JPH11109152A - 光導波路用ハライド酸化物ガラス組成物及び該光導波路並びにそれを用いた光学装置 - Google Patents
光導波路用ハライド酸化物ガラス組成物及び該光導波路並びにそれを用いた光学装置Info
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Abstract
る光導波路用のハライド酸化物ガラス及び該光導波路並
びにそれを用いた光増幅器等の光学装置を提供する。 【解決手段】 ガラスを構成する陽イオンが、モル%表
示で、Ba,Sr,Ca,Mg:15〜45%、Zn,
Sn:20〜55%、Pb,Cd:0〜10%、Li:
0.5〜40%、Na,K,Rb,Cs:5〜40%、
B,Al,Ga,In,Tl:0〜25%、Sc,Y,
ランタノイド元素:0〜20%、P,Sb,Bi:10
〜30%、Ti,Zr,Hf:0〜20%、Nb,T
a:0〜10%の範囲からなり、かつ陽イオンの合計が
100%であり、ガラスを構成する陰イオンが、モル%
表示で、F,Cl,Br,I:40〜85%、O:15
〜60%の範囲からなり、かつ陰イオンの合計が100
%である光導波路用ハライド酸化物ガラス組成物で、こ
れを用いた光導波路、光増幅器、レーザー装置等であ
る。
Description
や温度計測などで用いられる光導波路用のハライド酸化
物ガラス及び該光導波路並びにそれを用いた光増幅器等
の光学装置に関するものである。
化物ガラスを代表とするハライドガラスは、フォノンエ
ネルギーが小さく、可視から赤外域までの広い波長域に
わたって、酸化物ガラスより透過性に優れている。例え
ば石英ガラスは波長2μm以上の光を通さないが、In
系フッ化物ガラスやPbを含有するZr系フッ化物ガラ
スでは、波長8μm〜10μmまで透過する。このた
め、低損失光ファイバー、赤外レーザー、高効率広帯域
光増幅器、温度計測、医療用光パワー伝送などへの応用
が期待され、実用化研究が行われてきた。
透過性が良好なハライドガラスは、大気中での耐候性が
悪く、失透や機械的強度の劣化が実用化の障害となって
きた。ガラスの透過限界波長と水への溶解速度の関係を
図1に示す。例えば、波長9μmまで透明なPb含有Z
r系フッ化物ガラスでは、石英ガラスより107倍も溶
解速度が早い。このため、赤外透過性が良好なハライド
ガラスは、大気中の水分の影響によって表面が失透して
しまう。また、ファイバー化や導波路加工の際には、表
面の変質を防止するために、水分や酸素のない厳密な雰
囲気制御(例えば窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気)
を必要とするなど、導波路作成上の問題もあった。
用し、かつ耐候性の高い光導波路を作製するためには、
クラッドやオーバークラッドなどの被覆材料に耐候性の
高い材料を用いればよい。被覆材としては、紫外線硬化
型や熱硬化型の樹脂や、耐候性の高いガラスが考えられ
ている。しかし、ハライドガラスを樹脂で直接被覆した
場合、樹脂の透湿性のために、ハライドガラスが経時的
に劣化する問題を完全に避けることは困難である。一
方、耐候性の高いハライド酸化物ガラスや酸化物ガラス
のクラッドやオーバークラッドは、透湿性が無視できる
ほど小さいため、ハライドガラスの経時的な劣化を完全
に防止できる。例えば、特開平4−7821号公報で
は、1.3μm増幅用プリフォームのクラッドとして酸
化物ガラスやフッ素酸化物ガラスを使う方法が開示され
ている。このようなガラスはハライドガラスや樹脂より
も機械的強度が高く、ファイバーの折損や傷などの問題
も大幅に緩和できる。
ガラスとハライドガラスを接触させて加熱加工を行う
と、接触界面で反応が起こり、結晶化や気泡が発生する
問題があった。界面に発生した結晶や気泡は、散乱とな
って導波路の損失を増大させるだけでなく、ファイバー
の曲げ強度や導波路の機械的強度を低下させる。さら
に、ハライドガラスを被覆するガラスは、ハライドガラ
スと共にファイバー化や加圧成形などの加熱加工をする
ことから、熱膨張係数,温度に対する粘度変化率および
粘度などの熱物性がハライドガラスとほとんど一致して
いなければならない。
触するクラッドまたはオーバークラッド用のガラスとし
て、ハライドガラスと反応しないハライド酸化物ガラス
の探索が行われた。例えば、 Marcel Poula
inらの研究(Journal of Non-Crystalline Solids 21
3&214 (1997) 11-15)では、NaPO3−ZnF2−Pb
F2−BaF2系のフツ燐酸塩ガラスが示されている。し
かし、この研究で示されているガラス組成は、屈折率が
一般的なハライドガラスよりも高く、クラッド組成とし
て適当でない。また、屈折率を下げるためにPbを減ら
したりNaを増やすと、ガラスの安定性が低下する上
に、熱膨張係数や粘性カーブなどの熱物性がハライドガ
ラスと一致しなくなる問題がある。
記問題を解決するため鋭意検討の結果、前述した条件を
すべて満たす、ハライドガラスと反応しないハライド酸
化物ガラスを見いだし本発明に到達した。
物ガラスは、ガラスを構成する陽イオンが、モル%表示
で、Ba,Sr,Ca,Mgから選ばれる少なくとも1
種類以上の元素:15〜45%、Zn,Snから選ばれ
る少なくとも1種類以上の元素:20〜55%、Pb,
Cdから選ばれる少なくとも1種類以上の元素:0〜1
0%、Li:0.5〜40%、Na,K,Rb,Csか
ら選ばれる少なくとも1種類以上の元素:5〜40%、
B,Al,Ga,In,Tlから選ばれる少なくとも1
種類以上の元素:0〜25%、Sc,Y,ランタノイド
元素から選ばれる少なくとも1種類以上の元素:0〜2
0%、P,Sb,Biから選ばれる少なくとも1種類以
上の元素:10〜30%、Ti,Zr,Hfから選ばれ
る少なくとも1種類以上の元素:0〜20%、Nb,T
aから選ばれる少なくとも1種類以上の元素:0〜10
%の範囲からなり、かつ陽イオンの合計が100%であ
り、ガラスを構成する陰イオンが、モル%表示で、F,
Cl,Br,Iから選ばれる少なくとも1種類以上の元
素:40〜85%、O:15〜60%の範囲からなり、
かつ陰イオンの合計が100%であることを特徴とする
光導波路用ハライド酸化物ガラス組成物である。
と、ハライドガラスとハライド酸化物ガラスの接触界面
の反応が、ほとんど起こらないか、または完全に防止
で、さらに、熱膨張率,粘度,粘度変化率などの熱物性
や屈折率など、すべての要求性能を満たすものである。
コア部にハライドガラスを用いた場合にはクラッド部
に、クラッド部にハライドガラスを用いた場合はオーバ
ークラッド部に使用できる。これらの光導波路の断面の
概略的構成を図2の(a)、(b)に示す。このハライ
ド酸化物ガラスは、一般的なハライドガラスと同程度の
屈折率をもち、ハライドガラスとの界面で反応が起こら
ず、熱物性もほぼ一致する。このため、界面の散乱や気
泡が無く充分な機械的強度を持つコア/クラッド界面ま
たはクラッド/オーバークラッド界面を形成でき、加熱
加工も容易である。
ラス組成は、上述した範囲のものであり、特に、ガラス
の安定性を増し、かつ屈折率をあまり増加させず、接触
するハライドガラスと反応しない元素として、Liを必
須としている点が特徴である。陽イオンとしては、ガラ
スの安定性を損なわない範囲で遷移金属元素やTh,U
などの放射性元素を含有させることも可能である。ま
た、屈折率を低くするためには、Pb,Cdを少なくす
ることが効果的である。具体的には、屈折率を1.55
以下にするためには、PbとCdの合計量を陽イオンモ
ル%表示で10%以下にするとよい。さらに、屈折率を
1.535以下にするためには、PbとCdの合計を陽
イオンモル%表示で5%以下にするとよい。また、屈折
率を1.525以下にするためには、アルカリ元素(特
にLi,Na)を陽イオンモル%表示で20%以上にす
ると良い。
このガラスをクラッド部に用いた場合は、コア部にハラ
イドガラスを用いることができる。このガラスをオーバ
ークラッド部に用いた場合には、コア部、クラッド部共
にハライドガラスを用いることもできるし、クラッド部
だけにハライドガラスを用いることもできる。
せて使用できるハライドガラスとしては、Al系,In
系,Ga系,Ba系などのハライドガラスが挙げられ
る。これらのガラスと組み合わせれば、キャスト法で界
面を形成することはもちろん、二重るつぼ法による界面
形成も可能である。また、加熱押し出し成形やプレス成
形も可能であり、導波路の量産化に適している。中で
も、フッ化物ガラスや塩素添加フッ化物ガラスは、本発
明のハライド酸化物ガラスと全く反応せず、熱的性質も
簡単に一致させられる。
増幅に適用する場合、コアにErを添加すれば1.55
μm帯の広帯域増幅、PrやNdやDyを添加すれば
1.3μm帯の高効率増幅が行える。Er,Pr,N
d,Dyの添加量は、光導波路の透過損失や励起方法、
要求増幅特性などで変化するが、陽イオンモル%表示で
0.01〜10%の範囲が適当である。また、レーザー
として利用する場合は、活性イオンとしてPr,Nd,
Sm,Eu,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Ybなど
の希土類元素や、Cr,Mn,Ni,Coなどの遷移金
属やTiなどが利用できる。添加量は、レーザーの励起
波長や励起パワー(エネルギー)、共振器を構成する反
射鏡や反射膜の反射率、光導波路の損失などによっても
変化するが、陽イオンモル%表示で0.01〜10%の
範囲が適当である。温度センサー用赤外光ガイドや光パ
ワー伝送用に利用する場合は、特定の波長で利得と損失
が釣り合うような光増幅器に準ずる構成にしても良い
し、活性イオンを全く添加しないファイバーや平面光導
波路の形で利用しても良い。特に光パワー伝送では、水
やOHの吸収(1μm帯、4μm帯)波長のレーザーパ
ワー伝送が可能であり、医療用レーザーの光ガイドや内
視鏡一体型のパワー伝送路として好適である。特に医療
用のレーザーメスなどでは、人体の水分をレーザーエネ
ルギーの吸収に利用するため、1μm帯,4μm帯のレ
ーザー伝送は重要である。
収が問題となる場合、本発明の光導波路のコア部とクラ
ッド部にハライドガラスを用い、オーバークラッド部に
ハライド酸化物ガラスを用いれば、ハライド酸化物ガラ
ス中の酸素に起因する吸収(水,OH、P−O結合など
の吸収)による損失を低減または除去できるので、より
好ましい。
ーザーや光パワー伝送などでは、オーバークラッド部に
ハライド酸化物ガラスを用いる方法がより望ましい。本
発明の光導波路を用いて光増幅器やレーザーを構成する
場合、励起源としては活性イオンの吸収波長帯に合致
し、所定の反転分布が得られれば何でも良いが、小型高
効率かつ光導波路との結合が容易である点から、ファイ
バー結合された半導体レーザー(ピグテール付き半導体
レーザー)が好ましい。励起方法は、前方励起、後方励
起、双方向励起など、励起が効率よく行われる方法なら
何でも良い。また、励起に使用されるレーザーは、1台
でも良いし、複数台をまとめて利用しても良い。さら
に、活性イオンや増感イオンの吸収帯を完全に利用して
励起効率を高めるために、広い発振波長帯域を持つレー
ザーを用いることも効果的である。このようなレーザー
は、わずかに発振波長の異なるレーザーを複数台結合し
たり、誘導ラマン散乱を利用する方法で実現できる。
を1本の光導波路にまとめるためには、光合分波素子が
必要である。光合分波素子としては、挿入損失が小さ
く、合分波が効率よく行える方法なら何でも良い。この
ような合分波素子としては、波長分割多重素子(WD
M)が適当である。光合分波素子は、挿入損失低減の観
点から、ファイバーや平面導波路光部品で構成されたも
のが好ましい。また、光合分波素子内に光アイソレータ
を内蔵した場合は、増幅器の小型化低挿入損失化が図れ
る。
し、挿入損失の小さなものであれば何でも良い。前述し
たように、他の光学部品と一体にすれば、増幅器が小型
化できるため、好ましい。
付属させると、光通信システムの信頼性が向上するので
好ましい。利得の監視には、実質的に入射信号光強度と
出力信号光強度を比較できる方法なら、どんな方法を用
いても良い。波長多重通信を行う場合は、各波長に割り
当てられた信号ごとに検出、監視できる方法が望まし
い。これらの機能は、遠隔操作でプログラミング可能な
マイクロプロセッサなどで、自動的に調整可能になって
いることが好ましい。
ド部にハライドガラスを用い、該ハライドガラスに接触
するクラッド部またはオーバークラッド部に特定組成の
ハライド酸化物ガラスを用いることで、界面散乱が少な
く機械的強度が高い光導波路を提供することができる。
また、この導波路に活性イオンを添加することで、高効
率広帯域光増幅器用の導波路やレーザー用導波路を提供
できる。また、少なくとも励起光源、光合分波素子、光
アイソレータ、増幅用光導波路を備え、かつ増幅用光導
波路として該光導波路を用いることを特徴とする光増幅
器,希土類添加導波路(ファイバー)レーザーや、放射
型温度計測器や、レーザーパワー伝送を伴うレーザー装
置,医療用レーザー治療器を提供するものである。
るが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
ライド酸化物ガラス(サンプルNo.1〜No.7)を
用いた場合の界面反応を試験した。試験方法は、キャス
ティングによって界面を形成し、加熱押し出し成形で導
波路を作成し、界面を観察して評価した。導波路の界面
にHe−Neレーザーを照射し、肉眼で散乱が見えない
場合を◎、わずかに散乱が見える場合を○、はっきり散
乱が見える場合を△、明らかに結晶化し界面が白色に変
色している場合を×とした。△および×は、光導波路と
して不適当であることを示す。ガラス組成および評価結
果を表1(組成の数字はモル%)に示した。いずれも◎
または○であり、光導波路用のガラスの組み合わせとし
て優れていることが分かった。
本発明以外のハライド酸化物ガラス(サンプルNo.8
〜No.12)を用いた場合の界面反応を、実施例1と
同様に試験した。評価方法も実施例1と同じである。ガ
ラス組成および評価結果を表2(組成の数字はモル%)
に示した。いずれも△または×であり、光導波路用のガ
ラスの組み合わせとして適当でないことが分かった。
No.21)の示差熱および屈折率と組成の関係を測定
した。示差熱測定結果(サンプルNo.15)を図3
に、組成と屈折率の関係を表3(組成の数字はモル%)
に示した。示差熱測定から、ガラスの安定性を示すTx
−Tgは、100℃と、充分に安定であることが分かっ
た。また、表3から屈折率は1.54〜1.50の範囲
で調整可能なことが分かった。
ハライドガラスを使用し、ファイバーを作成した。コア
部とクラッド部のガラス組成を以下に示す。数字はモル
%である。 コア部:38InF3-19ZnF2-18BaF2-9SrF2-3.9GdF3-0.1ErF3
-7PbF2-3BaCl2-2AlF3 クラッド部:11LiF-11NaF-48ZnF2-7BaF2-7SrF2-11Ba(PO
3)2-5NaPO3 このファイバーを用いて光増幅器を構成した(図4)。
測定に使用したファイバーは長さ10m、開口数は0.
1である。励起にはファイバーピグテイル付きの半導体
レーザー5(発振中心波長:1.48μm)を使用し、
光合分波素子6と石英ファイバー7を介して上記増幅用
光ファイバー8と結合している。石英ファイバー7と増
幅用ファイバー8の結合はV溝ブロックを利用し、接合
端面は反射損失を低減するため斜めに光学研磨して、光
学接着剤で固定した。1.55μm帯の信号光11を光
合分波素子6から入射して、増幅された出射光を光アイ
ソレーター9に通して測定器10において利得を測定し
た。励起パワー100mWの時の小信号利得は28dB
と高利得であった。
表示で各々0.1,0.5%添加したファイバーを用い
た。コア部とクラッド部のガラス組成を以下に示す。数
字はモル%である。 コア部:38InF3-19ZnF2-18BaF2-9SrF2-3.4GdF3-0.1ErF3
-0.5CeF3-7PbF2-3BaCl2-2AlF3 クラッド部:11LiF-11NaF-48ZnF2-7BaF2-7SrF2-11Ba(PO
3)2-5NaPO3 このファイバーの利得を実施例3と同様の配置で測定し
た。使用したファイバーの長さは10m、開口数は0.
1、励起波長は0.98μmである。励起パワー100
mWの時の小信号利得は29dBと高利得であった。
クラッド部をハライドガラス、オーバークラッド部を本
発明のハライド酸化物ガラスとし、透過特性を測定し
た。ガラスの組成は以下に示す。数字はモル%である。 コア部:38InF3-2GaF3-19ZnF2-18BaF2-9SrF2-3BaCl2-4G
dF3-7PbF2 クラッド部:35InF3-5GaF3-20ZnF2-15BaF2-20SrF2-3GdF
3-2PbF2 オーバークラッド部:11LiF-11NaF-48ZnF2-7BaF2-7SrF2
-16Ba(PO3)2 コア直径50μmのマルチモードファイバーで、長さ2
mのファイバーを測定した。透過曲線を図5に示す。9
μm付近まで透過し、良好な赤外透過性を示すことが分
かった。
ドガラスを被覆した光導波路は、赤外透過性が良好でか
つ耐候性が高く、機械的強度も高いことから、低温用放
射温度計測器や、医療用のレーザーパワー伝送や、活性
イオンを添加した広帯域光増幅器、レーザー装置などが
構築できる。
の関係を示す。
の示差熱測定結果を示す。
Claims (18)
- 【請求項1】 ガラスを構成する陽イオンが、モル%表
示で、Ba,Sr,Ca,Mgから選ばれる少なくとも
1種類以上の元素:15〜45%、Zn,Snから選ば
れる少なくとも1種類以上の元素:20〜55%、P
b,Cdから選ばれる少なくとも1種類以上の元素:0
〜10%、Li:0.5〜40%、Na,K,Rb,C
sから選ばれる少なくとも1種類以上の元素:5〜40
%、B,Al,Ga,In,Tlから選ばれる少なくと
も1種類以上の元素:0〜25%、Sc,Y,ランタノ
イド元素から選ばれる少なくとも1種類以上の元素:0
〜20%、P,Sb,Biから選ばれる少なくとも1種
類以上の元素:10〜30%、Ti,Zr,Hfから選
ばれる少なくとも1種類以上の元素:0〜20%、N
b,Taから選ばれる少なくとも1種類以上の元素:0
〜10%の範囲からなり、かつ陽イオンの合計が100
%であり、ガラスを構成する陰イオンが、モル%表示
で、F,Cl,Br,Iから選ばれる少なくとも1種類
以上の元素:40〜85%、O:15〜60%の範囲か
らなり、かつ陰イオンの合計が100%であることを特
徴とする光導波路用ハライド酸化物ガラス組成物。 - 【請求項2】 コア部がハライドガラスからなる光導波
路において、該ハライドガラスと接するクラッド部が、
請求項1記載のハライド酸化物ガラスからなることを特
徴とする光導波路。 - 【請求項3】 クラッド部がハライドガラスからなる光
導波路において、該ハライドガラスと接するオーバーク
ラッド部が、請求項1記載のハライド酸化物ガラスから
なることを特徴とする光導波路。 - 【請求項4】 コア部が、Al,Ga,In,Tlから
選ばれる少なくとも1種類の元素を陽イオンモル%表示
で15〜65%含有するハライドガラスからなることを
特徴とする請求項2記載の光導波路。 - 【請求項5】 クラッド部が、Al,Ga,In,Tl
から選ばれる少なくとも1種類の元素を陽イオンモル%
表示で15〜65%含有するハライドガラスからなるこ
とを特徴とする請求項3記載の光導波路。 - 【請求項6】 コア部が、Al,Ga,In,Tlから
選ばれる少なくとも1種類の元素を陽イオンモル%表示
で15〜65%含有するフッ化物ガラスまたは塩素添加
フッ化物ガラスであり、クラッド部が請求項1記載のハ
ライド酸化物ガラスからなることを特徴とする請求項2
または請求項4記載の光導波路。 - 【請求項7】 クラッド部が、Al,Ga,In,Tl
から選ばれる少なくとも1種類の元素を陽イオンモル%
表示で15〜65%含有するフッ化物ガラスまたは塩素
添加フッ化物ガラスであり、オーバークラッド部が請求
項1記載のハライド酸化物ガラスからなることを特徴と
する請求項3または請求項5記載の光導波路。 - 【請求項8】 コア部に希土類元素を添加した請求項
2、請求項4、請求項6記載の光導波路を用い、少なく
とも励起光源、光合分波素子、光アイソレータを備えた
光増幅器。 - 【請求項9】 コア部に希土類元素を添加した請求項
2、請求項4、請求項6記載の光導波路を用い、少なく
とも励起光源、光合分波素子、光アイソレータを備えた
レーザー装置。 - 【請求項10】 クラッド部に希土類元素を添加した請
求項3、請求項5、請求項7記載の光導波路を用い、少
なくとも励起光源、光合分波素子、光アイソレータを備
えた光増幅器。 - 【請求項11】 クラッド部に希土類元素を添加した請
求項3、請求項5、請求項7記載の光導波路を用い、少
なくとも励起光源、光合分波素子、光アイソレータを備
えたレーザー装置。 - 【請求項12】 光導波路がファイバーからなることを
特徴とする請求項8または請求項10記載のファイバー
型光増幅器。 - 【請求項13】 光導波路がファイバーからなることを
特徴とする請求項9または請求項11記載のファイバー
レーザー装置。 - 【請求項14】 光導波路が平面光導波路からなること
を特徴とする請求項8または請求項10記載の平面導波
路型光増幅器。 - 【請求項15】 光導波路が平面光導波路からなること
を特徴とする請求項9または請求項11記載の平面導波
路レーザー装置。 - 【請求項16】 請求項2乃至請求項7のいずれか1つ
に記載の光導波路を、被測定物からの放射光伝送に用
い、波長1μmから10μmの範囲内の光強度を検出し
て温度を測定する温度計測器。 - 【請求項17】 請求項2乃至請求項7のいずれか1つ
に記載の光導波路を、レーザー発振器から被照射物まで
の光パワー伝送に用いたレーザー装置。 - 【請求項18】 請求項2乃至請求項7のいずれか1つ
に記載の光導波路がファイバーからなり、少なくともフ
ァイバー像転送装置とファイバー先端を自在に屈曲させ
る装置を備えた、レーザー治療用内視鏡。
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