(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下記酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３を３０〜５５％、ＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を、もしくは両方を合計で２５〜５０％、Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を、もしくは両方を合計で１２〜２７％、Ｌａ２Ｏ３を０〜４％、Ｙｂ２Ｏ３を０．１〜４％含有し、Ｅｒ２Ｏ３を実質的に含有せず、１．０〜１．２μｍの波長の光の増幅に用いられる光増幅ガラス。
【請求項２】
下記酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３を３０〜５５％、ＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を、もしくは両方を合計で２５〜５０％、Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を、もしくは両方を合計で１２〜２７％、Ｌａ２Ｏ３を０〜４％、Ｙｂ２Ｏ３を０．１〜４％含有し、Ｅｒ２Ｏ３およびＴｍ２Ｏ３を実質的に含有しない光増幅ガラス。
【請求項３】
請求項２の光増幅ガラスであって、１．０〜１．２μｍの波長の光の増幅に用いられる光増幅ガラス。
【請求項４】
Ｂｉ２Ｏ３が３５〜５０％、ＳｉＯ２が０〜４５％、Ｂ２Ｏ３が０〜３５％、Ａｌ２Ｏ３が０〜１２％、Ｇａ２Ｏ３が５〜２５％である請求項１〜３のいずれかの光増幅ガラス。
【請求項５】
ＳｉＯ２が２５％以上、Ｂ２Ｏ３が０〜１０％である請求項１〜４のいずれかの光増幅ガラス。
【請求項６】
ＣｅＯ２を１％以下含有する請求項１〜５のいずれかの光増幅ガラス。
【請求項７】
波長９４０ｎｍにおける吸収係数が１ｄＢ／ｃｍ以上である請求項１〜６のいずれかの光増幅ガラス。
【請求項８】
９４０〜９９０ｎｍの波長域のいずれかの波長における吸収係数が４ｄＢ／ｃｍ以上である請求項１〜７のいずれかの光増幅ガラス。
【請求項９】
ガラス転移点が４００℃以上である請求項１〜８のいずれかの光増幅ガラス。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかの光増幅ガラスをコアとする光導波路。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれかの光増幅ガラスをコアとする光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は１．０〜１．２μｍの波長の光の増幅に好適な光増幅ガラスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、加工用レーザーとして、固体のＹＡＧレーザーに置き換わるＹｂを添加したファイバからなるファイバレーザーの開発が進められている。ファイバレーザーの特徴は、光の伝搬モードが限られるためにビーム品質が良いこと、また極細のファイバにより放熱が優れているため、冷却が不要であることが挙げられる。【０００３】
ところで、Ｙｂを添加したファイバは、一般的に石英ガラスをベースとしたものが用いられる。石英をベースとした、Ｙｂ添加シングルモードファイバの９７５ｎｍ近傍にあらわれるＹｂ３＋の吸収は一般的には、０．８〜３．５ｄＢ／ｃｍ程度である。また、ガラス中でのＹｂ３＋の吸収は９７５ｎｍ近傍に鋭いピークが現れ、それより短波長側の９１５ｎｍ近傍に別の吸収ピークが現れる（非特許文献１参照）。Ｙｂ添加ファイバの励起波長としては、一般的に９７５ｎｍもしくは９１５ｎｍまたは９７５ｎｍ未満９１５ｎｍ超が用いられる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，  ｖｏｌ．３３，  ｐｐ．１０４９−１０５６，１９９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
石英をベースとしたＹｂ添加シングルモードファイバの前記Ｙｂ３＋の吸収は最大でも３．５ｄＢ／ｃｍ程度であるので、発光に必要なファイバ長を十分には短くできなかった。そのため、パルスレーザー発振させたい場合発振の繰り返し数を十分大きくすることができず、また、ファイバ長に比例して大きくなる誘導ブリルアン散乱の影響を十分には抑制できず安定した増幅が得られないおそれがあった。
また、石英をベースとしたＹｂ添加シングルモードファイバでは９１５ｎｍ近傍と９７５ｎｍ近傍のピークの間に吸収の谷ができ、その吸収量は９１５ｎｍの値の半分以下まで低下している。そのため、励起光として半導体レーザーを用いた場合に、波長のシフトによって励起光の吸収効率が変わり出力の変動が起こりやすいという問題があった。
本発明はこのような問題を解決できる光増幅ガラス、光導波路および光ファイバの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、下記酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３を３０〜５５％、ＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を、もしくは両方を合計で２５〜５０％、Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を、もしくは両方を合計で１２〜２７％、Ｌａ２Ｏ３を０〜４％、Ｙｂ２Ｏ３を０．１〜４％含有し、Ｅｒ２Ｏ３を実質的に含有せず、１．０〜１．２μｍの波長の光の増幅に用いられる光増幅ガラス。（以下、第１の光増幅ガラスということがある。）を提供する。なお、たとえば「Ｌａ２Ｏ３を０〜４％含有する」とは、Ｌａ２Ｏ３は必須ではないが４％まで含有してもよい、の意である。
また、下記酸化物基準のモル％表示で、Ｂｉ２Ｏ３を３０〜５５％、ＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を、もしくは両方を合計で２５〜５０％、Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の少なくともいずれか一方を、もしくは両方を合計で１２〜２７％、Ｌａ２Ｏ３を０〜４％、Ｙｂ２Ｏ３を０．１〜４％含有し、Ｅｒ２Ｏ３およびＴｍ２Ｏ３を実質的に含有しない光増幅ガラス。（以下、第２の光増幅ガラスということがある。）を提供する。なお、当該光増幅ガラスは典型的には１．０〜１．２μｍの波長の光の増幅に用いられる。
また、前記光増幅ガラスをコアとする光導波路を提供する。
また、前記光増幅ガラスをコアとする光ファイバを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、Ｙｂによる吸収量が大きく、強い発光を示すことにより、必要なファイバ長を短くすることが可能となり、たとえば、パルスレーザー発振させたい場合、共振器長を短くすることにより、発振の繰り返し数を大きくすることが可能となる。また、ファイバ長に比例して大きくなる誘導ブリルアン散乱の影響を抑えることにより、安定した増幅が可能となる。【０００８】
また、吸収ピークがシャープであると励起波長により励起光の吸収される割合が変化するために厳密に励起光波長を選択する必要が生じるが、本発明の好ましい態様によれば、ブロードな吸収帯をもつことにより励起波長に幅を持たすことができ、たとえば半導体レーザーの励起波長の許容範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の光増幅ガラスの吸収スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の光増幅ガラス（以下、本発明のガラスという。）は通常、コア／クラッド構造の光導波路、たとえば同構造のガラスファイバまたは同構造の平面導波路のコアとして使用される。なお、このようなコア／クラッド構造の光導波路は本発明の光導波路であり、同構造のガラスファイバは本発明の光ファイバである。
本発明の光ファイバにおけるコア径、クラッド径はそれぞれ典型的には２〜１０μｍ、１００〜４００μｍである。また、本発明の光ファイバを高出力用光ファイバに用いる場合にはコア径は１０〜２５μｍが好ましい。
【００１１】
本発明の光導波路および光ファイバは１．０〜１．２μｍの波長の光を増幅するのに好適である。
この増幅は、増幅されるべき光（信号光）とともに励起光をコアに入射することによって行われ、前記励起光としては通常、波長が９００〜１０００ｎｍの光が使用される。
【００１２】
本発明のガラスの吸収係数（吸光度）は、９４０〜９９０ｎｍの波長域のいずれかの波長において４ｄＢ／ｃｍ以上であることが好ましい。すなわち、その波長域における吸収係数の最大値Ａ（ｐ）は４ｄＢ／ｃｍ以上であることが好ましい。
本発明のガラスの波長９４０ｎｍにおける吸収係数Ａ（９４０）は１ｄＢ／ｃｍ以上であることが好ましい。１ｄＢ／ｃｍ未満ではＡ（ｐ）が４ｄＢ／ｃｍ未満になりやすい。
【００１３】
本発明のガラスのガラス転移点Ｔｇは４００℃以上であることが好ましい。Ｔｇが４００℃未満では、励起光として強度の大きいレーザー光を使用したときにガラスの温度が局所的に高くなって熱的に損傷し、その結果光損失が増加して光増幅が不充分となるおそれがある。より好ましくは４３０℃以上、特に好ましくは４５０℃以上である。
【００１４】
次に、本発明のガラスに成分についてモル百分率表示含有量を用いて説明する。
本発明のガラスにおいては、Ｙｂ３＋の２Ｆ５／２準位から２Ｆ７／２準位への誘導放出を利用して光増幅が行われ、Ｙｂ２Ｏ３は必須である。Ｙｂ２Ｏ３が０．１％未満では、十分な増幅が得られない。好ましくは、０．１５％以上、より好ましくは０．３％以上、特に好ましくは０．５％以上である。また、４％超ではガラス化が困難になる。好ましくは３％以下、より好ましくは２％以下である。
【００１５】
Ｂｉ２Ｏ３は必須成分である。その含有量が３０％未満ではＹｂの吸収係数が小さくなるおそれがある。好ましくは３５％以上、より好ましくは４０％以上である。５５％超では、ガラス化が困難になる、ファイバ加工時に失透する、またはＴｇが低くなりすぎる。好ましくは５０％以下、より好ましくは４５％以下である。ここでいう失透とは結晶析出の顕著なものであり、ファイバ加工時にファイバ切れを起こしたり、光ファイバとしての使用時にファイバ破壊を起こしたりするものである。
【００１６】
ＳｉＯ２およびＢ２Ｏ３はネットワークフォーマであり、ガラス作製時の結晶析出を抑制してガラス形成を容易にするために、少なくともいずれか一方を含有しなければならない。これらの含有量の合計ＳｉＯ２＋Ｂ２Ｏ３が２５％未満では、ガラス化が困難になる、またはファイバ加工時に失透する。好ましくは２８％以上、より好ましくは３０％以上である。５０％超では発光強度が低下する。好ましくは４５％以下、より好ましくは４０％以下、特に好ましくは３５％以下である。
【００１７】
ＳｉＯ２を含有する場合その含有量は１０％以上であることが好ましく、より好ましくは２０％以上、特に好ましくは３０％以上である。また、その含有量は、好ましくは４５％以下、より好ましくは４０％以下である。
【００１８】
Ｂ２Ｏ３を含有する場合その含有量は、好ましくは３５％以下、より好ましくは３０％以下、特に好ましくは２０％以下である。耐熱性を向上させたい場合、Ｂ２Ｏ３の含有量は１０％以下とすることが好ましく、Ｂ２Ｏ３を含有しないことがより好ましい。
溶解性をよくしたいなどの場合、ＳｉＯ２が２５％以上かつＢ２Ｏ３が０〜１０％であることが好ましい。
【００１９】
Ａｌ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３は失透を抑制する効果があり、いずれか一方を含有しなければならない。これらの含有量の合計Ａｌ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３が１２％未満では失透抑制の効果が小さい。好ましくは１５％以上、より好ましくは１８％以上、特に好ましくは２０％以上である。２７％超ではかえって失透しやすくなる。好ましくは２５％以下、より好ましくは２３％以下である。
なお、発光強度を大きくしたい場合、Ｇａ２Ｏ３を含有することが好ましい。
【００２０】
Ａｌ２Ｏ３を含有する場合その含有量は好ましくは１％以上、より好ましくは３％以上である。また、その含有量は１２％以下であることが好ましく、より好ましくは１０％以下である。
【００２１】
Ｇａ２Ｏ３を含有する場合その含有量は、好ましくは１％以上、より好ましくは５％以上、特に好ましくは１０％以上である。また、その含有量は２５％以下であることが好ましく、より好ましくは２０％以下である。
Ｂｉ２Ｏ３は３５〜５０％、ＳｉＯ２は０〜４５％、Ｂ２Ｏ３は０〜３５％、Ａｌ２Ｏ３は０〜１２％、Ｇａ２Ｏ３は５〜２５％であることが好ましい。
【００２２】
Ｌａ２Ｏ３は必須ではないが、濃度消光を起こり難くする効果または発光強度を増大させる効果を有し、４％まで含有してもよい。４％超では失透しやすくなる。より好ましくは３％以下である。Ｌａ２Ｏ３を含有する場合、その含有量は０．５％以上であることが好ましい。より好ましくは１％以上、特に好ましくは２％以上である。
【００２３】
本発明のガラスは上記成分から本質的になることが好ましいが、本発明の目的を損なわない範囲でその他の成分を典型的には合計で１０％以下、好ましくは５％以下の範囲で含有してもよい。
【００２４】
たとえば、Ｂｉ２Ｏ３がガラス融液中で金属ビスマスとなって析出しガラスの透明性を低下させるのを防止するためにＣｅＯ２を１％まで含有してもよい。１％超ではガラスの黄色またはオレンジ色の着色が顕著になり透過率が低下する。好ましくは０．５％以下である。ＣｅＯ２を含有する場合、その含有量は０．１％以上であることが好ましい。なお、透過率を高めたい場合はＣｅＯ２を含有しないことが好ましい。
また、ファイバ加工時の失透を抑制するため、またはガラス化を容易にするために、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２、ＺｎＯ、ＣｄＯ、ＧｅＯ２、ＴｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、ＰｂＯ、ＴｅＯ２等を含有してもよい。
【００２５】
なお、Ｅｒ２Ｏ３は実質的に含有せず、Ｅｒ２Ｏ３の含有量は典型的には０．０２％以下、好ましくは０．０１％未満である。Ｅｒ２Ｏ３を実質的に含有するものであるとＹｂ３＋の励起状態からＥｒ３＋へのエネルギー遷移が生じて１．０〜１．２μｍの波長の光の増幅が行えなくなり、本発明の目的を損なうおそれがある。
また、Ｔｍ２Ｏ３には、Ｙｂ３＋の基底準位（２Ｆ５／２）と上準位（２Ｆ７／２）の間にＴｍ３＋のエネルギー準位（３Ｈ５）が存在しエネルギーがＴｍ３＋に奪われ効率が低下するおそれがあるので、第１の光増幅ガラスにおいてはＴｍ２Ｏ３を含有しないことが好ましく、第２の光増幅ガラスにおいてはＴｍ２Ｏ３を実質的に含有せず、Ｔｍ２Ｏ３の含有量は典型的には０．０２％以下、好ましくは０．０１％未満である。
【００２６】
本発明のガラスの製造方法については特に制限はなく、たとえば、原料を調合して混合し、金ルツボ、アルミナルツボ、石英ルツボやイリジウムルツボ中に入れ、８００〜１３００℃で空気中で溶解し、得られた融液を所定のモールドにキャストする溶融法によって製造できる。また、ゾルゲル法や気相蒸着法などの溶融法以外の方法で製造してもよい。
【実施例】
【００２７】
表１〜３のＢｉ２Ｏ３からＣｅＯ２までの欄にモル％表示で示す組成のガラスを、１１５０℃で溶解する溶融法により作製した。また、ガラス転移温度Ｔｇ（単位：℃）、波長１０６４ｎｍにおける相対的な発光強度Ｅ、波長１０６４ｎｍにおける発光寿命τ（単位：ｍｓ）、波長９１５ｎｍにおける吸収係数Ａ（９１５）（単位：ｄＢ／ｃｍ）、波長９４０ｎｍにおける吸収係数Ａ（９４０）（単位：ｄＢ／ｃｍ）、波長９４０〜９９０ｎｍにおけるピークの吸収係数Ａ（ｐ）（単位：ｄＢ／ｃｍ）、９１５〜９４０ｎｍの波長域における吸収係数のフラット性の指標、すなわち当該吸収係数の最大値と最小値の比Ａ’を表に示す。【００２８】
例１〜２０は実施例、例２１、２２は比較例である。例１〜２０のガラスはいずれもＴｇが４３０℃以上で熱的に安定であり、Ａ（ｐ）が４ｄＢ／ｃｍ以上である。
また、例１〜７のガラスはＹｂの含有量を除いた組成の割合は同じで、Ｙｂの含有量が変わっている。Ｙｂの含有量が増加すると、単調に発光強度Ｅおよび吸収係数が増大していることがわかる。
また、例１〜２０の実施例は発光強度Ｅが強いが、Ｅｒを含有している比較例の２１、２２では発光強度Ｅが著しく低下していることがわかる。
また、図１に例８の吸収スペクトルを示す。縦軸は吸収係数（単位：ｄＢ／ｃｍ）、横軸は波長（単位：ｎｍ）である。波長９１５〜９６５ｎｍにおいてなだらかな吸収スペクトルを示すことがわかる。
また、例１〜２０において前記Ａ’が１．５以下であることから、励起光の波長をこのフラットな波長帯域９１５〜９４０ｎｍとすることにより出力変動を抑えることが可能になる。【００２９】
また、例８に示したガラスをコアとし、モル％で４２．８Ｂｉ２Ｏ３−３４．２ＳｉＯ２−１４．３Ｇａ２Ｏ３−７．１Ａｌ２Ｏ３−１．４Ｌａ２Ｏ３−０．２ＣｅＯ２であるガラスをクラッドとして、コア径が５．２μｍのファイバを作製した。このようなＹｂ３＋吸収量が大きいガラスを用いることにより、わずか１９ｃｍの長さのファイバにおいても、１０６４ｎｍの波長でレーザー発振することを確認した。【００３０】
【表１】
0005516413.tif 000002
【００３１】
【表２】
0005516413.tif 000003
【００３２】
【表３】
0005516413.tif 000004
【産業上の利用可能性】
【００３３】
１．０〜１．２μｍの波長の光の増幅に利用できる。
なお、２００８年１１月６日に出願された日本特許出願２００８−２８５５２７号の明細書、特許請求の範囲、図面および要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として取り入れるものである。
【図１】
0005516413.tif 000005