(57)【要約】【課題】１．５０〜１．６５の波長域で広帯域に増幅可能な光増幅ガラスおよび光導波路の提供する。【解決手段】質量百分率表示でマトリクスガラスに０．０１〜１０％のＥｒが添加されている光増幅ガラスであって、該マトリクスガラスがモル％表示でＳｉＯ２を２０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を２〜５０％、Ｌａ２Ｏ３を１〜４０％、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３からなる群の１種類以上を含有し、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の含有量の合計が３〜４０％である光増幅ガラス。また、前記光増幅ガラスをコアとする光導波路。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量百分率表示でマトリクスガラスに、０．０１〜１０％のＥｒが添加されなる光増幅ガラスであって、該マトリクスガラスがモル％表示でＳｉＯ２を２０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を２〜５０％、Ｌａ２Ｏ３を１〜４０％、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３からなる群から選ばれる少なくとも１種類以上を含有し、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の含有量の合計が３〜４０％である光増幅ガラス。
【請求項２】
マトリクスガラスが下記酸化物基準のモル％表示で、
ＳｉＯ２          ３０〜７０％、
Ａｌ２Ｏ３        ５〜３５％、
Ｙ２Ｏ３        ０〜３０％、
Ｌｉ２Ｏ        ０〜３０％
Ｎａ２Ｏ        ０〜３０％、
Ｋ２Ｏ        ０〜３０％、
Ｇａ２Ｏ３    ０〜１５％、
Ｌａ２Ｏ３        ３〜３０％、
から本質的になる請求項１に記載の光増幅ガラス。
【請求項３】
転移点が６００℃以上、屈折率が１．８０未満の請求項１または２に記載の光増幅ガラス。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の光増幅ガラスをコアとする光導波路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に１．５０〜１．６５μｍの波長域で広帯域に増幅可能な光増幅ガラスおよびこの光増幅ガラスを用いた光導波路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信サービスの多様化に対応できる光通信方式として、波長多重のチャンネル数を増加させて伝送容量の増大を図る波長多重光通信方式（ＷＤＭ）等が提案されている。
【０００３】
ところで、Ｃバンド（波長：１５３０〜１５６０ｎｍ）またはＬバンド（波長：１５７０〜１６２０ｎｍ）の光を信号光とするＷＤＭ等においてはこれら信号光を増幅する光ファイバ増幅器が必須であり、このような増幅器としてＥＤＦＡの開発が行われている。
【０００４】
ＥＤＦＡ（Ｅｒｕｂｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  ｆｉｂｅｒ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）とは、その光ファイバのコアがＥｒ添加ガラスからなる光ファイバ増幅器である。このような光ファイバとして、Ｅｒ添加石英系ファイバ、および、Ｅｒ添加フッ化物ガラスファイバが例示される。
【０００５】
従来知られているＥｒ添加石英系ファイバの場合、利得の波長依存性が急峻であり、十分な利得が得られる波長幅は１０〜３０ｎｍ程度と狭い。その結果、従来のＥＤＦＡを使用する限り、波長多重チャンネル数は、３０〜４０チャンネル程度に限られる。
【０００６】
さらにＥｒ添加石英系ファイバにおいては、濃度消光のため、Ｅｒ添加量増加によってファイバ単位長さあたりの光増幅率を増大させることが困難であり、使用長は１０〜３０ｍまたはそれ以上であった。
【０００７】
この問題を解決するために、ＥｒとともにＹｂやＬａなどの希土類イオンを共添加することで、Ｅｒイオンの周りにこれらの希土類イオンが複数個配位し、クラスターを形成することでＥｒイオン同士のイオン間距離が広がり、従来のＥＤＦＡの場合に比べて濃度消光が抑制されることが知られているが、石英系ファイバにおいては増幅波長の十分な広帯域化は実現されていない。
【０００８】
また、Ｅｒ添加フッ化物ファイバには、光増幅のための励起光強度が大きくなると熱的に損傷する恐れがあった。これは、フッ化物ガラスのガラス転移点Ｔｇが低く、典型的には３２０℃以下であることによる。
【０００９】
近年ＷＤＭシステムの開発の進展に伴い、コンパクトな光増幅器が求められており、そのような光増幅器に用いられる光増幅媒体のコンパクト化が望まれている。光増幅媒体のコンパクト化、すなわち短い光増幅媒体によって所望の光増幅を得るためには、濃度消光による発光効率の低下が起こりにくいこと、及び励起光による熱的損傷の恐れが無いことが求められる。
【００１０】
このような問題を解決するために、波長に対する増幅利得特性が異なる増幅器を直列や並列に配置することによって、広い波長域で使用可能な光増幅器が提案されているが、構造が煩雑になったり、波長域の中心付近に増幅できない領域が存在する問題があった。そのため、広帯域の増幅可能なガラスが必要であり、このガラスとして、酸化テルライト系ガラスが（特許文献１参照）、また酸化ビスマス系ガラス（特許文献２参照）が提案されている。
【００１１】
一般に、マトリクスガラスにＥｒが添加されている光増幅ガラスにおいては、利得波長幅はマトリクスガラスの屈折率に依存し、該屈折率が高くなると利得波長幅は大きくなると考えられてきた。これは、Ｅｒがマトリクスガラス中で受ける電場が、屈折率が高くなることによって強くなり、その結果Ｅｒのエネルギー準位が広がって発光スペクトルがブロードになるためである、と解釈されている。
そのため、これらテルライト系ガラスおよび酸化ビスマス系ガラスは一般に１．９以上の高い屈折率を持ち、ブロードな発光スペクトルを示す。
【００１２】
一方で、高い屈折率を持つことは、石英ガラスの屈折率（約１．４９）との屈折率差が大きくなるために、石英系光ファイバーとテルライト系ガラスまたは酸化ビスマス系光増幅ガラスファイバーとの接続部分でのロスが非常に大きくなるという問題があり、また四光波混合等の非線形光学現象が起こりやすい特徴があった。
加えて、ガラス転移点が低いフッ化物ガラスやテルライト系ガラスは石英ガラスファイバとの融着ができないが、これは石英ガラスのガラス転移点（およそ１０１０℃）との温度差が大きいためである。また前述の酸化ビスマス系ガラスでは石英ガラスとの融着が可能であるが、融着強度を上げることや、融着プロセスを容易にするためにはさらに高いガラス転移点であることが好ましい。
更に、光増幅器の増幅利得を向上させるためには高強度の励起レーザー光をガラス中に入射する必要があるが、ガラス転移点が低いガラスでは強いレーザー光によって熱的に損傷を生じたり、屈折率の高いガラスでは非線形光学現象によるノイズが大きくなったりする可能性があった。
【００１３】
【特許文献１】
特開平８−１１０５３５号公報
【特許文献２】
特開２００１−２１３６３５号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、１．５０〜１．６５μｍの波長域で広帯域に利得が得られる光増幅ガラス、さらに転移点が６００℃以上で、屈折率が１．８０未満の、利得が得られる波長幅が大きな光増幅ガラス、およびこの光増幅ガラスを用いた光導波路を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、質量百分率表示（酸化物基準）でマトリクスガラスに０．０１〜１０％のＥｒが添加されている光増幅ガラスであって、該マトリクスガラスがモル％表示（酸化物基準）でＳｉＯ２を２０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３を２〜５０％、Ｌａ２Ｏ３を１〜４０％、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３からなる群から選ばれる少なくとも１種類以上を含有し、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の含有量の合計が３〜４０％である光増幅ガラスを提供する。
【００１６】
また、質量百分率表示（酸化物基準）でマトリクスガラスに０．０１〜１０％のＥｒが添加されている光増幅ガラスであって、該マトリクスガラスが下記酸化物基準のモル％表示で、
ＳｉＯ２          ３０〜７０％、
Ａｌ２Ｏ３        ５〜３５％、
Ｙ２Ｏ３        ０〜３０％、
Ｌｉ２Ｏ        ０〜３０％
Ｎａ２Ｏ        ０〜３０％、
Ｋ２Ｏ        ０〜３０％、
Ｇａ２Ｏ３    ０〜１５％、
Ｌａ２Ｏ３        ３〜３０％、
から本質的になり、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の含有量の合計が３〜４０％である光増幅ガラスを提供する。
【００１７】
また、上記光増幅ガラスであって、転移点が６００℃以上、屈折率が１．８０未満の光増幅ガラスを提供する。
さらに、前記光増幅ガラスをコアとする光導波路を提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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、たとえば中心軸がコア、その周囲がクラッドで覆われた構造のガラスファイバのコアとして、あるいはコアとクラッドとが積層された平面導波路のコアとして使用される。なお、このような光導波路は本発明の光導波路である。
【００１９】
本発明の光導波路は１５２０〜１６３０ｎｍの波長の光、特に１５３０〜１５６０ｎｍの波長帯のＣバンドの光を短い長さで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９７０〜９９０ｎｍまたは１４７０〜１４９０ｎｍのレーザー光が使用される。
【００２０】
本発明のガラスをコアとする光ファイバ（以下本発明の光ファイバという。）におけるコア径、クラッド径はそれぞれ典型的には２〜１０μｍ、１００〜２００μｍである。
【００２１】
本発明の光ファイバのクラッドの屈折率ｎ２とコアすなわち本発明のガラスの屈折率ｎ１とは次式を満足することが好ましい。
０．０００５≦（ｎ１−ｎ２）／ｎ１≦０．１
また、前記クラッドはガラスからなることが好ましく、該ガラスはモル％表示で本質的に、ＳｉＯ２：２０〜８０％、Ａｌ２Ｏ３：２〜５０％、Ｌａ２Ｏ３：１〜４０％、Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ＋Ｙ２Ｏ３＋Ｇａ２Ｏ３：３〜４０％からなることがより好ましい。
【００２２】
本発明の光ファイバは、たとえばコアガラスとクラッドガラスを複合化したプリフォームを延伸して作製したり、二重ルツボ法によって作製できる。
【００２３】
本発明のガラスのガラス転移点Ｔｇは６００℃以上であることが好ましい。Ｔｇが６００℃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。加えて、石英系ガラスの光ファイバのＴｇと本発明による光増幅ガラスファイバーのＴｇとの差が大きくなりすぎて、両者を融着することが困難になる可能性がある。より好ましくは７００℃以上、特に好ましくは７５０℃以上である。
【００２４】
さらに、本発明のガラスの屈折率ｎは１．８０未満であることが好ましい。ｎが１．８０以上では、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、四光波混合などの非線形光学効果が発現し、ノイズが大きくなる可能性がある。加えて、石英系ガラスの光ファイバと本発明による光増幅ガラスファイバーとの屈折率差が大きくなり、両者の接続部分でのロスが大きくなる可能性がある。より好ましくは１．７０以下、特に好ましくは１．６５以下である。
【００２５】
以下、本発明のガラスについて説明する。
本発明のガラスにおけるマトリクスガラスは、Ｅｒが添加されたガラスからなる。
【００２６】
マトリクスガラスに対するＥｒは、質量百分率表示（質量％）でマトリクスガラスに対し０．０１〜１０％添加されている。マトリクスガラスに対して０．０１質量％未満では十分な利得が得られない。好ましくは０．１質量％以上、より好ましくは０．２質量％、特に好ましくは０．５質量％以上である。１０質量％超では、濃度消光のためにかえって利得が低下する。好ましくは７質量％以下、より好ましくは４質量％以下、特に好ましくは３質量％以下である。
次に、本発明のガラスにおけるマトリクスガラスの組成についてモル％表示を単に％と表示して説明する。
【００２７】
ＳｉＯ２はネットワークフォーマであり、２０〜８０％含有される。ＳｉＯ２は、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効果を有し、また、Ｔｇを上げる効果を有し、必須である。ＳｉＯ２の含有量が２０％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。より好ましくは３０％以上、さらに好ましくは４０％以上である。８０％超ではガラス作製が難しくなる。より好ましくは７０％以下、さらに好ましくは６５％以下である。
【００２８】
Ａｌ２Ｏ３は２〜５０％含有される。Ａｌ２Ｏ３は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。更に、Ｔｇを高くし、Δλ（利得が得られる波長幅、発光強度の割合が３における波長幅）を大きくし、濃度消光を抑制する効果を有し、必須である。好ましくは５％以上、より好ましくは７％以上である。５０％超ではガラス形成が困難になる。好ましくは４０％以下、より好ましくは３５％以下である。
【００２９】
Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３からなる群から選ばれる少なくとも１種類以上を含有される、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２Ｏ、Ｙ２Ｏ３およびＧａ２Ｏ３の含有量の合計は３〜４０％である。Ｙ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ、Ｎａ２Ｏ、Ｋ２ＯおよびＧａ２Ｏ３はガラスの液相温度を下げ、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成分であり、これら５成分の１種以上を含有しなければならない。これらの含有量の合計Ｙ２Ｏ３＋Ｌｉ２Ｏ＋Ｎａ２Ｏ＋Ｋ２Ｏ＋Ｇａ２Ｏ３が３％未満ではガラス形成が困難になる。好ましくは５％以上である。４０％超ではガラス化が困難になる。好ましくは３５％以下、より好ましくは３０％以下である。
【００３０】
なお、光増幅ガラスの光増幅帯域を広くしたい場合、Ｙ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３を含有することが好ましい。
【００３１】
Ｙ２Ｏ３の含有量は３０％以下であることが好ましい。より好ましくは２０％以下である。Ｙ２Ｏ３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。
【００３２】
Ｇａ２Ｏ３の含有量は３０％以下であることが好ましい。より好ましくは２０％以下である。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。
【００３３】
Ｌｉ２Ｏの含有量は３０％以下であることが好ましい。より好ましくは２０％以下、特に好ましくは１０％以下である。Ｌｉ２Ｏ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。
【００３４】
Ｎａ２Ｏの含有量は３０％以下であることが好ましい。より好ましくは２０％以下、特に好ましくは１０％以下である。Ｎａ２Ｏ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。
【００３５】
Ｋ２Ｏの含有量は３０％以下であることが好ましい。より好ましくは２０％以下、特に好ましくは１０％以下である。Ｋ２Ｏ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。
【００３６】
Ｌａ２Ｏ３は必須成分であり、１％〜４０％含有される。その含有量が１％未満では濃度消光が起こりやすい。好ましくは３％以上、より好ましくは７％以上、特に好ましくは１０％以上である。また４０％超では、ガラス作成が困難になる。好ましくは３０％以下である。また、利得が得られる波長幅Δλを十分に大きくするためには、Ｌａイオンの数がＥｒイオン数の少なくとも２０倍以上であることが好ましい。これにより、Ｌａイオンがエルビウムの周囲に配位してクラスターを作り、その中にＥｒイオンが入り込むことによって、従来から知られている濃度消光を抑制する効果だけでなく、Ｅｒイオンの周囲のみでの屈折率の上昇をもたらすことで、バルクガラスの屈折率を低く抑えつつ利得波長幅を広げることができる。
【００３７】
本発明におけるマトリクスガラスは、下記酸化物基準で、
ＳｉＯ２          ３０〜７０％、
Ａｌ２Ｏ３        ５〜３５％、
Ｙ２Ｏ３        ０〜３０％、
Ｌｉ２Ｏ        ０〜３０％
Ｎａ２Ｏ        ０〜３０％、
Ｋ２Ｏ        ０〜３０％、
Ｇａ２Ｏ３      ０〜１５％、
Ｌａ２Ｏ３        ３〜３０％、
から本質的になることが好ましい。
【００３８】
本発明における好ましいマトリクスガラスは本質的に上記成分からなるが、他の成分を本発明の目的を損なわない範囲で含有してもよい。この「他の成分」の含有量の合計は１０％以下であることが好ましい。たとえば、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、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｒＯ２、Ｙｂ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＣｄＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｂ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５等を含有してもよい。また、屈折率を上昇させる目的で、Ｔａ２Ｏ３、Ａｇ２Ｏなどを含有してもよい。
【００３９】
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、白金ルツボ、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、１２００〜１６５０℃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。このようにして作成したガラスからプリフォームを作成してファイバ化したり、二重ルツボ法によってファイバ化することによって光増幅ガラスファイバを作成できる。その他にも、イオン交換法によって、光増幅平面導波路を作成できる。
【００４０】
【実施例】
表１のＳｉＯ２からＬａ２Ｏ３までの欄にモル％表示で示す組成のマトリクスガラスに、表１に質量％表示で示す割合のＥｒを添加したガラスを１６００℃で溶解する溶融法により作製した。例１〜８は実施例、例９、例１０は比較例である。
【００４１】
例１のガラスと比較例としての例９のガラスおよび従来から知られている石英系ガラス（Ｅｒ添加石英系ガラス。例１０）の平板状のサンプルについて、波長９８０ｎｍのレーザー光を照射して発光スペクトルおよび蛍光寿命を測定した。発光強度の単位を任意単位として、発光スペクトルを図に示す。また、波長１．５５μｍにおける屈折率ｎをエリプソメータにより、ガラス転移点Ｔｇ（単位：℃）を示差膨張計によりそれぞれ測定した。結果を表に示す。
【００４２】
表１の例１〜８は本発明の光増幅ガラスの好ましい態様の例であり、例９、例１０は比較例である。図１は例１の光増幅ガラス中のＥｒ３＋イオンの上順位４Ｉ１３／２順位から下順位４Ｉ１５／２への発光における発光強度、および従来から知られている石英系ガラス（Ｅｒ添加石英系ガラス）中のＥｒ３＋イオンの同様の発光における発光強度の波長依存性を比較したグラフである。発光強度の単位は任意単位である。
【００４３】
典型的な石英系ガラスの場合、利得が得られる波長は１５２０〜１５６０ｎｍであり、その幅は４０ｎｍである事が知られている。これは図１において、蛍光強度が３．０以上であるスペクトルの波長幅Δλに対応する。一方、例１の光増幅ガラスの場合１５２０〜１５６５ｎｍであり、その幅Δλは４５ｎｍにも達する。例２〜例８の光増幅ガラスについても４３〜４７ｎｍの値を示している。また、Ｌａ２Ｏ３を含有しない例８においては３８ｎｍという値を示している。
【００４４】
図２は、例１および例９と同じ母組成のガラスに異なる量のＥｒを添加した光増幅ガラス中のＥｒ３＋イオンの上順位４Ｉ１３／２順位から下順位４Ｉ１５／２への発光における蛍光寿命とガラス中のＥｒ添加量（質量百分率）との関係を比較したグラフである。なお、図中において、実線は例１、点線は例９を示す。濃度消光は、Ｅｒ添加量が増加した場合に蛍光寿命が減少するという現象で観測されるが、例１と同じ母組成のガラスでは、１％よりも大きな濃度で濃度消光が起こっているものの、１％以下の濃度では蛍光寿命が一定であり、濃度消光が起こっていないことが示されている。一方、例９と同じ母組成のＬａ２Ｏ３を含まないガラスでは、蛍光寿命が一定の部分は観測されず、０．４％未満の濃度で濃度消光が起こっていることが示されている。
【００４５】
表１中で、例１〜８のガラスのＥｒ添加量は質量百分率表示で０．４３％以上であって、前記Ｅｒ添加石英系ファイバにおいて濃度消光がおこるＥｒ添加量０．１１％よりも大きいにもかかわらず、例１〜８においては顕著な濃度消光は認められず、光増幅が可能であることを示している。
【００４６】
さらに、例１〜８のガラスはガラス転移点Ｔｇの値が７００℃以上であり、熱的な損傷を抑制するために望まれる６００℃以上のＴｇの値を持つことが示されている。
【００４７】
【表１】
2004168578.tif 000002
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、励起光として強度の大きいレーザー光を使用しても熱的な損傷が起りにくく、かつ、濃度消光の起こりにくい光増幅ガラスおよびより広帯域の増幅機能を有する光導波路が得られる。また、長さが短くとも所望の増幅機能を有し、石英ガラスファイバと容易に融着でき、ボビン状に巻くことなくＥＤＦＡに使用できる光ファイバが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の例１に係る光増幅ガラスと例９のＬａ２Ｏ３を含有しないガラスと例１０の石英系ガラスの発光スペクトルを示すグラフ。
【図２】本発明の例１と同じ母組成である光増幅ガラスと例９と同じ母組成であるＬａ２Ｏ３を含有しないガラスの蛍光寿命のＥｒイオン濃度依存性を示すグラフ。
【図１】
2004168578.tif 000003
【図２】
2004168578.tif 000004