(57)【要約】本発明は、マトリックスガラスが少なくとも１種の重金属酸化物および少なくとも１種の希土類化合物を含有するコアを備えるガラスファイバであって、それによって上記コアが少なくとも２層のガラスクラッドに囲まれているガラスファイバに関する。さらに本発明は、上記ガラスファイバを製造するための方法に関する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックスガラスが少なくとも１種の重金属酸化物および少なくとも１種の希土類化合物を含有し、少なくとも２層のガラスクラッドに囲まれたコアを備えるガラスファイバであって、前記コアから第１クラッドへの屈折率変化Δｎが０.００１〜０.０８の範囲内にあり、かつ前記第１クラッドの屈折率が前記コアのそれよりも低い、ガラスファイバ。
【請求項２】
前記重金属酸化物が、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｇａ、Ａｓの酸化物、およびこれらの混合物から選択される、請求項１に記載のガラスファイバ。
【請求項３】
前記コアが少なくともＢｉ２Ｏ３および／またはＴｅＯ２および／またはＳｂ２Ｏ３を含有する、請求項１または２に記載のガラスファイバ。
【請求項４】
前記コアが、少なくとも１種の希土類化合物を含有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項５】
前記第１クラッドが、少なくとも１種の希土類化合物を含有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項６】
前記希土類化合物が、Ｃｅ、Ｌａ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、および／またはＬｕの化合物、ならびにこれらの混合物から選択される、請求項４または５に記載のガラスファイバ。
【請求項７】
第２クラッドの屈折率ｎｍ２が、前記第１クラッドの屈折率ｎｍ１よりも高い、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項８】
第２クラッドの屈折率ｎｍ２が、前記第１クラッドの屈折率ｎｍ１よりも低い、請求項１〜６のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項９】
前記コアが、２層または３層のガラスクラッドに囲まれている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項１０】
前記コアの直径が、１〜１５μｍである、請求項１〜９のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項１１】
前記第１クラッドの厚さｄｍ１が、５〜１００μｍの範囲内にある、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項１２】
前記第２および／またはさらなるクラッドの厚さｄｍ２が、１０〜３００μｍの範囲内にある、請求項７〜９のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項１３】
前記ファイバの全体の太さが、１２５μｍである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項１４】
最外クラッドのガラスが、少なくとも１種の吸収性成分を含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガラスファイバ。
【請求項１５】
前記吸収性成分が、遷移金属および／もしくは希土類酸化物化合物ならびに／またはこれらの混合物からなる群から選択される、請求項１４に記載のガラスファイバ。
【請求項１６】
コアガラスの周囲に少なくとも２層のクラッドガラスが形成される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のガラスファイバを製造するための方法。
【請求項１７】
最初に、二重坩堝から延伸を行うことによってコアおよびクラッドガラスを備えるプリフォームが製造され、そしてコアおよび第１クラッドを備える前記プリフォームの周囲にロッドインチューブ法を用いることによって少なくとも１層のさらなるクラッドが形成される、請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１８】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載のガラスファイバの、光通信技術分野においての、またはレーザ構成要素としての使用。
【請求項１９】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の少なくとも１種のガラスファイバを備える光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マトリックスガラスが少なくとも１種の重金属酸化物および少なくとも１種の希土類化合物を含有し、少なくとも２層のガラスクラッドに囲まれたコアを備えるガラスファイバに関する。さらに本発明は、本発明によるガラスファイバを製造するための方法と、本発明による少なくとも１種のガラスファイバを備える光増幅器と、本発明によるガラスファイバの使用とに関する。
【背景技術】
【０００２】
光増幅器は光通信技術の要となる最も重要な構成要素の一つである。ガラスファイバ内に光通信信号のみを伝送させる場合、固有の信号減衰の発生は避けられない。この減衰を補償するためには、光信号を電気信号に変換してこれをさらに光信号に戻す必要なしに信号を増幅することのできる効率の高い光増幅器を用いなくてはならない。光増幅器によって増幅度(speed of amplification)を高めることも可能となり、しかも電気信号に変換したものをさらに変換し戻すことがないため信号／雑音比の劣化が大幅に低減される。
【０００３】
このような状況下で光増幅器に課せられる技術的要件は増加する一方である。これは特に、帯域幅を今まで以上に拡大することへの要求が高まり続けているためである。現在ではＷＤＭ（ＷＤＭ「波長分割多重方式」）技術を用いた広帯域データ通信が実現されている。従来技術による増幅器のほとんどはＣバンド（約１５２８ｎｍ〜１５６０ｎｍ）で動作するものであり、また、従来のこの種の光増幅器はＥｒ３＋が添加されたＳｉＯ２ガラスをベースとしていたことから、その広帯域性能は非常に限られている。そのため、帯域幅を拡大する必要性から多成分ガラス、例えば重金属酸化物ガラス（ＨＭＯガラス）の開発が求められてきた。重金属酸化物ガラスはその固有の屈折率が非常に高い（１.３μｍにおいてｎ＞約１.８５）ことからわかるように内部の電場が非常に強く、それによってシュタルク分裂がより大きくなることから希土類イオンが広帯域にわたって発光する。しかしＨＭＯガラスの高い屈折率は克服すべき新たな問題も生じさせる。
【０００４】
光増幅用ファイバ内における様々な機構によって散乱光が生じる可能性がある。これは信号／雑音比を低下させる要因となり得るため、これを可能な限り完全に取り除くかまたは回避することが必要である。
【０００５】
ＳｉＯ２ベースの増幅用ファイバの場合は、ガラスファイバに施されたポリマー被覆が散乱光を取り除く。吸収性ポリマー被覆としては屈折率ｎが１.４以上のものが使用可能であることから、反射した信号および／またはファイバ外からの散乱光に由来する雑音をＳｉＯ２ガラスファイバ上のこの種のポリマー被覆に容易に吸収させることができる。
【０００６】
ファイバ型増幅器として使用するのに好適な重金属酸化物ガラスの屈折率ｎは通常約１.９である。これまで使用できたポリマー被覆は重金属酸化物ガラスよりも屈折率の低いものばかりであった。したがって、散乱光を吸収させる目的でこの種のポリマーを被覆すると、ポリマークラッドは屈折率のより低いものとなる以外にないことから問題が発生する。クラッドを有する被覆をさらに屈折率の低い材料から製造すると、この材料とコア領域との間または内側のクラッドとの間の界面に望ましくない強い反射が生じる。
【０００７】
また、従来のＳｉＯ２増幅用ファイバであれば、標準的な通信用ファイバと光増幅器のガラスファイバとが接する部位においても実質的に屈折率が変化しないため、ＳｉＯ２ガラスファイバ増幅器から標準的な通信用ガラスファイバに移行する際に起こる反射はごくわずかである。
【０００８】
一方、ＨＭＯファイバの屈折率が高いということは、これが標準的なＳｉＯ２通信用ガラスファイバと接する部位では必ず、ＳｉＯ２標準ファイバと光増幅器の重金属酸化物ガラスファイバとの間の界面で強い反射が起こることを意味している。光増幅器は、その両方の出射端がＳｉＯ２通信用ガラスファイバまたは開口数の高いＳｉＯ２ベースの変換用ファイバ(transition fiber)に接続されるため、光増幅器中で光定在波が生じるというレーザ共振器的な傾向がかなり強くなる。後者の現象を防ぐためには、この接する部位におけるガラスファイバに対する角度を定めるかまたは制限するような設計を行うことが推奨される。ところがこのようにすると今度はファイバのクラッド内に散乱する反射が相当、即ち深刻なものになる。このため、ファイバのクラッド内に移行した散乱光が反射して往復し、散乱光が中心のコア領域に到達したり後者に進入するのを阻止できなくなる。この散乱光は、希土類イオンの反転分布状態に影響を及ぼし、これが雑音を増幅して、増幅器の信号出力の低下を引き起こすと考えられる。
【０００９】
様々なガラス系用の吸収性外側クラッドが従来技術により知られている（例えばケー・イトー（Ｋ.Ｉｔｏｈ）ら、「Ｊ.Ｎｏｎ−Ｃｒｙｓｔ.Ｓｏｌ」，１９９９年，第１巻，ｐ.２５６−２５７）。
【００１０】
ＥＰ  １  １２７  ８５８には、Ｂｉ２Ｏ３を２０〜８０モル％、ＣｅＯ２を０.０１〜１０モル％、およびＢ２Ｏ３またはＳｉＯ２の少なくとも１種を含有することを必須とするマトリックスガラスにＥｒが０.０１〜１０モル％添加された光増幅用ガラスが記載されている。しかし、この文献に記載されているガラスファイバには標準的なポリマー被覆が施されているだけである。国際公開第９９／５１５３７号パンフレットに記載されている酸化アンチモン含有量の高いガラスについても同様のことが言える。
【００１１】
特開平１１−２７４６１３号には、２層のガラスクラッドを有する高屈折率のガラスを備えたガラスファイバが記載されている。この文献によれば、１００００ｐｐｍの吸収性物質が必要である。しかし吸収性物質をこのように高濃度にするとガラスの特性に影響がでることから不利益が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、上記した従来技術の問題が回避できる、少なくとも１種の重金属酸化物を含むマトリックスガラスを含有する光増幅器用のガラスファイバを提供することにあった。特にこのガラスファイバは、散乱光によって生じる雑音を最小限にし、それによって増幅器の信号出力を増大させることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は、特許請求の範囲に記載する本発明の実施態様によって達成される。
【００１４】
特に本発明は、 マトリックスガラスが少なくとも１種の重金属酸化物および少なくとも１種の希土類化合物を含み、少なくとも２層のガラスクラッドに囲まれたコアを備えるガラスファイバであって、コアから第１クラッドへの屈折率変化Δｎが０.００１〜０.０８の範囲内にあり、かつ第１クラッドの屈折率がコアよりも低いガラスファイバに関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
好ましくは、本発明によるガラスファイバのコアは、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｅ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｇａ、Ａｓの酸化物、および／もしくは混合酸化物、ならびに／またはこれらの混合物から選択される少なくとも１種の重金属酸化物を含有する。コアのマトリックスガラスは、特に好ましくは、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｂの酸化物、および／またはこれらの混合物から選択される重金属酸化物を含有する。
【００１６】
このコアのマトリックスガラスはさらに、光によって励起を生じさせることのできる少なくとも１種のドーパントを含有する。本発明によれば、このコアのマトリックスガラスはドーパントとして希土類イオンを含有する。この場合におけるドーパントとは、ガラスに少量添加されるだけであり、したがってガラスの物理的特性（Ｔｇ、屈折率、軟化点等）の大部分に対してはほとんど影響を及ぼさない成分を意味するものと理解されたい。しかしこの種のドーパントは、特定の特性、特に光学特性（例えば光の刺激に対する増幅能力(capacity for optical stimulation)等）に著しく影響する場合もある。
【００１７】
好ましくは、このコアのマトリックスガラスは、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、および／またはＬｕの化合物から選択される少なくとも１種の希土類化合物を含有する。Ｅｒ、Ｐｒ、Ｔｍ、Ｎｄ、および／またはＤｙの元素の酸化物が特に好ましく、Ｅｒの酸化物が最も好ましい。
【００１８】
１種またはそれ以上の希土類化合物に加えて、適切であれば本発明によるガラス中にＳｃおよび／またはＹ化合物を存在させることも可能である。
【００１９】
ドーパントとして使用する希土類化合物は、好ましくは、「光学活性な化合物」として知られるものであり、この「光学活性な化合物」という用語は、ガラスを好適な励起源によって励起させると誘導放出が可能となる本発明のガラスを生じさせる化合物を特に意味するものと理解されたい。
【００２０】
少なくとも２種の希土類化合物を、総量を０.０１〜１５モル％として使用することも可能である。例えば発光寿命を延ばすことを目的として、光学活性な希土類イオンを含有するガラスに光学不活性な希土類元素を共添加してもよい。例えば、ＥｒとＬａおよび／またはＹとを共添加してもよい。増幅器の励起効率を高めることを目的として、例えばＥｒとさらなる光学活性な希土類化合物（例えばＹｂ等）とを共添加することも可能である。結晶化に対する安定性を得ることを目的としてＧｄも共添加してもよい。
【００２１】
他の希土類イオン、例えばＴｍ等を添加することによって、他の波長域（例えばＴｍの場合はＳバンドとして知られる１４２０〜１５２０ｎｍの間）に適応させることが可能である。
【００２２】
さらに、励起光をより有効に用いるために、Ｙｂ、Ｈｏ、Ｎｄ等の増感剤を適量、例えば０.００５〜８モル％添加することができる。
【００２３】
個々の希土類化合物の量はそれぞれ、酸化物基準で例えば０.００５〜８モル％、好ましくは０.０５〜５モル％である。
【００２４】
一実施態様によれば、マトリックスガラスはＣｅおよびＥｒの両方を含有する。
【００２５】
さらなる実施態様によれば、マトリックスガラスはセリウムを含有しない。
【００２６】
本発明の好ましい実施態様によれば、本発明によるガラスファイバは、コア中および／または１もしくはそれ以上のクラッド中に少なくとも１種のＢｉ２Ｏ３ガラスを含有する。以下の組成が特に好ましい。
【００２７】
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【００２８】
上の表中、 ＭＩは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、およびＣｓの少なくとも１種であり、ＭＩＩは、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａおよび／またはＺｎの少なくとも１種である。ＭＩとしてＬｉおよび／またはＮａを使用することが特に好ましい。
【００２９】
図８ａおよび８ｂは、ドーパントを添加した本発明によるＨＭＯ二重クラッドファイバについて利得および雑音を波長およびチャンネル数の関数として表したものを、ＳｉＯ２増幅用ファイバと比較したものである。これらのグラフを作成するためには、従来技術により知られる方法を用いて増幅用ファイバのいわゆるジャイルズ(Giles)パラメータを求め、次いでこのジャイルズパラメータから、特定の波長における特定のチャンネル数に対する最大利得および雑音を求める。図８ａからまずわかることは、チャンネル数を１２０（ｃｈ）に設定すると、本発明による増幅用ファイバによって達成される最大利得が約２５ｄＢとなる一方で、チャンネル数を同じにしたケイ酸塩ベースの増幅用ファイバの場合は、２０ｄＤを少し下回る最大利得しか達成されないことである。ケイ酸塩ベースの増幅用ファイバで同程度の利得、即ち２５ｄＤを達成するためには、チャンネル数を１２０から８０チャンネルに減らさなければならない。一方、本発明によるガラスファイバの雑音は、チャンネル数を同じくした場合のケイ酸塩ベースファイバの雑音に比べて著しく小さい。たとえチャンネルをさらに１８０に増加しても、現れる構図は同じである（図８ｂ）。本発明のファイバは、最大利得がより高く、かつ雑音がより低い。この図８ａおよび８ｂから、本発明によるＨＭＯガラスファイバを用いることにより、低雑音でより広帯域な伝送が可能となることがわかる。
【００３０】
本発明によるガラスファイバは、コアに加えて、このコアを取り囲む少なくとも２層のガラスクラッドをさらに備える。
【００３１】
クラッドガラスには特定の制限は課せられない。これらは、好ましくは、コアのマトリックスガラスおよび／または他のクラッドのガラスと同程度の物理的特性、特に同程度の屈折率、同程度のＴｇ、および同程度の軟化点を有する。好ましくは、クラッドの組成は、コアから第１クラッドへ（さらに適切であれば１つのクラッドからさらなるクラッドへ）の屈折率変化が要求されたものになるように組成が一部変えられていることを除いては、コアの組成と実質的に同一である。さらに、コアおよびクラッドガラスの光学特性は好ましくは異なっている。異なるクラッドガラスに異なる光学特性を持たせることも好ましい。
【００３２】
本発明による「第１クラッド」という用語は、コアを取り囲むクラッドを意味するものと理解されたい。クラッドには、第１クラッドから外側に向けて昇順に番号を付ける。
【００３３】
本発明によれば、記載した屈折率はいずれも近赤外領域、特に約１３００ｎｍの電磁波照射に対するガラスの屈折率である。コアから第１クラッドへの屈折率変化Δｎは０.００１〜０.０８、特に好ましくは０.００３〜０.０４、よりさらに好ましくは０.００５〜０.０５であり、第１クラッドの方がコアよりも屈折率が低い。異なるクラッドの相互間の屈折率比は従来技術により知られる方法を用いて要求に応じて調節することができる。対照とするガラスよりも屈折率をわずかに高く調節するためには、例えば、少なくとも１種のより低屈折率の成分の比率を少なくとも１種のより屈折率の高い成分と交換する。
【００３４】
第１の実施態様によれば、第２クラッドの屈折率ｎｍ２は第１クラッドの屈折率ｎｍ１と実質的に等しいか好ましくはそれよりも高い。一方、他の実施態様によれば、第２クラッドの屈折率を第１クラッドのそれよりも低くして、第２クラッドよりも屈折率の高い第３クラッドを追加することも可能である。特に好ましい実施態様について以下により詳細に取り上げることとする。
【００３５】
第１の実施態様によれば、クラッドのガラスにはいかなる希土類添加も、特にいかなる光学活性な希土類化合物の添加も含めない。この実施態様によれば、増幅および光モード導波は好ましくはコア内で起こる。
【００３６】
一方、別の実施態様によれば、第１クラッドのガラスは、コア中の添加に用いた希土類化合物を少量含有する。好ましくは、第１クラッドには、コアに用いた量の半分まで、特に好ましくは１／３の量までを添加する。驚くべきことに、この方策によって増幅用ファイバの信号／雑音比を向上させることが可能となり、しかもこのようにすることで増幅用ファイバのＳｉＯ２ファイバに対する結合も改善できることがわかった。コア径が大きくなることによってクラッド中の希土類イオンによる信号モードと励起モードとの重ね合わせがより有効に達成されると推測される。
【００３７】
本発明の好ましい実施態様によれば、少なくとも１つのクラッド、特に最外クラッドのガラスは、少なくとも１種の吸収性成分または吸収性物質を含有している。使用可能なこの種の吸収性成分として、遷移金属化合物（例えば、鉄（特にＦｅ２＋およびＦｅ３＋）、ニッケル（特にＮｉ２＋）、コバルト（特にＣｏ２＋）、マンガン（特にＭｎ２＋）、銅（特にＣｕ＋およびＣｕ２＋）、バナジウム（特にＶ３＋およびＶ４＋）、チタン（特にＴｉ３＋）、および／またはクロム（特にＣｒ３＋）の化合物）、および／または希土類化合物が挙げられる。一例を挙げると、Ｆｅ２＋の添加総量を数百ｐｐｍ（重量比基準）としてもよい。第２クラッドのそれ以外の組成はコアガラスのものと同一にしてもよい。
【００３８】
吸収性物質の添加量は吸収性物質の吸収性によって変わる。例えばＣｏ２＋の場合は、その量がたとえ５ｐｐｍ、好ましくは１０ｐｐｍであっても十分な場合もある。添加量は好ましくは多くとも５０００ｐｐｍ、より好ましくは多くとも２０００ｐｐｍ、最も好ましくは多くとも１０００ｐｐｍである。これを超える量の吸収性物質をガラス組成物に添加すると、結晶性等のガラスの特性に悪影響を及ぼす可能性がある。したがって、このようにすることは好ましくない。
【００３９】
酸化鉄は、特定のガラス組成物に対する吸収性物質としては適切でないことが確認された。特に酸化ビスマスが溶融状態にある場合は、これを還元して元素ビスマスを生じさせる可能性があり、その結果黒色の金属Ｂｉが析出し、それによってガラスの光学特性が低下することがわかった。したがって、多価の重金属酸化物（酸化ビスマス等）を含有するガラスは強力な酸化条件下で溶融させることが好ましい。本発明によるガラスをＣバンドとして知られる１.５μｍ帯用の光増幅器に用いる場合は、Ｆｅ２＋イオンがその近赤外領域の吸収帯によって好適な吸収体となる可能性がある。ところが、添加されたＦｅ２＋イオンの９９％は酸化性の溶融条件下よって酸化されてＦｅ３＋イオンを形成することが実験によって明らかになった。Ｆｅ３＋の吸収帯は必要とされる範囲にないため、このようにして製造されたガラス中では酸化鉄を吸収性物質として作用させることができない。
【００４０】
Ｃｏ２＋イオンも同様に近赤外領域に好適な吸収を示すが、驚くべきことに、これはたとえ比較的強力な酸化条件下にあっても溶融物中でより高い酸化状態に変化することがなく、したがってこの種のガラスの吸収性物質として使用するのに特に好適であることが判明した。したがって、好ましくは、最外クラッドに吸収性物質として少なくとも１種の好ましくは酸化物である２価のコバルト化合物を含有させる。
【００４１】
図６は、酸化鉄を含有する酸化ビスマスガラスの透過スペクトルをＣｏ２＋含有ガラスと比較したものである。開始バッチに鉄を２価の鉄の形態で添加（添加量は１０００ｐｐｍ）したが、１５００ｎｍの領域のガラスの透過率が驚くほど悪影響を受けている。つまり吸収作用が低い。それに比べて酸化物形態のＣｏ２＋をわずか２５０ｐｐｍ含有するガラスの透過率は、特に１５００ｎｍの領域で５０％未満に低下している。つまりこのようなガラス中における酸化コバルトの吸収剤としての作用は酸化鉄よりも優れている。
【００４２】
図９ａおよび９ｂはいずれも本発明による２種類のガラスファイバのコア４０ならびにクラッド４２および４４中を伝搬したエネルギーを示すものである。図９ａは、外側クラッド４４に酸化性物質として鉄を添加した本発明によるファイバ中を伝搬したエネルギーを示すものである。異なる曲線３０〜３６はそれぞれ異なるファイバ長に対応する。図９ａから、ファイバ長が長くなるほど、第２クラッド４４中を伝搬するエネルギーが、コア４０および第１クラッド４２中を伝搬するエネルギーに対し低下することがわかる。図９ｂは、外側クラッド４４にコバルトを添加したガラスファイバを伝搬したエネルギーを半径の関数として表したものである。この場合の第２クラッドの吸収作用の有効性は非常に低い。エネルギーは外側クラッド中をほとんど伝搬しない。この場合の吸収作用はファイバ長に無関係である。
【００４３】
図３および４は、本発明によるガラスファイバの特に好ましい２種類の設計を概略形態で表したものである。これらの図においては、屈折率をガラスファイバの半径の関数として概略的に示している。
【００４４】
本発明の好ましい実施態様によれば、本発明によるガラスファイバのコアは厳密に２層のガラスクラッドに囲まれている。
【００４５】
図１に、本発明によるガラスファイバ１の好ましい実施態様の断面図を示す。コア２は内側クラッド３に囲まれており、今度はこれが外側クラッド４に囲まれている。本実施態様によれば、この外側クラッドも上述の吸収性物質を含有している。
【００４６】
図３に、二重クラッドファイバの特に好ましい屈折率設計を示す。領域１１はファイバのコアであり、これは通常ファイバのほぼ中心に位置しており、少なくとも１種の希土類化合物が添加されている。領域１２は内側クラッドであり、コア領域１１よりも屈折率が低いため、コア領域を伝搬する光が確実に導波される。領域１３は第２の（この場合は外側の）クラッドを表し、これは主に散乱光を吸収させることを目的としている。ここに示すように第２クラッドの屈折率をコアの屈折率よりも高くしてもよいが、第２クラッドの屈折率をコアと同じにするかまたはコアよりも低屈折率とすることも可能である。通常は、この種の最外クラッドの屈折率は、その内側に隣接するクラッドよりも高くする。
【００４７】
本発明のさらなる実施態様によれば、本発明によるガラスファイバのコアは、厳密に３層のガラスクラッドに囲まれている。
【００４８】
図４に、３層のガラスクラッドを有する本発明によるガラスファイバの特に好ましい設計を示す。領域２１はファイバのコアを表す。通常これはガラスファイバの中心に位置し、例えばＥｒ３＋が添加されており、信号モードを導波する。内側クラッド２２にはＹｂ３＋が添加されていてもよい。第１クラッドに例えばこのようにＹｂ３＋を添加すると、マルチモード励起として知られるものにファイバを使用することができる。シングルモード励起の場合は増幅用ファイバのコア領域中にのみ光を照射するため、この目的には非常に小型の、つまり非常に高価なレーザしか使用することができないが、その一方で、マルチモード励起の場合は、コアに第１クラッドを加えたより広い断面領域中に光が照射される。この光の照射によって、Ｙｂ３＋が約９７５ｎｍで励起（２Ｆ７／２→２Ｆ５／２）される。Ｙｂ３＋は同程度の波長の蛍光を発するため、この蛍光がＥｒ３＋イオンを約９８０ｎｍで４Ｉ１１／２準位に励起させる。マルチモード励起に使用できる光源は格段に安価である。第１クラッド２２に隣接する第２クラッド２３の領域は第１クラッドよりも屈折率が低く、第１クラッド２２の領域中を伝搬する光の導波を担っている。これに替わって第３クラッド２４の領域が吸収性外側クラッドの役割を果たす。
【００４９】
本発明によるガラスファイバの断面は好ましくは実質的に円形である。しかし本発明は、円形断面とは異なる断面を有するガラスファイバも包含する。
【００５０】
通常、本発明によるガラスファイバのコアは、本発明によるガラスファイバの中心に位置し、クラッドは好ましくはコアの周囲に同軸上に配されている。しかし本発明は、コアがガラスファイバの中心に位置しない実施態様も包含する。
【００５１】
さらに、本発明によるガラスファイバは、好ましくは厳密に１つのコアを備える。一方、他の実施態様によれば、本発明によるガラスファイバに複数のコアファイバを含めることも可能である。
【００５２】
本発明によるガラスファイバ全体の太さは好ましくは１００〜４００μｍ、より好ましくは１００〜２００μｍである。特に好ましくは、全体の太さは約１２５μｍである。
【００５３】
本発明によるガラスファイバを光増幅用ファイバに使用する場合は、そのコアの直径は好ましくは１〜１５μｍである。第１クラッドの厚さｄｍ１は好ましくは５〜１００μｍの範囲内にある。第２およびさらなるクラッドの厚さｄｍ２は好ましくは１０〜１５０μｍの範囲内にある。一方、これ以外の用途の場合は、コアおよび／またはクラッドを他の任意の所望の厚さにすることも可能である。
【００５４】
本発明によれば、「ガラスファイバのコア」という用語は、ガラス技術を用いた加工によって生じた領域であり、したがって、クラッドとは異なる領域を意味するものと理解されたい。一方、「コア領域」は、光信号の強度が入射強度のｅ分の１に低下する領域を包含する。
【００５５】
本発明のさらなる実施態様によれば、本発明によるガラスファイバは最外ガラスクラッド上に少なくとも１種のプラスチックまたはポリマーを含む少なくとも１層の被覆を備える。この外側のプラスチック被覆は特にガラスファイバを機械的に保護する目的で使用される。このプラスチック被覆の厚さは、好ましくは２〜４００μｍである。被覆の厚さが２μｍ未満の場合は通常はガラスファイバを十分に保護することができない。この厚さは、特に好ましくは少なくとも３μｍ、より好ましくは少なくとも８μｍである。厚さが４００μｍを超えると均一な被覆を設けることが難しくなる。厚さは特に好ましくは最大で７０μｍである。
【００５６】
この種のプラスチック被覆としては、クラッドガラスに確実に結合するものであれば任意の種類のポリマーを使用することができる。例えばこの種のプラスチックとして、熱硬化性シリコーン樹脂、ＵＶ硬化性シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、およびポリイミド樹脂、ならびにこれらの混合物および／またはブレンド物が挙げられる。
【００５７】
さらに本発明は、本発明によるガラスファイバを製造するための方法であって、少なくとも２層のクラッドガラスをコアガラスの周囲に形成する方法に関する。これは例えば「ロッドインチューブ」法、多重坩堝法(multiple crucible process)、および押出し法に加えて、これらの方法の組み合わせといった製造方法によって製造することができる。
【００５８】
一実施態様によれば、最初にコアおよび１またはそれ以上のクラッドを備える「プリフォーム」を製造する。このプリフォームはその後のガラスファイバの層構造を既に備えており、これを線引きすることによってガラスファイバを形成することができる。この種のプリフォームの太さは例えば４〜３０ｍｍであり、長さは５〜４０ｃｍである。このプリフォームを好適な温度で線引きすることによってファイバが形成される。
【００５９】
「ロッドインチューブ」法の場合は、素線またはロッドの形態にあるクラッドガラスに穴を空け、それによって管状のクラッドガラスを得る。これに適合するコアガラスのロッドをこのクラッドガラス管内に導入する。また、このクラッドガラスを好適な成形方法を用いることによって管として延伸することもできる。一例を挙げると、直径が１.０〜１.４ｍｍのコアガラスのロッドを、内部の穴の直径が１.５ｍｍ、外径が７ｍｍの第１クラッド管内に導入する。コアが１層を超えるクラッドに囲まれたものを得るためにこの方法を複数回繰り返すことも可能である。つまり第２クラッドの場合は、ロッド形態の第２クラッドガラスに穴を空けて、コアおよび第１クラッドを備えるプリフォームを第２クラッド管内に導入する。「プリフォーム」を得るべくこの界面を接合させるためには、このように配されたコアとクラッドを好ましくは転移温度を超えて加熱する。適切であれば、このように加熱された後のコアおよび少なくとも第１クラッドを備えるプリフォームを所定の程度まで延伸し、これを延伸された形態でロッドとして第２またはさらなるクラッド中に導入することができる。ロッドインチューブ法においては、熱間成形により延伸したロッドを、熱間成形により延伸した管内にはめ込むことも可能である。
【００６０】
さらに、この種のプリフォームは、押出し法として知られるものによって製造することもできる。この場合は、コアガラス塊をクラッドガラス塊の上に載置し、次いでこれを下方から線状に加熱する。加熱した線に沿ってコアガラスが除々にクラッドガラス内に落ち込み、遂には後者によって完全に囲まれる。
【００６１】
二重、三重坩堝法等の多重坩堝法の場合は、入れ子状の坩堝を用いることによりコアまたは１もしくはそれ以上のクラッドを備える「プリフォーム」を溶融物から直接製造する。
【００６２】
本発明のさらなる実施態様によれば、直径が例えば１２５μｍのガラスファイバを直接（即ち予めプリフォームを製造することなく）製造することも可能である。三重の多重坩堝法は特にファイバを直接製造する場合に用いる。
【００６３】
少なくとも２層のクラッドを備える本発明によるガラスファイバを得るために、これらのプリフォームを製造するための方法を互いに組み合わせることもできる。
【００６４】
本発明によれば、特に好ましくは、二重坩堝法を用いてコアおよび第１クラッドを備える「プリフォーム」を製造し、次いでこのようにして得られたコアおよび１層のクラッドを備えるプリフォームをロッドとして「ロッドインチューブ」法を用いて第２クラッドの管内に導入する。この組み合わせによって、一方においては特に良好なコア−第１クラッド界面を得ることが可能となり、他方では第２および／またはさらなるクラッドを経済的な方法で追加できることが明らかになった。
【００６５】
さらに本発明は、本発明による少なくとも１つのガラスファイバを備える光増幅器に関する。一例を挙げると、光増幅器は以下の構成を有する。入射した光信号は光の反射を抑制するための光インシュレータ(optical insulator)を介してカプラに結合される。信号および励起光は結合器内で結合されて光学活性なファイバ中に共に導入される。増幅用ファイバの他端は出射用ファイバに接続されている。ここにフィルタ（適切な場合はさらなる光インシュレータと一緒に）を配することも可能である。また、増幅用ファイバを双方向に励起させることが可能であり、その場合は第２結合器が必要となる。
【００６６】
信号光源は光インシュレータを介して合波用光カプラに接続されている。また、この光カプラは励起光源にも接続されている。そして光カプラがガラスファイバの末端に接続されている。このガラス光ファイバの他端は分波用光カプラを介して光インシュレータに接続されている。それぞれの部品が光ファイバに接続されている。
【００６７】
さらに本発明は、本発明によるガラスファイバをレーザ配置における光学活性なガラスとして使用することを包含する。
【００６８】
以下に実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、これらの実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【００６９】
実施例１
コア、第１クラッド、および第２クラッド用のガラス組成物を製造した。そのガラスの組成（モル％）を表１に示す。
【００７０】
素線（長さ１０ｃｍ、直径１ｍｍ）に延伸したコアガラスに、ロッドインチューブ法を用いて第１クラッド（外径７ｍｍ、内部の穴の直径１.５ｍｍ）を被せた。次いでこのコアおよび第１クラッドを備えたプリフォームを直径１ｍｍに延伸した後、さらなるロッドインチューブ工程によって外側クラッド（外径７ｍｍ、内部の穴の直径１.５ｍｍ）を被せた。
【００７１】
【表１】
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【００７２】
得られたプリフォームを線引きすることによって太さが１２５μｍのガラスファイバを形成した。
【００７３】
図２は、本発明によるガラスファイバの横断面の写真画像を示すものである。コア２は第１クラッド３に囲まれており、これが今度は外側クラッド４に囲まれている。
【００７４】
実施例２
実施例１と同じ組成物を用いて二重クラッドファイバを製造した。この場合は二重坩堝法を用いてコアに第１クラッドを被せた。この場合のコア径および第１クラッドの寸法は実施例１のものに対応させた。次いでこの方法によって得られたコアおよび第１クラッドを備えたプリフォームを１.５ｍｍの太さに延伸した。次いでコアおよび第１クラッドを備えた延伸後のプリフォームの周囲にロッドインチューブ法を用いて第２クラッドを形成した。
【００７５】
得られたプリフォームを線引きすることによって太さが１２５μｍのガラスファイバを形成した。
【００７６】
光学的検査から、実施例２の方がコアと第１クラッドと間に良好な界面が得られたことがわかった。実施例２に従って得られたファイバの横断面の写真画像を図７に示す。
【００７７】
実施例３
実施例１に説明した方法を用いて、酸化テルルをベースとするコアおよびクラッドガラスを備えた二重クラッドファイバを製造した。
【００７８】
得られたプリフォームを線引きすることによって、太さが３２５μｍ、コア径が４.５μｍのガラスファイバを形成した。
【００７９】
生成したＴｅ二重クラッドファイバの横断面を図５に示す。この場合は、コアから第１クラッドまたは第２クラッドへの移り目がよりはっきりとわかりるように断面にエッチングを施した。
【００８０】
実施例４
表２に示すガラス組成物を用いて二重クラッドファイバを製造した。この場合は、最初に、二重坩堝を用いてコアおよび第１クラッドを備えたプリフォームを製造した。次いで、ロッドインチューブ法を用いてこのプリフォームに第２クラッドを設けた。次いで、得られたプリフォームを線引きして直径１２５μｍのガラスファイバを形成した。
【００８１】
【表２】
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【００８２】
実施例５
表３に示すガラス組成物を用いて二重クラッドファイバを製造した。この場合は、最初に、二重坩堝を用いてコアおよび第１クラッドを備えたプリフォームを製造した。次いで、ロッドインチューブ法を用いてこのプリフォームに第２クラッドを設けた。次いで、得られたプリフォームを延伸して直径１２５μｍのガラスファイバを形成した。
【００８３】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明によるガラスファイバの特に好ましい実施態様の概略横断面図を示すものである。
【図２】２層のガラスクラッドを有する本発明によるガラスファイバの横断面の写真画像を示すものである。
【図３】２層または３層のクラッドを有する本発明による二重クラッドファイバの好ましい設計を模式図で示したものである。
【図４】２層または３層のクラッドを有する本発明による二重クラッドファイバの好ましい設計を模式図で示したものである。
【図５】２層のガラスクラッドを有する本発明によるガラスファイバの横断面の写真画像を示すものである。
【図６】強力な酸化条件下で溶融された酸化ビスマス含有ガラス中における吸収性物質（酸化鉄および酸化コバルト）の吸収作用を比較して示したものである。
【図７】２層のガラスクラッドを有する本発明によるガラスファイバの横断面の写真画像を示すものである。
【図８ａ】ジャイルズパラメータから求めた最大利得を、定められたチャンネル数に対して波長の関数として表したものと、雑音の変化を波長の関数として表したものである。
【図８ｂ】ジャイルズパラメータから求めた最大利得を、定められたチャンネル数に対して波長の関数として表したものと、雑音の変化を波長の関数として表したものである。
【図９ａ】コア領域、第１クラッド領域、および第２クラッド領域のそれぞれに伝送されたエネルギーを、様々なファイバ長について、外側クラッドの添加に応じて示したものである。
【図９ｂ】コア領域、第１クラッド領域、および第２クラッド領域のそれぞれに伝送されたエネルギーを、様々なファイバ長について、外側クラッドの添加に応じて示したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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