(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアガラスおよびクラッドガラスからなるガラスファイバであって、該コアガラスがモル％表示で実質的に、
Ｂｉ2Ｏ3                ２５〜６５％、
Ｂ2Ｏ3＋ＳｉＯ2 ３０〜６５％、
Ａｌ2Ｏ3＋Ｇａ2Ｏ3 １〜２５％、
ＣｅＯ2                   ０〜２％、
からなるガラスファイバ。
【請求項２】
コアガラスがモル％表示で、Ｂｉ2Ｏ3を４０〜５０％、Ｂ2Ｏ3を１０〜３５％、ＳｉＯ2を１０〜４０％、Ａｌ2Ｏ3を０〜１５％、Ｇａ2Ｏ3を０〜２０％含有する請求項１に記載のガラスファイバ。
【請求項３】
コアガラスがモル％表示で、ＣｅＯ2を０．１〜０．５％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】
コアガラスがＥｒを含有しない請求項１、２または３に記載のガラスファイバ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超高速光スイッチや波長変換素子に応用可能な三次非線形光学効果を有するガラスファイバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高度情報処理社会やマルチメディアの実現のためには、大容量の情報を超高速で処理する必要があり、そのためには従来のエレクトロニクス処理に代わる光処理技術が不可欠である。この光処理技術を実現するために、光を使って光信号を処理する光スイッチに関する種々の開発が行われている。この光スイッチを動作させるために、光によって材料の屈折率や透過率などの光学特性を変化させることができる三次非線形光学効果が利用される。
【０００３】
また、伝送容量の拡大を図る方式として、波長多重光通信方式（ＷＤＭ）が提案されている。この方式においては、伝送容量を大きくするために、波長を変えることによってチャンネルを多重化している。したがって、この方式においては、ある波長から他の波長への波長変換が容易であることが望まれており、それには三次非線形光学効果を利用する四光波混合が好適である。
【０００４】
四光波混合とは、角周波数がωpである励起光と角周波数がωsである信号光を三次非線形光学材料に入射すると、角周波数がωc（＝２ωp−ωs）である光が発生することをいう。この四光波混合によって、角周波数がωsである信号光が角周波数がωcである光に変換される。前記三次非線形光学材料の三次非線形光学効果が大きければ、この角周波数変換すなわち波長変換を効率的に起こすことができる。
【０００５】
石英ガラスなど、非共鳴型といわれ光吸収を伴わない三次非線形光学ガラスは、数ピコ秒以下での高速の非線形応答を示すことが知られている。しかし、半導体分散ガラスや金属微粒子分散ガラスなど、共鳴型といわれ光吸収を伴う三次非線形光学ガラスに比べて三次非線形光学効果が小さい。このため、非共鳴型三次非線形光学ガラスを光スイッチとして使用するためには、デバイス長を大きくしたり動作パワーを大きくする必要があった。たとえば、石英ガラスをファイバ化して光スイッチを作製した場合、５〜２０ピコ秒でのスイッチ動作（スイッチング）は可能なものの、実用可能な光スイッチとするためには、ファイバ長を約１０００ｍの長さにする必要があった。そのため、非共鳴型三次非線形光学ガラスにおいてもより三次非線形光学効果が大きなガラスの探索が精力的に行われている。
【０００６】
一方、カルコゲンガラスとして知られているＡｓ−Ｓ系ガラスにおいては非線形光学効果が大きいため、石英ガラスファイバの約１／１０００の長さで石英ガラスファイバと同程度の高速スイッチ動作が可能であることが特開平３−２１９３４号公報に開示されている。しかし、カルコゲンガラスには、ガラス作製時の雰囲気を制御する必要がある、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓなどの系外排出抑制等の管理のためにガラスを作製するプロセスが煩雑になる、ガラス転移温度が低く熱安定性が悪く耐光損傷性に劣る、等の問題があった。
【０００７】
また、波長変換用ファイバとして、ゲルマニウムをドープした石英ファイバも報告されているが、三次非線形光学効果が小さいため光スイッチとして使用するにはやはり１０００ｍ程度の長さを必要としていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、Ａｓ、Ｓ、Ｓｅのいずれも含有せず、通常のガラス作製プロセスで作製でき、かつ三次非線形光学効果が大きいガラスをコアガラスとするガラスファイバの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コアガラスおよびクラッドガラスからなるガラスファイバであって、該コアガラスがモル％表示で実質的に、Ｂｉ2Ｏ3：２５〜７０％、Ｂ2Ｏ3＋ＳｉＯ2：５〜７４．８９％、Ａｌ2Ｏ3＋Ｇａ2Ｏ3：０．１〜３０％、ＣｅＯ2：０〜１０％、からなるガラスファイバを提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明のガラスファイバのコアガラス（以下単に本発明のコアガラスという。）は、モル％表示で実質的に、Ｂｉ2Ｏ3：３９〜５０％、Ｂ2Ｏ3＋ＳｉＯ2：２０〜５５％、Ａｌ2Ｏ3＋Ｇａ2Ｏ3：５〜２５％、ＣｅＯ2：０．０１〜１０％、からなることが好ましく、Ｂｉ2Ｏ3：４２．８％、ＳｉＯ2：３５．６％、Ａｌ2Ｏ3：３．６％、Ｇａ2Ｏ3：１７．８％、ＣｅＯ2：０．２％からなるガラスが例示される。
【００１１】
本発明のガラスファイバのコアガラスの組成について、モル％を単に％と表示して以下に説明する。
Ｂｉ2Ｏ3の含有量が２５％未満では、三次非線形光学効果が小さくなりすぎる。好ましくは３５％以上、より好ましくは３９％以上、特に好ましくは４０％以上である。７０％超ではガラス化が困難になる、またはファイバ加工時に結晶が析出しファイバ加工が困難になる。好ましくは６５％以下、より好ましくは５５％以下、特に好ましくは５０％以下である。
【００１２】
Ｂ2Ｏ3およびＳｉＯ2はいずれもネットワークフォーマであり、少なくともいずれか一種を含有しなければならない。Ｂ2Ｏ3およびＳｉＯ2の含有量の合計が５％未満ではガラス化が困難になる、またはファイバ加工が困難になる。好ましくは２０％以上、より好ましくは２５％以上、特に好ましくは３０％以上である。７４．８９％超では、三次非線形光学効果が小さくなりすぎる。好ましくは６５％以下、より好ましくは６０％以下、特に好ましくは５５％以下、最も好ましくは５０％以下である。
【００１３】
Ｂ2Ｏ3を含有する場合、その含有量は１％以上であることが好ましい。より好ましくは１０％以上、特に好ましくは２０％以上である。また、前記含有量は、好ましくは４０％以下、より好ましくは３５％以下である。
【００１４】
ＳｉＯ2を含有する場合、その含有量は１％以上であることが好ましい。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、前記含有量は、好ましくは４５％以下、より好ましくは４０％以下である。
【００１５】
Ａｌ2Ｏ3およびＧａ2Ｏ3はいずれもファイバ加工時の結晶化を抑制する成分であり、少なくともいずれか一種を含有しなければならない。Ａｌ2Ｏ3およびＧａ2Ｏ3の含有量の合計が０．１％未満では、前記結晶化を抑制する効果が小さい。好ましくは１％以上、より好ましくは５％以上である。３０％超では、ガラス作製時に結晶化しやすくなる。好ましくは２８％以下、より好ましくは２５％以下である。
【００１６】
Ａｌ2Ｏ3を含有する場合、その含有量は１％以上であることが好ましい。より好ましくは３％以上、特に好ましくは５％以上である。また、前記含有量は、好ましくは２０％以下、より好ましくは１５％以下である。
【００１７】
Ｇａ2Ｏ3を含有する場合、その含有量は１％以上であることが好ましい。より好ましくは３％以上、特に好ましくは５％以上である。また、前記含有量は、好ましくは２５％以下、より好ましくは２０％以下である。
【００１８】
ＣｅＯ2は必須ではないが、Ｂｉ2Ｏ3がガラス融液中に金属ビスマスとして析出することを抑制し、ガラスの透明性の低下を抑制する効果を有し１０％まで含有してもよい。１０％超ではガラス形成が困難になり、また三次非線形光学効果が低下する。好ましくは２％以下、より好ましくは１％以下、特に好ましくは０．５％以下である。ＣｅＯ2はガラスを黄色またはオレンジ色に着色する傾向を有する成分であるが、この着色による透過率の低下を抑制したい場合はＣｅＯ2を含有しないことが好ましい。
【００１９】
ＣｅＯ2を含有する場合、その含有量は０．０１％以上であることが好ましい。０．０１％未満では金属ビスマス析出によるガラスの透明性低下を抑制する効果が小さい。より好ましくは０．１％以上である。
【００２０】
本発明のコアガラスは、Ｂｉ2Ｏ3を４０〜５０％、Ｂ2Ｏ3を０〜３５％、ＳｉＯ2を１０〜４０％、Ａｌ2Ｏ3を０〜１５％、Ｇａ2Ｏ3を０〜２０％、ＣｅＯ2を０〜１０％、それぞれ含有することが好ましい。ここで、「ある成分を０％含有する」とは該成分が必須ではないことをいう。
【００２１】
本発明のガラスは実質的に上記成分からなるが、この他に本発明の目的を損なわない範囲で他の成分を合計で１０モル％まで含有してもよい。該「他の成分」として、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｋ2Ｏ、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、ＴｉＯ2、ＷＯ3、ＳｎＯ2、ＴｅＯ2等が例示される。
【００２２】
なお、Ａｓ、Ｓ、Ｓｅはいずれも含有しないことが好ましい。
また、Ｅｒは、９８０ｎｍ帯および１５５０ｎｍ帯の波長域の光を吸収し該波長域における透過率を低下させるので、含有しないことが好ましい。
【００２３】
本発明のガラスファイバのクラッドガラスの屈折率ｎ2とコアガラスの屈折率のｎ1との間には次式の関係が成り立っていることが好ましい。
０．０００５≦（ｎ1−ｎ2）／ｎ1≦０．１
また、本発明のガラスファイバのクラッドガラスは、モル％表示で実質的に、Ｂｉ2Ｏ3：２５〜７０％、Ｂ2Ｏ3＋ＳｉＯ2：５〜７４．８９％、Ａｌ2Ｏ3＋Ｇａ2Ｏ3：０．１〜３０％、ＣｅＯ2：０〜１０％、からなることが好ましい。本発明のコアガラスがＣｅＯ2を０．１〜１０％含有する場合、前記好ましいクラッドガラスにおいてＣｅＯ2が０．１〜１０％であることがより好ましい。
【００２４】
本発明のガラスファイバの作製法については特に制限はなく、たとえば次のようにして作製される。
所定の原料を混合し、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、空気中において８００〜１３００℃で溶融する。得られた融液を所定のモールドにキャストして、クラッドガラスと複合化したプリフォームを作製する。このプリフォームを延伸してガラスファイバを作製する。または、前記融液を板状に成形した後に押出し成形してプリフォームを作製し、これを用いてガラスファイバを作製してもよい。
【００２５】
本発明においては、非共鳴型の三次非線形光学効果を利用している、すなわち光が入射されたときのみに生ずる分極を利用している。したがって、使用するレーザー光のパルス幅と少なくとも同等の時間でスイッチ動作ができ、また前記時間内で四光波混合によって波長変換を行える。さらに、三次非線形光学効果が大きいため、スイッチ動作や波長変換を低パワーで効率的に行える。
【００２６】
本発明のガラスファイバを用いた光スイッチ素子は、典型的には、光スイッチに使用するレーザー光のパルス幅と同等の時間でスイッチ動作できる。また、本発明のガラスファイバを用いた波長変換素子は波長変換効率が高く、典型的には、長さが１００ｍ以下の本発明のガラスファイバにより所望の波長変換を行えると考えられる。
【００２７】
【実施例】
表のＢｉ2Ｏ3からＣｅＯ2までの欄にモル％表示で示す組成を有するコアガラスおよびクラッドガラスからなり、クラッド径が１２５μｍであり、コアガラス直径（単位：μｍ）が表に示す値である例１〜５のガラスファイバを作製した。波長１．５５μｍにおける屈折率も表に示す。例５の屈折率は計算値である。
【００２８】
【表１】
0004686845.tif 000002
【００２９】
図１に配置を示す偏光回転型光スイッチ素子を用いて、例５のガラスファイバの光スイッチ動作試験を行った。
Ｌ1は制御光であり、波長が１．３μｍ、パルス幅が１２０フェムト秒、パルスエネルギーが６００ｐＪ、後述の信号光Ｌinに対する偏光方向が４５°であるレーザー光である。Ｌinは信号光であり、波長が１．０７μｍ、パルス幅が１２０フェムト秒、パルスエネルギーが１３ｐＪであり、偏光子によって水平偏光とされたレーザー光である。
【００３０】
前記偏光子と検光子Ａはクロスニコル配置（消光比：２４ｄＢ）とした。ここで、消光比とはオープンニコル配置のときの光強度とクロスニコル配置のときの光強度の比である。
Ｇはガラスファイバであり、長さが２５ｍｍである例５のガラスファイバを使用した。
【００３１】
ハーフミラーＭによりＬ1とＬinを合成し、この合成された光をガラスファイバＧに入射した。制御光Ｌ1がない場合は信号光Ｌinは検光子Ａをほとんど透過せず、検光子Ａを透過した信号光Ｌinのパルスエネルギーはわずか０．０５ｐＪであった。一方、制御光Ｌ1をハーフミラーＭに入射すると信号光Ｌinは検光子Ａを透過した。その透過光Ｌoutのパルスエネルギーは０．６ｐＪであった。これはＳ／Ｎ比で評価すると１０ｄＢに相当し、光スイッチ素子として充分使用できることを示す。なお、ガラスファイバＧから出射された制御光Ｌ1はフィルタＦによって遮断される。
【００３２】
また、制御光Ｌ1と信号光Ｌinの間に時間遅延を与えスイッチ動作時間の測定を試みたところ、制御光Ｌ1のパルスと信号光Ｌinのパルスが時間的に重なった時にのみ信号光Ｌinは検光子Ａを透過した。このことから、スイッチ動作時間が制御光Ｌ1のパルス幅（＝１２０フェムト秒）以下であることがわかった。
【００３３】
この他に、たとえば、制御光Ｌ1の波長が１．５μｍ、パルス幅が１５０フェムト秒、パルスエネルギーが１０ｎＪであり、信号光Ｌinの波長が１．６μｍ、パルス幅が１５０フェムト秒、パルスエネルギーが１００ｐＪであり、ガラスファイバＧが例１〜４のいずれかのガラスファイバ（長さ＝１ｍ）からなる光スイッチ素子も充分な光スイッチ機能を有すると考えられる。
【００３４】
さらに、制御光Ｌ1の波長が１．４８μｍ、パルス幅が１５０フェムト秒、パルスエネルギーが２０ｐＪであり、信号光Ｌinの波長が１．５５μｍ、パルス幅が１５０フェムト秒、パルスエネルギーが１ｐＪであっても、ガラスファイバＧが例１〜５のいずれかのガラスファイバ（長さ＝１ｍ）であれば充分な光スイッチ機能を有すると考えられる。
【００３５】
さらに、例１〜４または例５のガラスファイバを用いた波長変換素子として好適と考えられる配置を図２に示す。
Ｌsは信号光であり、波長が１．５７μｍ、パルス幅が５０ピコ秒、繰り返し周波数が２．５ＧＨｚ、平均強度が０．１ｍＷであるレーザー光である。Ｌpは励起光であり、波長が１．５６μｍ、パルス幅が６０ピコ秒、繰り返し周波数が２．５ＧＨｚ、平均強度が１０ｍＷであるレーザー光である。Ｇはガラスファイバであり、長さが１００ｍである例１〜５のいずれかのガラスファイバが使用される。
【００３６】
信号光Ｌsと励起光ＬpとはカップラＣで合波されガラスファイバＧに入射する。ガラスファイバＧから出射された光はカップラＤを通して分離され、波長１．５５μｍの波長変換光Ｌcが得られる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のガラスファイバは、大きな非共鳴型三次非線形光学効果を有する。この特長を利用して光ビームの位相変調等を行うことにより、入射される光のパルス幅以下の、極めて短い時間で、具体的には１ピコ秒（１０００フェムト秒）以下の極めて短い時間で光スイッチ動作を行える。
また、四光波混合を利用した効率的な波長変換によって、より短いガラスファイバにより波長変換を行える。
【００３８】
さらに、本発明のガラスファイバは酸化物のみからなるガラス材料を用いているため、その製造時に特殊な雰囲気を必要とすることなく、通常のガラス作製プロセスで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガラスファイバを用いた偏光回転型光スイッチ素子の配置を示す図。
【図２】本発明のガラスファイバを用いた波長変換素子の配置を示す図。
【符号の説明】
Ｇ：ガラスファイバ
Ｌin、Ｌs：信号光
Ｌ1：制御光
Ｌout：透過光
Ｌp：励起光
Ｌc：変換光
【図１】
0004686845.tif 000003
【図２】
0004686845.tif 000004