurement results of the rare earth element-doped optical fiber preform and optical fiber containing Yb, Er, P and Ge, and the white and black triangles of P-Ge-Ce are the Yb and The measurement results of the rare earth element-doped optical fiber preform containing Er, P, Ge, and Ce and the optical fiber are shown. The measurement results of the doped optical fiber preform and the optical fiber, the white rhombus and the black rhombus P-Ge-Al-B are the rare earth element doped optical fiber preform and light containing Yb, Er, P, Ge, Al and B 4 shows fiber measurement results. White circles, white triangles, white squares, and white rhombuses indicate the amount of increase in absorption coefficient of light with a wavelength of 550 nm after X-ray irradiation, and black circles, black triangles, black squares, and black rhombuses indicate a wavelength of 1570 nm after γ-ray irradiation. shows the amount of increase in optical absorption loss of .

図25のグラフから次のことが分かる。
(1)Yb及びErとPとGeを含む希土類元素添加光ファイバ母材及び光ファイバ(白丸及び黒丸)の測定結果から、Geの添加濃度に比例して、耐X線特性と耐γ線特性とが向上する。
(2)上記(1)の効果は、Geの添加濃度が高くなると飽和する傾向にある。
(3)Yb及びErとPとGeとCeを含む希土類元素添加光ファイバ母材及び光ファイバ(白三角及び黒三角)の測定結果から、Geの添加濃度が同じであっても、Ceを共添加することによって、耐X線特性と耐γ線特性とが向上する。
(4)Yb及びErとPとGeとAlを含む希土類元素添加光ファイバ母材及び光ファイバ(白四角及び黒四角)の測定結果から、Al/Pが1.0未満となる範囲でAlを共添加した希土類元素添加光ファイバは、Yb及びErとPとGeを含む希土類元素添加光ファイバ(白丸及び黒丸)と同等の耐X線特性と耐γ線特性を示す。
(5)Yb及びErとPとGeとAlとBを含む希土類元素添加光ファイバ母材及び光ファイバ(白菱形及び黒菱形)の測定結果から、Bを共添加してAlの濃度を低下した希土類元素添加光ファイバは、Yb及びErとPとGeを含む希土類元素添加光ファイバ母材及び光ファイバ(白丸及び黒丸)と同等の耐X線特性と耐γ線特性を示す。
The graph in FIG. 25 reveals the following.
(1) From the measurement results of the rare earth element-doped optical fiber preform containing Yb, Er, P, and Ge and the optical fiber (white circles and black circles), X-ray resistance and γ-ray resistance are proportional to the doping concentration of Ge. and improve.
(2) The effect of (1) tends to saturate as the Ge concentration increases.
(3) From the measurement results of the rare-earth element-doped optical fiber preform containing Yb, Er, P, Ge, and Ce and the optical fiber (white triangle and black triangle), it was found that even if the doping concentration of Ge was the same, Ce was coexistent. The addition improves X-ray resistance and γ-ray resistance.
(4) From the measurement results of the rare earth element-doped optical fiber preform containing Yb, Er, P, Ge, and Al, and the optical fiber (white squares and black squares), Al is added within a range where Al/P is less than 1.0. The co-doped rare-earth element-doped optical fiber exhibits X-ray resistance and gamma-ray resistance equivalent to those of the rare-earth element-doped optical fiber containing Yb, Er, P, and Ge (white circles and black circles).
(5) From the measurement results of the rare-earth element-doped optical fiber preform containing Yb, Er, P, Ge, Al, and B and the optical fiber (white rhombus and black rhombus), B was co-doped to lower the Al concentration. The rare-earth element-doped optical fiber exhibits X-ray resistance and gamma-ray resistance equivalent to those of the rare-earth-element-doped optical fiber preform containing Yb, Er, P, and Ge and the optical fibers (white circles and black circles).

以上の結果から、本発明によれば、コア部に希土類元素とPとを含みながらも耐放射線性が高く、放射線が存在する環境で使用しても利得が低減しにくい新規な希土類元素添加光ファイバを提供できることが確認された。また、本発明によれば、コア部に希土類元素とPとを含む希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる新規な方法を提供できることが確認された。 From the above results, according to the present invention, a novel rare-earth-element-doped light that has high radiation resistance while containing a rare-earth element and P in the core portion and that is difficult to reduce the gain even when used in an environment where radiation exists. It was confirmed that the fiber can be provided. Further, it has been confirmed that the present invention can provide a novel method for improving the radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber containing a rare earth element and P in the core portion.

Claims (14)

コア部と、前記コア部の周囲を覆うクラッド部とを有し、前記コア部が、エルビウム、イッテルビウム、リン及びゲルマニウムを含み、
前記エルビウムの含有量が0.05質量%以上であり、
前記リンの含有量が、前記リンと前記エルビウムとの質量比P/Erで13.5以上92.6以下 であり、
前記ゲルマニウムの含有量が0.5質量%以上12.0質量%以下であり、
前記イッテルビウムの含有量が、前記イッテルビウムと前記エルビウムとの質量比Yb/Erで3.9以上11.6以下である、 希土類元素添加光ファイバ。
having a core portion and a clad portion surrounding the core portion, the core portion containing erbium, ytterbium, phosphorus and germanium;
The erbium content is 0.05% by mass or more,
The phosphorus content is 13.5 or more and 92.6 or less in mass ratio P/Er of the phosphorus and the erbium and
The germanium content is 0.5% by mass or more and 12.0% by mass or less,
The content of the ytterbium is 3.9 or more and 11.6 or less as a mass ratio Yb/Er of the ytterbium and the erbium. Rare earth element doped optical fiber.
前記ゲルマニウムの含有量が0.5質量%以上8.6質量%以下である、 請求項1に記載の希土類元素添加光ファイバ。 The germanium content is 0.5% by mass or more and 8.6% by mass or less, The rare earth element-doped optical fiber according to claim 1. 前記リンの含有量が、0.9質量%以上18質量%以下である、 請求項1または2に記載の希土類元素添加光ファイバ。 The phosphorus content is 0.9% by mass or more and 18% by mass or less, 3. The rare earth element-doped optical fiber according to claim 1 or 2. 前記イッテルビウムの含有量が、0.2質量%以上2.5質量%以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の 希土類元素添加光ファイバ。 The ytterbium content according to any one of claims 1 to 3, wherein the content of ytterbium is 0.2% by mass or more and 2.5% by mass or less. Rare earth element doped optical fiber. 前記コア部はセリウムを含み、前記セリウムの含有量が0.12質量%以下である、請求項1~4のいずれか一項に記載の希土類元素添加光ファイバ。 The rare earth element-doped optical fiber according to any one of claims 1 to 4, wherein the core contains cerium, and the cerium content is 0.12% by mass or less. 前記コア部はアルミニウムを含み、前記アルミニウムの含有量が、前記アルミニウムと前記リンとの質量比Al/Pで1.0未満である、請求項1~5のいずれか一項に記載の希土類元素添加光ファイバ。 The rare earth element according to any one of claims 1 to 5 , wherein the core portion contains aluminum, and the content of the aluminum is less than 1.0 in terms of the mass ratio Al/P of the aluminum and the phosphorus. Doped optical fiber. 前記コア部はホウ素を含み、前記ホウ素の含有量が0.6質量%以下である、請求項1~6のいずれか一項に記載の希土類元素添加光ファイバ。 The rare earth element-doped optical fiber according to any one of claims 1 to 6 , wherein said core portion contains boron, and the content of said boron is 0.6% by mass or less. コア部と、前記コア部の周囲を覆うクラッド部とを有し、前記コア部が、エルビウム、イッテルビウム及びリンを含む希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法であって、
前記コア部に、前記エルビウムを0.05質量%以上、前記リンと前記エルビウムとの質量比P/Erで13.5以上92.6以下、前記ゲルマニウムを0.5質量%以上12.0質量%以下、前記イッテルビウムを前記イッテルビウムと前記エルビウムとの質量比Yb/Erで3.9以上11.6以下添加する、希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法。
A method for improving radiation resistance of a rare-earth-element-doped optical fiber having a core and a cladding surrounding the core, wherein the core contains erbium, ytterbium, and phosphorus, comprising:
The core portion contains 0.05% by mass or more of erbium, a mass ratio P/Er between the phosphorus and the erbium of 13.5 to 92.6, and 0.5% by mass or more of germanium to 12.0% by mass. % or less of the ytterbium, the mass ratio Yb/Er of the ytterbium and the erbium is 3.9 or more and 11.6 or less , a method for improving the radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber.
前記ゲルマニウムの含有量を0.5質量%以上8.6質量%以下とする、請求項8に記載の希土類添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法。 9. The method for improving radiation resistance of a rare earth-doped optical fiber according to claim 8, wherein the germanium content is 0.5% by mass or more and 8.6% by mass or less. 前記リンの含有量を0.9質量%以上18質量%以下とする、請求項8または9に記載の希土類添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法。 10. The method for improving the radiation resistance of a rare earth-doped optical fiber according to claim 8, wherein the phosphorus content is 0.9% by mass or more and 18% by mass or less. 前記イッテルビウムの含有量を0.2質量%以上2.5質量%以下とする、請求項8~10のいずれか一項に記載の希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法。 The method for improving the radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber according to any one of claims 8 to 10, wherein the ytterbium content is 0.2% by mass or more and 2.5% by mass or less. 前記コア部にセリウムを含有させ、前記セリウムの含有量を0.12質量%以下とする、請求項8~11のいずれか一項に記載の希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法。 The method for improving radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber according to any one of claims 8 to 11, wherein the core portion contains cerium, and the cerium content is 0.12% by mass or less. . 前記コア部にアルミニウムを含有させ、前記アルミニウムの含有量を前記アルミニウムと前記リンとの質量比Al/Pで1.0未満とする、請求項8~12のいずれか一項に記載の希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法。 The rare earth element according to any one of claims 8 to 12, wherein the core portion contains aluminum, and the aluminum content is less than 1.0 in terms of the mass ratio Al/P of the aluminum and the phosphorus. A method for improving the radiation resistance of a doped optical fiber. 前記コア部にホウ素を含有させ、前記ホウ素の含有量を0.6質量%以下とする、請求項8~13のいずれか一項に記載の希土類元素添加光ファイバの耐放射線性を向上させる方法。 The method for improving radiation resistance of a rare earth element-doped optical fiber according to any one of claims 8 to 13, wherein the core portion contains boron and the boron content is 0.6% by mass or less. .
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