JPH04285030A - 希土類元素添加光ファイバ及びその製造方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ネオジムを含むレーザ
ガラスの改質に関するものであり、特に、その発振もし
くは増幅波長帯のシフトを目指したものである。このガ
ラスを含むコアガラスを有する光ファイバを作製するこ
とにより、１．３μｍ帯で使用可能なファイバ型光増幅
器を実現することができる。

【０００２】

【従来の技術】希土類元素の添加されたガラスもしくは
結晶を用いたレーザは、いわゆるネオジムＹＡＧ（イッ
トリウム・アルミニウム・ガーネツト）レーザを始め、
現在広く使われている。しかし、希土類元素添加ガラス
（結晶）のレーザとしての発振波長、もしくは増幅波長
は、使用するガラスのマトリックスに依存する。例えば
、ネオジム（Ｎｄ）の場合、ＹＡＧレーザでは、有名な
１．０６μｍの発振波長となるのに対して、Ｎｄを石英
ガラスに添加すると発振波長は１．０９μｍ近傍となる
。

【０００３】近年の光ファイバ通信技術の進展は目ざま
しく、図１に示すように、石英ガラス系光ファイバのコ
アに希土類元素を添加し、これを図２に示すように、光
カプラを用いて、この希土類元素添加ファイバを別途用
意したポンプ光源からの光で励起することにより、ファ
イバ型の光増幅器を構成することが出来る。例えば、エ
ルビウム（Ｅｒ）がコアに添加された石英系ファイバで
は、波長１．５５μｍ近傍で光増幅したり、帰還を掛け
ることによりファイバ型のレーザとして発振させること
ができる。現在、光ファイバ通信では、波長１．５５μ
ｍと１．３３μｍの光が非常に多く使われている。しか
しながら、１．５５μｍ帯では、Ｅｒ添加ガラスを用い
た光ファイバ型光増幅器が有望であるのに対して、１．
３μｍでは、必ずしも満足のいく状況ではない。よく知
られているように、Ｎｄ添加ガラスを使用した図７に示
されるような光増幅器では、前述の１．０６〜１．０９
μｍの光増幅波長（発振波長）の他、１．３μｍ帯での
発振、増幅が確認されている。しかし、通常の石英系光
ファイバ、例えば、単一モードファイバのコアとして、
数モル％程度の酸化ゲルマニウムを含むガラスに、Ｎｄ
を添加したものを使用した場合、または、純粋な石英ガ
ラスにＮｄを添加した場合には、その光増幅波長（発振
波長）は、１．３μｍ帯と言っても、図８で表されてい
るように、実際には、１．３８μｍ〜１．３９μｍであ
り、光通信で使用されている１．２８５〜１．３３μｍ
付近の波長では全く増幅作用のない光ファイバ増幅器と
なる。

【０００４】これらを解決すべく提案されている技術と
して、ファイバの基本ガラス組成を石英ガラス系ではな
く、ジルコニウム、バリウム、ランタン、アルミニウム
、ナトリウム、鉛などのふっ化物からなるガラスを使用
したり、燐酸系ガラスをマトリックスガラスとして使用
することが行われる。これらの非石英系ガラスを使用し
て、１．３２μｍ付近の波長で数ｄＢ増幅利得がある光
ファイバ型増幅器ガラスが試作されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の非石英ガラス系ファイバを光増幅器として使用するこ
とで、以下に記す欠点が発生する。

【０００６】■光通信伝送路である石英ガラス系ファイ
バどうしの接続は、融着接続を用いることが出来るのに
対して、これらの非石英ガラスが伝送路に入って来るこ
とにより、融着接続が困難となる。なぜなら、石英系ガ
ラスが非常に高融点ガラスであるのに対して、ふっ化物
ガラスなどでは数百度の融点であるため、軟化温度があ
まりに違いすぎるためである。

【０００７】■光ファイバ通信では、いわゆる単一モー
ドファイバを使っているが、これらの非石英系ガラスに
おいては、安定に単一モードファイバを作製する技術が
確立していない。

【０００８】■また、長期的な寿命、特に機械的な寿命
の観点からは、石英ガラスと比べて非常に不安定である
。

【０００９】本発明では、これらの従来技術の欠点に鑑
み、安定な光ファイバ増幅器を提供することを目的とし
ている。そのポイントを以下に記す。

【００１０】（１）石英系ガラスを主成分とする光ファ
イバとして、１．３μｍ増幅用の光ファイバ増幅器を提
供する。

【００１１】（２）その時、増幅可能な波長を従来の石
英ガラスファイバにＮｄを添加した場合と比較して出来
る限り１．３０μｍ付近の波長に近づける。

【００１２】（３）この目的の為、ジルコニウム添加石
英系ガラスをコアガラスとして使用する。

【００１３】（４）単一モードファイバ構造とする為の
屈折率分布を得るのに必要なガラスへのドーパントはジ
ルコニウムに限定されない。例えば、ゲルマニウム、リ
ン、フッ素などの元素を導波路構造の最適化の為に使用
できる。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の希土類元
素添加光ファイバは、希土類元素とジルコニウムが共添
加された石英系ガラスをコアとすることを特徴とするも
のである。

【００１５】請求項２記載の希土類元素添加光ファイバ
は、請求項１記載の希土類元素添加光ファイバであって
、希土類元素がネオジムであることを特徴とするもので
ある。

【００１６】請求項３記載の希土類元素添加光ファイバ
の製造方法は、石英系ガラスからなる多孔質ガラス母材
を、ジルコニウムと希土類元素を共に含む液体に浸漬し
、次いで、乾燥、加熱、透明ガラス化することにより透
明なガラス塊を得る工程を有することを特徴とするもの
である。

【００１７】

【作用】本発明の光ファイバでは、石英系ガラスを使用
することで、光通信伝送路である石英ガラス系ファイバ
間の接続において、融着接続を用いることが出来、接続
を容易にできる。また、ジルコニウムを添加した石英系
ガラスをコアガラスとして使用することで、増幅可能な
波長を１．３０μｍに近づけることができる。従って、
石英系ガラスを主成分とする光ファイバとして、１．３
μｍ増幅用の光ファイバ増幅器を得ることができる。

【００１８】

【実施例】本実施例の光ファイバは、図１に示すように
、クラッドの中に希土類元素の添加された石英系ガラス
をコア１０として挿入したものである。本実施例でのコ
ア１０は、石英系ガラスにジルコニウムとネオジムを共
に添加したものである。

【００１９】以下に本実施例の光ファイバの製造方法を
記す。図３に示すように、いわゆるＶＡＤ法（Ｖａｐｏ
ｕｒ−ｐｈａｓｅ　Ａｘｉａｌ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
）を用いてＳｉＯ２ガラス微粒子からなる焼結体１２を
作製した。この焼結体１２は出発部材の周りに堆積して
大きく成長したものである。このガラス微粒子焼結体１
２は多孔質母材とも呼ばれる。微粒子焼結体１２の形状
は、直径２０ｍｍφ、長さ１２０ｍｍ、いわゆるカサ密
度は約０．２８ｇ／ｃｍ３であった。

【００２０】次に、この多孔質母材１２をジルコニウム
とネオジムを含む溶液に浸漬し、ガラス微粒子の間隙に
溶液をしみ込ませた。この例で使用した溶液は、テトラ
エトキシジルコニウム（ＴＥＺ）と無水三塩化ネオジム
（ＴＣＮ）を無水エチルアルコールに溶かしたもので、
アルコールに対する重量濃度で、 Ａ：　　テトラエトキシジルコニウム（ＴＥＺ）；２重
量％ Ｂ：　　三塩化ネオジム（ＴＣＮ）；０．１重量％に設
定した。

【００２１】実験の結果では、Ａ溶液については約８重
量％、Ｂ溶液については約１重量％までは利用可能な範
囲であった。これ以上の濃度では、アルコール溶液の粘
度が高くなり多孔質母材１２のガラス微粒子間の間隙に
浸みこみにくいので製造の不具合が生じる。

【００２２】ＴＥＺとＴＣＮのアルコール溶液から取り
出された多孔質母材を約３００℃の加熱炉内のＨｅ雰囲
気のもとで乾燥した。次に多孔質母材をより高温の加熱
炉に移した。まず、Ｈｅ８０％、酸素２０％、温度約１
１００℃の加熱炉で約２ｈ焼成し、ＴＥＺ、ＴＣＮ、残
留アルコールに含まれ炭素分、水素分の酸化除去を図っ
た。次に、加熱炉内雰囲気をＨｅ９８．５％、塩素１％
、酸素０．５％のガス組成とし、同様の温度で２ｈ熱処
理した。最後に、加熱炉温度を約１６００℃に上げ、非
多孔質のガラス棒にした。形状は、外径約１０ｍｍφ、
長さ約１００ｍｍであった。ここで、ガラス棒の透明度
は通常のファイバ母材と比べると若干低いが、光増幅、
レーザとして使用するガラスであるので、伝送用ファイ
バのように数１０ｋｍもの伝送に使用するわけではない
ので、許容される透明性であった。

【００２３】得られたジルコニウム、ネオジム共添加ガ
ラス棒を加熱、延伸して直径１．５ｍｍφのガラス棒と
した。これを、別途用意した表１に示すガラスパイプに
挿入し、更に加熱してコラプスして、全体に充実な光フ
ァイバ母材を得た。

【００２４】

【表１】

【００２５】これを光ファイバに線引した結果、直径：
１２５μｍ、コア径：約１０μｍ、ファイバ被覆径：２
５０μｍ（紫外線硬化型樹脂）、コア・クラツド間の比
屈折率差：約０．４３％の光ファイバとなった。

【００２６】本実施例の光ファイバを用いて、その光増
幅器としての特性を評価した。図４に伝送損失の波長特
性を示す。図５は、７８０ｎｍの半導体レーザを励起光
源とした時の光増幅器の１．３μｍ帯の特性図である。 図５に示すように、従来の石英系ガラスでは、石英系ガ
ラスにＮｄをドープした場合、これを１．３μｍ帯の光
増幅に利用すると、せいぜい１．３７〜１．３９μｍで
しか増幅作用が見られなかったが、本実施例の光ファイ
バでは、１．３３μｍ近くまで増幅作用があることがわ
かった。これは、ＮｄイオンがＺｒの近傍に配置された
ため、Ｚｒの持つ電界によりＮｄイオンが影響を受ける
（いわゆるシュタルク効果）ことで、利得波長の短波長
化が起ったものと考えられる。

【００２７】因みに、コアガラスへのＮｄとＺｒの添加
量を測定したところ、 Ｎｄ：３５ｐｐｍ Ｚｒ：７０００ｐｐｍ であった。見かけのＺｒ添加量に比べて、その添加の効
果が大きいのは、前述のように多孔質母材の微粒子の間
隙にこれらの部質を添加したため、コアガラス全体の平
均濃度よりもかなり高い濃度で局在しているＮｄとＺｒ
が相互に影響しやすくなったものと考えられる。

【００２８】ここで示した光ファイバの構造の他、単一
モードファイバ構造とする為の屈折率分布を得るのに必
要なガラスへのドーパントは、光ファイバの励起効率等
を考慮し、例えば、ゲルマニウム、リン、フッ素などの
元素を導波路構造の最適化の為に使用することができる
。これら様々な光ファイバの構造と屈折率分布の組み合
わせの一例を図６に示す。

【００２９】本実施例の光ファイバでは、石英系ガラス
を使用するものなので、光通信伝送路である石英ガラス
系ファイバどうしの接続において、融着接続を用いるこ
とが出来るので接続が容易である。また、石英系ガラス
を使用することは、安定に単一モードファイバを作製す
る技術が確立している為に信頼性が高い。

【００３０】さらにまた、長期的な寿命、特に機械的な
寿命の観点から、石英系ガラスは安定している。また、
ジルコニウムを添加した石英系ガラスをコアガラスとし
て使用しているので、増幅可能な波長を１．３０μｍに
近づけることができた。従って、石英系ガラスを主成分
とする光ファイバとして、１．３μｍ増幅用の光ファイ
バ増幅器を提供することができた。

【００３１】

【発明の効果】本発明の光ファイバでは、石英系ガラス
を使用するものなので、光通信伝送路である石英ガラス
系ファイバどうしの接続において、融着接続を用いるこ
とが出来るので接続が容易である。また、石英系ガラス
を使用することは、単一モードファイバを作製する技術
が確立しているために信頼性が高い。さらにまた、長期
的な寿命、特に機械的な寿命の観点から、石英系ガラス
は安定している。また、ジルコニウムを添加した石英系
ガラスをコアガラスとして使用しているので、増幅可能
な波長を１．３０μｍに近づけることができた。従って
、石英系ガラスを主成分とする光ファイバとして、１．
３μｍ増幅用の光ファイバ増幅器を提供することができ
た。

【００３２】尚、本発明の、希土類元素とジルコニウム
が共添加された石英系ガラス及びその製造方法は、光フ
ァイバ以外の用途にも適用できることはいうまでもない
。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　希土類元素の添加されたガラスからなるコ
アを透視した光ファイバの斜視図である。

【図２】　　光増幅器の構成図である。

【図３】　　ＶＡＤ法による焼結体の作製を示す図であ
る。

【図４】　　本実施例の光ファイバの伝送損失の波長特
性を表すグラフである。

【図５】　　７８０ｎｍの半導体レーザを励起光源とし
た時の１．３μｍ帯での光増幅器の特性を示すグラフで
ある。

【図６】　　様々な光ファイバの構造と屈折率分布の組
み合わせの一例を示すグラフである。

【図７】　　ネオジムの添加された光ファイバを使用し
た光増幅器の構成図である。

【図８】　　ネオジムの添加された光ファイバを使用し
た従来例の光増幅器による光増幅波長を表す波長と光強
度の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０・・・希土類元素添加ガラスコア、１２・・・多孔
質母材（ガラス微粒子焼結体）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　希土類元素とジルコニウムが共添加さ
   れた石英系ガラスをコアとすることを特徴とする希土類
   元素添加光ファイバ。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の希土類元素添加光ファ
   イバであって、希土類元素がネオジムであることを特徴
   とする希土類元素添加光ファイバ。
3. 【請求項３】　　石英系ガラスからなる多孔質ガラス母
   材を、ジルコニウムと希土類元素を共に含む液体に浸漬
   し、次いで、乾燥、加熱、透明ガラス化することにより
   透明なガラス塊を得る工程を有することを特徴とする希
   土類元素添加光ファイバの製造方法。