(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハロゲン化銀、ハロゲン化銅、またはハロゲン化銅−カドミウムの結晶を沈殿させることにより相分離されており、少なくとも２：１のアスペクト比を有する銀、銅、または銅−カドミウムの金属粒子を含有し、１．６より大きい屈折率を有する偏光ガラス製品，を備えた光アイソレータ。
【請求項２】
前記偏光ガラス製品が１．６５より大きい屈折率を有することを特徴とする請求項１記載の光アイソレータ。
【請求項３】
前記光アイソレータが２つの単一モードファイバの間に配置された際に、５０マイクロメートルの厚さを有する偏光ガラス製品の結合損失が０．３５ｄＢ未満であることを特徴とする請求項１または２記載の光アイソレータ。
【請求項４】
１．６より大きい屈折率を有する少なくとも２つの偏光ガラス素子と、該偏光ガラス素子の間に配置されたファラデー旋光器とを備え、２つの単一モードファイバの間に配置された際の結合損失が０．３５ｄＢ未満である光アイソレータであって、
前記偏光ガラス素子が、ハロゲン化銀、ハロゲン化銅、またはハロゲン化銅−カドミウムの結晶を沈殿させることにより相分離されており、少なくとも２：１のアスペクト比を有する銀、銅、または銅−カドミウムの金属粒子を含有するものである，ことを特徴とする光アイソレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏光ガラスに関する。本発明は、より詳しくは、偏光ガラスおよびそのようなガラスから製造された光アイソレータのような偏光製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハロゲン化銀、ハロゲン化銅、またはハロゲン化銅−カドミウムの結晶を含有するガラスにおいて、偏光効果を得ることができる。これらの結晶は、適切な量の上記金属およびフッ素以外のハロゲンを含有する組成を有するアルミノケイ酸塩ガラスにおいて沈殿し得る。
【０００３】
偏光効果は、これらの結晶含有ガラスにおいて、このガラスを延伸し、次いで、その表面を還元雰囲気に露出することにより生じる。ガラスは、このガラスを引き延ばすためにガラスアニール温度よりも高い温度で応力下に配置され、それによって、結晶が引き延ばされ、配向される。次いで、引き延ばされた製品を、２５０℃よりも高いが、ガラスアニール温度より２５℃を越えるほどは高くない温度で還元雰囲気に露出する。これにより、ハロゲン化物結晶の少なくとも一部が元素の銀または銅（以後、「金属」と称する）に還元されている表面層が生成される。
【０００４】
ハロゲン化物粒子は、ガラスの歪み点未満の温度では、ガラスの粘度が高すぎるので、成長できない。結晶沈殿のためには、アニール点を越えたより高い温度が好ましい。物理的支持がガラス体に与えられる場合、ガラスの軟化点よりも５０℃高い温度まで用いても差し支えない。偏光ガラスの製造方法が、特許文献１に詳細に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
米国特許第４４７９８１９号明細書
【０００６】
【特許文献２】
米国特許第４３０４５８４号明細書
【０００７】
【特許文献３】
米国特許第５９３２５０１号明細書
【０００８】
【特許文献４】
米国特許第４８９１３３６号明細書
【０００９】
【特許文献５】
米国特許第５０２３２０９号明細書
【００１０】
【特許文献６】
米国特許第４８９０３１８号明細書
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述した種類の偏光ガラスは、以下に制限されるものではないが、光通信装置、光学式記録装置、光センサ、および光干渉計を含む装置に用いられる偏光素子を製造するのに用いられる。光通信システムに用いられる光アイソレータは、第１の偏光子、ファラデー旋光器、およびホルダ内の光軸上に配列された第２の偏光子を有してなる。光アイソレータの２つの重要な用途は、光通信システムおよび光ファイバ増幅器にある。光アイソレータの挿入損失は、光アイソレータの製造における重要な考慮すべき事柄であり、約０．５ｄＢ未満のレベルに挿入損失を維持しなければならない。
【００１２】
挿入損失は、一般に、表面損失、吸収損失および結合損失の３つの要因によるものであると考えられる。表面損失は、光アイソレータを構成する成分の様々な表面間の損失であり、成分間の異なる屈折率が表面損失に影響する。特許文献１に記載された偏光ガラスの屈折率は１．５０８以下である。ファラデー旋光器の屈折率は、一般に、約２．４であり、屈折率のこのような大きな差は、アイソレータ成分の表面損失に寄与する。たとえ反射防止（ＡＲ）膜が表面損失を低減できるとしても、表面損失を低減させるための他の様式を提供することが望ましいであろう。結合損失は、一般に、約０．１５から約０．２５ｄＢまでである。従来の偏光子と比較して、結合損失及び表面損失の減少した偏光ガラスから製造された偏光子を提供することが望ましいであろう。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のある実施の形態は、ハロゲン化銀、ハロゲン化銅、またはハロゲン化銅−カドミウムの結晶を沈殿させることにより相分離されており、少なくとも２：１のアスペクト比を持つ銀、銅、または銅カドミウムの金属粒子を含有する偏光ガラス製品に関する。この実施の形態によれば、前記製品は、１．５５よりも大きい屈折率を有する。他の実施の形態において、前記製品は、１．６よりも大きい屈折率を有する。好ましい実施の形態において、前記製品は、１．６５よりも大きい屈折率を有する。
【００１４】
本発明の別の実施の形態は、本発明にしたがって製造された偏光ガラス製品を有してなる光アイソレータに関する。本発明による偏光子を用いた光アイソレータの利点の１つは、アイソレータが低い結合損失を示すことである。例えば、ある実施の形態によれば、１．６より大きい屈折率および２つの単一モードファイバの間に配置された５０マイクロメートルの厚さを有する偏光子では、結合損失が０．３５ｄＢ未満である。
【００１５】
本発明の別の実施の形態は、偏光ガラス製品を製造する方法に関する。この方法は、１．６より大きい屈折率を有し、銀、銅または銅とカドミウムおよび少なくとも一種類のハロゲンの供給源を含有するガラスのバッチを溶融し、その溶融物をガラス製品に成形しかつ冷却し、このガラス製品を、ガラス中にハロゲン化銀、ハロゲン化銅またはハロゲン化銅−カドミウムの結晶を生成させ、沈殿させるのに十分な期間に亘り高温にさらす各工程を有してなる。その方法はまた、このガラス製品を、前記ガラスのアニール点よりも高い温度において応力下で伸張させて、その応力の方向に前記結晶を引き延ばし、この引き延ばされたガラス製品を高温で還元雰囲気に露出して、銀または銅の金属への還元を開始する各工程も含む。好ましい実施の形態において、前記ガラス製品は、１．６より大きい屈折率を有し、より好ましい実施の形態において、前記ガラス製品は、１．６５より大きい屈折率を有する。ある実施の形態において、前記ガラス中のハロゲン化銀、ハロゲン化銅またはハロゲン化銅−カドミウムの結晶を沈殿させるための温度は、そのガラスの軟化点よりも少なくとも５０℃高く、前記結晶を沈殿させるのに十分な時間は、２時間から４時間までである。他の実施の形態において、前記ガラス製品が応力下で伸張される温度は、前記ガラスの軟化点よりも少なくとも約５０℃低い。他の実施の形態において、前記ガラス製品が還元雰囲気に露出される温度は、約２５０℃よりも高い。
【００１６】
本発明の追加の利点は、以下の詳細な説明に述べられている。前記一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、例示であり、特許請求の範囲に記載された本発明のさらなる説明を与えることを意図したものであるのが理解されよう。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の例示としての実施の形態をいくつか記載する前に、本発明は、以下の説明に述べられた構成の詳細に制限されるものではないことを理解すべきである。本発明には他の実施の形態が可能であり、本発明を様々な様式で実施することができる。
【００１８】
偏光ガラス素子の製造は、公知であり、特許文献１および２に記載されている。本発明のある実施の形態は、ホウケイ酸アルミニウムをベースとする組成、および１．５５より大きく、好ましくは、１．６５より大きい屈折率を有するガラス偏光子に関する。
【００１９】
本発明の偏光ガラス素子および方法は、十分な容積の金属ハロゲン化物の結晶を沈殿させられるものであり、１．５５より大きく、好ましくは、１．６より大きく、より好ましくは、１．６５より大きい屈折率を有するホウケイ酸アルミニウムをベースとするどのようなガラスにも実施できるであろう。
【００２０】
本出願人は、特許文献３に開示されている１．５５より大きい屈折率を有するある母材ガラス組成を認識した。この明細書には、それらの組成がフォトクロミックガラスに有用であることが教示されている。しかしながら、これらのガラスが、偏光ガラス製品を製造するための母材ガラスとして用いられることは教示も示唆もされていない。したがって、本発明のある実施の形態によれば、本出願人は、１．５８から１．６５までの屈折率を有する特許文献３の実施例２−９の組成を、偏光ガラス製品の製造に適した母材ガラスとして確認した。特許文献３に開示された組成は、重量パーセントで表された以下の成分を含有する：３５−４７％のＳｉＯ2、１２−１９％のＢ2Ｏ3、６．５−１２％のＺｒＯ2、０−６％のＡｌ2Ｏ3、１．５−３％のＬｉ2Ｏ、２−５％のＮａ2Ｏ、２−７％のＫ2Ｏ、０．２５−０．７５％のＣｕＯ、０．１−２％のＣｌ、０−３％のＣａＯ、０−７％のＳｒＯ、２−７％のＢａＯ、０−３％のＺｎＯ、０−１２％のＹ2Ｏ3、８−２０％のＬａ2Ｏ3、０．２−２．５％のＳｎＯ、および０．１−２％のＢｒ。偏光特性を得るために、適量の銀または銅の金属を前記バッチに加える必要がある。例えば、０．２から０．３重量％のＡｇまたはＣｕを前記バッチに加えて差し支えない。
【００２１】
本発明のいくつかの実施の形態にしたがって使用できる、本出願人により確認された他の組成としては、１．５８５から１．６１０までの屈折率を有する、特許文献４に開示された組成が挙げられる。これらのガラス組成は、重量パーセント基準で以下の組成：３３−５０％のＳｉＯ2、１５−２０％のＢ2Ｏ3、１−４％のＺｒＯ2、５−８％のＡｌ2Ｏ3、２−２．５％のＬｉ2Ｏ、０．３−２．５％のＮａ2Ｏ、３−８％のＫ2Ｏ、２−８％のＳｒＯ、８−１４％のＮｂ2Ｏ5、および２−７％のＴｉＯ2から実質的になり、ＣａＯ、ＢａＯ、ＺｎＯ、およびＬａ2Ｏ3を含まず、１００％を超えた重量パーセントで以下の元素を加えるべきである：０．０００７０−０．０３５０％のＣｕＯ、０．１７０−０．３６０％のＣｌ、０．１３０−０．２２０％のＢｒ、および０．１３０−０．２８０％のＡｇ。
【００２２】
本発明のある実施の形態にしたがって認識された屈折率の比較的高いさらに別の組成が特許文献５に開示されており、それらの組成は１．５９を超える屈折率を示す。これらのガラス組成は、必要に応じてＬｉ2Ｏと共に、ＺｒＯ2およびＫ2Ｏを組み合わせることにより上昇した屈折率を示し、重量パーセント基準で：４３−５２％のＳｉＯ2、１２．５−１８％のＢ2Ｏ3、３−８％のＺｒＯ2、０−３％のＡｌ2Ｏ3、１．５−３．５％のＬｉ2Ｏ、０．３−３％のＮａ2Ｏ、２−９％のＫ2Ｏ、０−５％のＣａＯ、０．８−９％のＳｒＯ、１−９％のＢａＯ、および２−８％のＴｉＯ2から実質的になり、以下の元素が１００％を超えた重量パーセントで加えられるべきである：０．０００８０−０．０３００％のＣｕＯ、０．１４−０．３５０％のＣｌ、０．０９３−０．１８０％のＢｒ、および０．１００−０．１７５％のＡｇ。
【００２３】
本発明のある実施の形態にしたがって使用できる、本出願人により確認された他の組成が、特許文献６に開示されており、１．５９より大きい屈折率を有する。これらの組成は、酸化物基準のカチオンパーセントで表して：３５−４７％のＳｉＯ2、２４−３８％のＢ2Ｏ3、２．５−８％のＺｒＯ2、０−８％のＡｌ2Ｏ3、０−１５％のＬｉ2Ｏ、０−８％のＮａ2Ｏ、２−１３％のＫ2Ｏ、０−８．５％のＣａＯ、０−１６％のＳｒＯ、０−８．５％のＢａＯ、０−３％のＺｎＯ、０−５％のＮｂ2Ｏ5、０−３％のＬａ2Ｏ3、および０−７％のＴｉＯ2から実質的になり、重量パーセントで表された以下の元素が１００％を超えて加えられるべきである：０．０００５−０．０５％のＣｕＯ、０．３−０．６５％のＣｌ、０−０．６％のＦ、０．２−０．６５％のＢｒ、および０．１５−０．４％のＡｇ。
【００２４】
本発明のある実施の形態によれば、偏光ガラス素子は、上述したガラスバッチの内の１つのような高屈折率ガラスバッチの製造により提供される。その高屈折率ガラスバッチは、ハロゲン化銀、ハロゲン化銅、またはハロゲン化銅−カドミウムの沈殿結晶相を含有し、その結晶は伸張され、配向されている。前記製品の表面近くにある結晶の少なくとも一部は、少なくともある程度金属の銀または銅に還元されている。
【００２５】
本発明の他の実施の形態は、上述した母材ガラス組成を使用することにより、１．５５より大きい、好ましくは、１．６より大きい、より好ましくは、１．６５より大きい屈折率を有するガラス偏光子を製造する方法にある。この方法は、上述した組成のような、銅または銀の酸化物を含有する高屈折率のホウケイ酸アルミニウムガラスを、その銅または銀と反応する塩素や臭素のようなハロゲンの十分な量と共にバッチ溶融する工程を有してなる。この方法はさらに、前記ガラス中にハロゲン化銅またはハロゲン化銀の結晶相を沈殿させ、このガラスを少なくとも一方向において応力にさらして、このガラスおよびその中に含まれるハロゲン化銅またはハロゲン化銀の結晶を引き延ばす各工程をさらに含む。その後、このガラスは還元雰囲気に露出されて、そのガラスの表面近くの薄層にあるハロゲン化銅またはハロゲン化銀の晶子の少なくとも一部を還元させる。
【００２６】
より具体的には、偏光ガラス製品を製造する工程は、４つの一般工程を有してなる：
(1)  銀または銅と、塩化物、臭化物、およびヨウ化物からなる群より選択される少なくとも一種類のハロゲン化物とを含有する高屈折率ガラスのバッチを提供し、このバッチを溶融し、その溶融物を所望の形状のガラス体に成形し；
(2)  このガラス体に所定の熱処理を施して、その中に所望のサイズのハロゲン化銀またはハロゲン化銅の粒子を生成し；
(3)  このガラス体を所定の温度範囲において応力下で延伸して、前記ハロゲン化銀またはハロゲン化銅の粒子を引き延ばし、それら粒子を応力の方向に整列させ；
(4)  延伸されたガラス体を所定の温度範囲内で還元雰囲気に露出して、前記ハロゲン化銀またはハロゲン化銅の粒子の少なくとも一部を、引き延ばされた粒子内および／またはその上に堆積した元素すなわち金属の銀または銅に還元する。
【００２７】
各工程(2)、(3)、および(4)の熱処理パラメータの順守は、最終製品において所望の偏光特性を達成する上で重要である。説明すると、前記ガラス体中にハロゲン化銀またはハロゲン化銅の粒子を生成するには、歪み点よりも高い温度、好ましくは、アニール点よりも高い温度が必要とされ、例えば、成形型中の制限のような物理的支持がガラス体に与えられる場合、ガラスの軟化点よりも５０℃高い温度を用いても差し支えない。当該技術分野において十分に認識されているように、粒子の最大溶解度温度を超えないとすると、粒子の成長は、温度が高くなるにつれてより急激に生じるので、アニール点よりも高い温度が経済的に望ましい。熱処理期間は、典型的に、約２時間から約６時間までである。各工程の正確な温度は、ガラスの組成に依存し、日常的な実験により決定できる。
【００２８】
ガラス体（およびその中に既に生成したハロゲン化銀またはハロゲン化銅の粒子）の伸張は、前記ガラスのアニール点よりも高いが、軟化点よりも低い温度、すなわち、前記ガラスが１０8ポアズよりも大きい粘度を示す温度で行われる。一般に、その伸張は、高応力を生じさせかつ粒子の再球状化を防ぐために、軟化点よりも少なくとも５０℃低い温度で行われる。
【００２９】
還元雰囲気中での伸張体の焼成は、ここでも、粒子が再球状化する傾向をなくすために、約２５０℃よりも高いが、アニール点よりも２５℃高い温度以下の温度、好ましくは、ガラスのアニール点よりもいくぶん低い温度で行われる。
【００３０】
【実施例】
ここで、図１を参照する。この図は、偏光子スラブが２つの単一モードファイバの間に挿入された場合の、そのスラブの高い屈折率の結合損失への影響を示すものである。図１に示したように、１．６５の屈折率を持つ５０マイクロメートル厚のスラブは、約０．３２ｄＢの結合損失を有する。１．６０の屈折率および５０マイクロメートルの厚さを持つスラブは、約０．３４ｄＢの結合損失を有する。１．４５の屈折率を持つ５０マイクロメートル厚のスラブは、０．４０ｄＢを超える結合損失を示す。この減少した結合損失は、２つの導波路間の直接結合用途に用いられる薄い偏光子製品において重要である。屈折率を上昇させることにより、同じ厚さを持つ小片に関して、結合損失が減少する。あるいは、ある用途においては、より厚いスラブの偏光子ガラスを使用することが望ましいであろう。これは、製造および取扱いがより容易であり、破損する傾向がより少ない。偏光子ガラスの屈折率を上昇させることによって、より厚いガラススラブを、偏光子の結合損失を不利に上昇させずに使用できる。偏光子の屈折率を上昇させることの別の利点は、屈折率が高いことにより、厚さの差による結合損失の変動（図１における曲線の準勾配）が、屈折率のより低いスラブと比較した場合、より小さい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ２つの単一モードファイバの間に配置された偏光子のスラブ厚に対する結合損失への屈折率の影響を示すグラフ
【図１】
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