JPH03218935A - 希土類元素ドープ石英ガラスおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は希土類トープ石英ガラス、特には光ファイバレ
ーザーなどに有用とされる機能性の希土類元素ドープ石
英ガラスおよびその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ レーザー作用を有するＮｄ，　Ｅｒなとの希土類元素を
ドープしたガラスについてはリン酸塩ガラスがよく知ら
れているが、これには熱伝導性が劣り、化学的耐久性に
も問題があった。

このため、母体ガラスとして石英ガラスを使用するもの
が提案されており、このものは機能性を有しており、石
英ガラス系光ファイバとの接続も容易であることから光
ファイバレーザー、光増幅器として応用されている。

また、この希土類元素ドープ石英ガラスの製造について
は希土類塩化物原料を高温加熱で蒸発させて供給する、
ＭＣＶＤ法が知られており（特公表６３−５０１７１１
号公報参照）、これについてはけい素化合物の火炎加水
分解で生成したシリカガラス微粒子を堆積して得た多孔
質ガラス母材に希土類元素化合物を添加したのち、高温
で焼結して透明ガラス化する方法も知られている（特公
昭５８−３９８０号公報参照）。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、このＭＣＶＤ法は希土類塩化物を高温加熱で蒸
発して反応系に供給するものであるために供給量の制御
が困難であり、さらには大型の母材を得ることが難しい
という不利があるし、このＭＣＶＤ法および上記した多
孔質ガラス母材を使用する方法で作られた希土類元素ド
ープ石英ガラスには希土類イオンの分散が均一でないた
めに良好なレーザー特性、強度の大きい発光スペクトル
を得ることができないという欠点がある。

そのため、この種の石英ガラスの製造についてはこの反
応系にＰ２０５や八Ｒ２０３を添加して希土類イオンを
均一に分散させて発光効率を高める方法も提案されてい
る（特公昭６３−４１８５８号公報参照）が、希土類イ
オンはＰ２０５またはＡＲ２０３とネットワークを形成
する確率が低いために発光効率の改善は必ずしも十分で
はなく、これについてはより一層の高効率化が求められ
ている。

［課題を解決するための千段］ 本発明はこのような不利を解決することのできる希土類
元素ドープ石英ガラスおよびその製造方法に関するもの
であり、これは石英ガラスに希土類元素のリン酸塩を均
一に分散させてなることを特徴とする希土類元素ドープ
石英ガラス、およびけい素化合物の火炎加水分解によっ
て生成したシリカガラス微粒子を堆積して得た多孔質ガ
ラス母材を希土類元素イオンを含む可溶性塩の溶液に浸
漬したのち、これにアンモニアガスを吸収させ中和して
この塩を水酸化物とし、ついてこれをリン酸を含む溶液
に浸漬して希土類元素をリン酸塩とし、つぎにこの多孔
質ガラス母材を高温で焼結し透明ガラス化することを特
徴，とする希土類元素ドープ石英ガラスの製造方法に関
するものである。

すなわち、本発明者らは希土類元素イオンが石英ガラス
中に均一に分散されている希土類元素ドープ石英ガラス
およびその製造方法について種々検討した結果、この石
英ガラスについてはけい素化合物の火炎加水分解で生成
させたシリカガラス微粒子を堆積させて多孔質ガラス母
材を作り、これを希土類元素イオンを含む可溶性塩の溶
液に浸漬して多孔貿ガラス母材にこの塩を滲透させたの
ち、アンモニアで中和してこの塩を水酸化物とし、つい
でこれをリン酸を含む溶液に浸漬してこの水酸化物をリ
ン酸塩とし、つぎにこの多孔買ガラス母材を高温で焼成
して透明ガラス化して石英ガラスとすると、希土類元素
のリン酸塩が均一に分散された希土類元素ドープ石英ガ
ラスが得られることを見出すと共に、このようにして得
られた希土類元素ドープ石英ガラスは希土類元素リン酸
塩が均一に分散されているので発光スペクトル強度が大
きく、良好なレーザー特性を示すということを確認して
本発明を完成させた。

以下にこれをさらに詳述する。

［作　用コ 本発明の希土類元素ドープ石英ガラスは石英ガラスに希
土類元素のリン酸塩を均一に分散させたものである。

本発明の希土類元素ドープ石英ガラスを構成する石英ガ
ラスは公知の方法で作られる人工石英ガラスとすればよ
い。したがフてこれは例えば四塩化けい素などのような
けい素化合物を酸水素火炎と共に耐熱性の担体、例えば
石英ガラス棒上に堆積させて多孔質ガラス母材をつくり
、ついでこれを高温で焼結して透明ガラス化するという
方法で作ったものとすればよい。

他方、この石英ガラスに分散される希土類元素のリン酸
塩は後述する希土類元素ドープ石英ガラスの製造方法で
作られたものとすればよいが、このリン酸塩は上記した
多孔質ガラス母材に溶液の滲透という方法で添加された
希土類元素へのリン酸添加によって作られたもので多孔
質ガラス母材用に均一に分散されたものとなり、石英ガ
ラスがこの多孔貿ガラス母材の焼結で作られたものであ
るので、石英ガラス中に均一に分散されたものとなる。

したかって本発明の希土類元素トープ石英ガラスは希土
類元素のリン酸塩を均一に分散させたものであり、これ
は石英ガラス中に希土類元素イオンか均一に分散された
ものとなるのて発光スペクトルの強度が大きく、レーザ
ー特性のよいものとなるので、光ファイハレーザー、光
増幅器として有利に使用できる。

つぎに本発明の希土類元素ドープ石英ガラスの製造方法
について述べる。

本発明の希土類元素トープ石英ガラスを構成する石英ガ
ラスは前記したように四塩化けい素などのけい素化合物
の火炎加水分解法て作られたものとされるので、この多
孔質ガラス母材は担体として石英ガラスを使用する公知
のＶＡＤ法，　ＯＶＡ法で作られたものとすればよい。

しかし、このものは後述する希土類元素可溶性塩の溶液
に浸漬したときに微粒子間の凝集力が失われて破壊しな
いだけの機械的強度を有するものであることが必要とさ
れるので、平均かさ密度が０．３ｇ／ｃｍ３以上のもの
とすることがよいが、この多孔買ガラス母材を希土類元
素の可溶性塩溶液に浸漬したときの希土類元素溶液の拡
散速度を容易にするためにばかさ密度が１．０ｇ／ｃｍ
３以下のものとすることがよい。なお、この多孔質ガラ
ス母材はシリカ単独のものであってもよいが、けい素化
合物の火炎加水分解によるシリカ生成時にけい素化合物
に光ファイバ用のドーバントとしてよく知られている四
塩化ゲルマニウムなどを添加してゲルマニア（Ｇｅ０２
）を含有させたものとしてもよいし、さらには光導波構
造を形成するのに必要な屈折率分布を有するものとして
もよい。

この多孔質ガラス母材はこれを希土類元素の可溶性塩の
溶液に浸漬してこの多孔買ガラス母材に希土類元素化合
物を均一に含浸させるものであるが、ここに使用される
希土類元素の可溶性塩は溶剤に対して十分な溶解度を示
すものであれば特に限定されるものではなく、任意のも
のとすればよく、これにはネオジム、エルビウム、ユー
ロピウム、セリウムなどの希土類元素の塩化物、硝酸塩
か例示される。この希土類元素可溶性塩は二種または二
種以上を使用して共ドープしてもよいし、さらには光増
感剤としてのクロムなどの遷移金属を添加してもよい。

また、希土類金属元素の可溶性塩の？８液を作るために
使用される溶剤は多孔質ガラス母材と化学的に反応しな
いものであれば特に限定されず、したがってこれは水で
あってもよいか水は多孔質ガラス母材の微粒子間の凝集
力を弱める作用が強いので、これは希土類元素可溶性塩
の溶解度、多孔質ガラス母材への滲透性、乾燥速度の面
からメタノール、エタノールのようなアルコールとする
ことが好ましい。なおこの希土類元素可溶性塩の多孔質
ガラス母材への含浸は希土類元素可溶性塩の溶液に多孔
質ガラス母材を単に浸漬すればよく、この浸漬によって
希土類元素可溶性塩が含浸された多孔買ガラス母材は空
気中で風乾し溶剤を揮散させて次工程に送ればよい。

このようにして希土類元素可溶性塩が含浸された多孔買
ガラス母材は希土類元素可溶性塩が溶剤に溶解された溶
液として多孔質ガラス母材に含浸されているので、希土
類元素可溶性塩が多孔質ガラス母材中に均一に分散され
たものとされるが、本発明ではこの希土類元素可溶性塩
はこの多孔買ガラス母材をアンモニアガス雰囲気におく
と、これがアンモニアと反応して水酸化物となる。この
反応は室温でも十分に進行するが、この反応を加速させ
るためにはこれを１００〜３００℃に加熱することがよ
く、これによれば希土類元素の水酸化物が均一に分散さ
れた多孔質ガラス母材が得られる。

本発明の希土類元素ドープ石英ガラスは希土類元素をリ
ン酸塩として含有するものであるので、上記で得た希土
類元素の水酸化物を含有する多孔買ガラス母材はついで
リン酸を含む溶液中に浸１漬される。この多孔質ガラス
母材をリン酸を含む溶液に浸漬すると希土類元素の水酸
化物がリン酸と反応して希土類元素リン酸塩となるが、
このリン酸塩が難溶性のものであることから、これが多
孔質ガラス母材中に均一に分散固定される。なお、この
反応は常温でも進行するが、これは３０〜８０℃に加熱
して反応を加速させることがよく、反応終了後には空気
中で風乾するか、５０〜１５０　ｔに加熱して溶剤を揮
散させることがよい。

本発明による希土類元素ドープ石英ガラスはこのように
して得た希土類元素のリン酸塩を含有する多孔貿ガラス
母材を高温で焼結してこの多孔質ガラス母材を透明ガラ
ス化して石英ガラスとすることによって作られる。この
焼結は多孔質ガラス母材を電気炉中で１，２００〜１，
８００℃に加熱すればよいが、この場合の７囲気はヘリ
ウムガス雰囲気とすることが好ましい。このようにして
多孔質ガラス母材が透明な石英ガラスとなり、石英ガラ
ス中に希土類元素のリン酸塩が均一に分散された本発明
の希土類元素ドープ石英ガラスを容易に得ることができ
る。

［実施例］ つぎに本発明の実施例、比較例をあげる。

実施例１ 石英製同心多重管バーナーに水素ガス５．５ｆｌｌ分、
酸素ガス８．０１１７分を供給して酸水素火炎を形成さ
せ、このバーナー中心部に酸素ガス０．１７ρ／分をキ
ャリャーガスとして四塩化けい素０．２ｉ／分を供給し
、この火炎を担体としての直径２０ｍｍの石英ガラス棒
に当て、四塩化けい素の火炎加水分解で発生したシリカ
ガラス微粒子を担体の軸方向に堆積成長させ、８時間運
転して外径４５ｍｍ、長さ３００ｍｍ　１重さ１７０　
ｇで平均かさ密度が０．３５ｇ／ｃｍ３である多孔質ガ
ラス母材を作った。

ついてこの多孔質ガラス母材を塩化エルビウムの０．１
重量％のメタノール溶液に浸漬して多孔質ガラス母材の
内部まで塩化エルビウムを滲透させ、空気中に２４時間
放置して風乾させたのち、アンモニアガス中に８時間放
置して塩化エルビウムを水酸化エルビウムとした。

つぎにこの水酸化エルビウムを含有している多孔買ガラ
ス母材を、１重量％のリン酸メタノール溶液に浸漬し、
空気中に８時間放置して風乾させたところ、水酸化エル
ビウムがエルビウムのリン酸塩となり、エルビウムのリ
ン酸塩を含有する多孔質ガラス母材が得られたので、こ
れをヘリウムガス雰囲気下に保持されている電気炉中に
おいて１，６００℃に３時間加熱して焼結したところ、
この多孔質ガラス母材が透明ガラス化されて石英ガラス
となり、エルビウムのリン酸塩が均一に分散された希土
類元素ドープ石英ガラスが得られたが、このものはＩＣ
Ｐ発光法によって測定したところ、酸化エルビウムを４
００ｐｐｍ，五酸化リンを０．３重量％含有しており、
これをＥＰＭＡで測定したところ、第１図に示したよう
に酸化エルビウムは半径方向にほぼ均一にドープされて
いるとか確認された。

また、この石英ガラスについてはこれをコアとし、フッ
素ドープした石英ガラスをクラッドとして光ファイバ用
ブリフォームを作り、光ファイバであ分光特性を測定し
たところ、第２図に示したようにエルビウム特有の吸収
スペクトルを示し、このブリフォームから作フた光ファ
イバに１．５３μｍの信号光を伝送させながら１．０６
μｍのポンプ光を入射したところ、１．５３μｍの信号
が増幅され、このときの増幅ゲインは３０ｄＢであった
。

実施例２ 実施例１と同じ方法で多孔質ガラス母材を製造したが、
この際四塩化けい素に酸素ガス０．０６ｕ　／分をキャ
リャーガスとして四塩化ゲルマニウム０．０５℃／分を
同伴させたところ、酸化ゲルマニウムを含有する多孔質
ガラス母材が得られた。

ついでこの多孔質ガラス母材を塩化ネオジムのＯｌ重量
％メタノール溶液に浸漬して多孔質ガラス母材の内部に
まで塩化ネオジムを滲透させ、空気中に２４時間放置し
て風乾させたのち、アンモニアガス中に８時間放置して
塩化ネオジムを水酸化ネオジムとした。

つぎにこの水酸化ネオジムを含有している多孔質ガラス
母材を１重量％のリン酸メタノール溶液に浸漬し、空気
中に８時間放置して風乾させたところ、水酸化ネオジム
がネオジムのリン酸塩となり、ネオジムのリン酸塩を含
有する多孔買ガラス母材か得られたので、これを水素一
ヘリウムガス雰囲気下に保持されている電気炉中におい
て１，６００℃に３時間加熱して焼結したところ、この
多孔質ガラス母材が透明ガラス化されて石英ガラスとな
り、ネオジムのリン酸塩が均一に分散された希土類元素
ドープ石英ガラスが得られたが、この石英カラスは酸化
ネオジムを５００ｐｐｍ、リン酸を０４重量％含有して
いた。

比較例 実施例１と同様の方法で得た多孔質ガラス母材を塩化エ
ルビウムの０．１重量％メタノール溶液とリン酸の１重
量％メタノール溶液との混合液に浸漬して、これらの溶
液を多孔質ガラス母材の内部にまで滲透させたのち、空
気中に２４時間放置して風乾させ、ついてこれを水素−
ヘリウムガス雰囲気にある電気炉中で１，６００℃に３
時間加熱して透明ガラス化して希土類元素ドープ石英ガ
ラスを作ったところ、この石英ガラスは酸化エルビウム
を２８０ｐｐｍ含有していたが、これをファイバ化して
その増幅特性を評価したところ、このものは増幅度が９
ｄＢと低いものであった。

［発明の効果］ 本発明は希土類元素ドープ石英ガラスおよびその製造方
法に関するもので、これは前記したように石英ガラスに
希土類元素のリン酸塩を均一に分散させてなる希土類元
素ドープ石英ガラス、およびけい素化合物の火炎加水分
解によって生成したシリカガラス微粒子を堆積して得た
多孔質ガラス母材を希土類元素イオンを可溶性塩溶液に
浸漬したのちアンモニアで中和して希土類元素化合物を
水酸化物とし、ついでこれをリン酸溶液に浸漬して希土
類元素リン酸塩とし、つぎにこの多孔質ガラス母材を高
温で焼成して石英ガラスとする希土類元素ドープ石英ガ
ラスの製造方法に関するものであるが、この石英ガラス
は上記したような方法で得られるので希土類元素のリン
酸塩が均一に分散されたものとなり、したがって発光ス
ペクトル強度が大きく、良好なレーザー特性を示すので
、特に光ファイバレーザー、光増幅器用として有用とさ
れるという有利性が与えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のエルビウムトープ石英ガラスの濃度分
布をεＰＭＡにより測定した結果を示すグラフ、第２図
はこのエルビウムドープ石英ガラスをコアとし、フッ素
ドープ石英ガラスをクラツドとした光ファイバの分光特
性を示したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、石英ガラスに希土類元素のリン酸塩を分散させてな
   ることを特徴とする希土類元素ドープ石英ガラス。 ２、けい素化合物の火炎加水分解によって生成したシリ
   カガラス微粒子を堆積して得た多孔質ガラス母材を希土
   類元素イオンを含む可溶性塩の溶液に浸漬したのち、こ
   れにアンモニアガスを吸収させ中和してこの塩を水酸化
   物とし、ついてこれをリン酸を含む溶液中に浸漬して希
   土類元素をリン酸塩とし、つぎにこの多孔質ガラス母材
   を高温で焼結して透明ガラス化することを特徴とする希
   土類元素ドープ石英ガラスの製造方法。 ３、希土類元素イオンを含む可溶性塩が塩化物または硝
   酸塩である請求項２に記載の希土類元素ドープ石英ガラ
   スの製造方法。 ４、多孔質ガラス母材が平均かさ密度０．３〜１．０ｇ
   ／ｃｍ＾３のものである請求項２または３に記載の希土
   類元素ドープ石英ガラスの製造方法。