特集

新しい用途を拓くシリカガラス

シリカガラスの空隙制御による低損失ファイバ実現への期待
北海道大学

電子科学研究所・AGC㈱材料融合研究所小野円佳

Void-Engineering in Silica Glass for Ultralow Optical Scattering Loss Fiber
Madoka Ono
Research Institute for Electronic Science, Hokkaido University/AGC Inc.

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はじめに際，光の伝搬損失は 20 dB/km だったが［1］，電線ケーブルに比べると桁違いに低い損失に，電シリカガラスは SiO2 から成るガラスで，一般線ケーブル会社は光通信用ケーブル会社へと転の多成分系ガラスに比べ，圧倒的に高純度で，向を余儀なくされた。Fig.1 は，伝送損失の値

構造欠陥や水分量を低く抑えて均質に作りこむと，信号が 100 分の 1 になるまでの距離を年代技術が確立されている。またガラスの熱膨張係間で比較したものである。わずか 30 年の間に，数は 10-7 K-1 と極めて小さく，光学ギャップが 6光ファイバの通信波長帯における損失は 0.2eV 以上であるため，広い波長範囲の光に対しdB/km にまで低減し，伝達距離が飛躍的に伸て，吸収による熱膨張，屈折率変化によるレンび，世界は情報社会へと様変わりした。今や光ズ効果といった線形・非線形光学効果が起こりファイバは世界中に張り巡らされている。更ににくい。このような優れた特徴をもつシリカガ

一桁損失が低減すれば，光信号の増幅器を大幅ラスは，現在光通信用ファイバのコア材料として世界中で利用されている。光ファイバ以前，情報は電線ケーブルを媒体とし，電気信号で伝達しており，その伝搬損失は 200 dB/km 程度であった。1970 年に光ファイバが開発された〒 001-0020/221-8755
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Fig. 1

 ropagation distance of information by whichP
signal decreases to 1/100, using eachtransmission line.

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NEW GLASS Vol. 35 No. 131 2020に節約できるだけでなく，現在中継器の作成が困難な量子通信が普及する可能性があると言われている［2］. しかし 1980 年以降，ファイバの損失はほぼ横ばい状態で，2 － 3 年毎に 0.01 dB/km のオーダーで最低記録が更新されていた［3］。光ファイバの損失低減は，今もなお重要な研究課題と認識されており，現況を打破するブレークスルーが望まれていた。

2シリカガラスにおけるレイリー散乱損失低減

Fig. 2

 chematic picture of network and voids inS
silica glass with different fictive temperature

シリカガラスにおいて，伝送損失の 80 ％以上度範囲内では，ガラスの Tf が高くなると，Fig.

はレイリー散乱損失が占めており，その他の構2 に示すように，体積が小さくなり，同時に，中造不整合や吸収といった成分はほんのわずかでの空隙が大きくなる。この変化が起きることにある［4］。レイリー散乱損失はシリカガラスの密よって，ガラス中の高密度部分はより高密度と度揺らぎがもたらすものであるため，これまでなり，粗な部分，つまり空隙部分は，その大きは，専らガラスの凍結温度 Tf を下げてガラスのさが拡大すると解釈できる。これは密度の不均構造を均質化する方法が探索されてきた。とこ質化が Tf の上昇に伴い起きていることを示しろが，Tf を下げるためには，ガラスの構造を長ており，シリカガラスのレイリー散乱増大と深い時間を掛けて安定なものに凍結するか，構造く関係がある。そこで PALS で測定された空隙が速く安定状態に至るように，粘性を下げる成が散乱体として振る舞うと仮定したところ，こ分（フッ素や水酸基，アルカリイオンなど）をれまで経験的に得られていたレイリー散乱係数

シリカガラスに加えるといったことが必要となの凍結温度依存性を空隙サイズの変化を使ってる。前者はファイバの紡糸速度を下げる必要がよく説明できた［6］。

あり，現在音速に近い速度で紡糸を行っている空隙を散乱体として扱う描像を仮定できるなファイバの生産工程を考えると現実的でない。

らば，PALS で観測される空隙を小さくするこ

また後者では組成揺らぎが助長され，却って散とによって，レイリー散乱係数を抑制できるの乱損失が増加する。このため，損失を大幅に改ではないか。このように考え，我々はシリカガ［5］善する方法はないと考えられてきた。

ラスに圧力を印加して空隙を小さくする試みを我々はこれに対して，シリカガラスのネット行った。熱間等方圧加工装置（HIP）を用いてワーク構造中の空隙（原子のない「何もない空2073 K の溶融状態下で Ar ガスを媒体として間」）に着目をし，このサイズを，陽電子消滅法

圧力を印加し，急冷して圧縮シリカガラスを得（PALS: Positron Annihilation Lifetime

た。これらのガラスについて，陽電子消滅寿命Spectroscopy）を用いて測定した。PALS を使っと，レイリー散乱強度の測定を行った。 Fig. 3た空隙サイズの算出方法や，測定内容の詳細にに，空隙サイズを横軸，散乱光強度を左軸にプ［6-8］をご参照いただきたい。

ロットし，それらに相当するレイリー散乱係数

構造凍結温度 Tf を 1300 K～ 1700 K の温度範を右軸に示した。凍結圧力が高く，圧力保持時囲に調整したシリカガラスは，Tf が高いほど密間が長いほど，空隙サイズは小さくなり，レイ度が高いが，PALS で観測された空隙半径 Rvリー散乱が抑制されることがわかった。Fig. 3は，Tf の上昇に伴って増大した。即ち，この温の（○）は常圧下で凍結温度を調整して得たガ

ついては，参考文献

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少したが，これは空隙サイズが印加圧力により単調に収縮するためで，実際はある値以上に圧力を印加したとしても，空隙が Si の四面体が作る空間に近いサイズとなり，散乱体としての描像が崩れる。一方で，密度揺らぎから散乱強度を求めると，圧力がおよそ 4.0GPa まで減少し，それ以上では散乱強度が増大の傾向を示した［10］

Fig. 3 he Rayleigh scattering intensity (left verticalTaxis) and the absolute value of the Rayleighscattering loss (right vertical axis), are plottedagainst the void radius. The filled circles arefor the samples made with the HIP machine.
The broken line corresponds to the sixth
power of the void radius (Rv). The open
circles represent the samples made without
the HIP machine [9] .

。現在実験的な検証を行っており，0.2GPa より高い圧力下で（しかし超高圧ではない処理で）既報 9 を超える低い散乱を示すシリカガラスを得られる可能性が示唆されている。しかしながら，高温高圧条件で凍結して得られたガラスでファイバを成形するには，乗り越えるべき工程上のハードルがいくつかある。一つは，このガラスである。例えば凍結温度が 1342 K のガララスが常圧下で昇温すると 1070 K 付近で構造

スは，半導体露光装置などに利用されるシリカ緩和に伴う急激な膨張を示す点である［11］。まガラスで，構造を安定化させ均質化するために，た，常圧下で 2400K 近い温度において保持する

100 時間以上を掛けてゆっくりと冷却が行われと，ガラスの構造が常圧のそれにほとんど戻っている。しかし，これだけ長期間処理を行っててしまう。圧力を保持したままファイバ化を行−4もせいぜい 0.55 dB/km/mm程度の散乱係数

う工程の確立は難しいと考えられるため，高圧をもつガラスしか得られない。なお，通常シリでのガラス構造を明らかにし，その知見を基にカガラスファイバーの仮想温度は 1700K 程度して，圧力以外の散乱抑制方法を探索していくである。これに比べて，高温高圧処理を行うと，必要もあると考えている。

冷却工程は短時間でもレイリー散乱係数は小さ英語のフレーズで，「まだやりようがある」とかった。特に，温度 2073 K 下で圧力 200 MPaいう意味の“There’s still plenty of space left”を印加し 4 時間保持したシリカガラスのレイがあるが，まさに，仮想温度を制御したシリカ

リー散乱係数度は，散乱係数にして 0.34 dB/

ガラスは，空隙の沢山存在する，plenty of space−4に相当する，極めて小さい値となっleft なものであった。本稿をきっかけに，ガラた。この値を 1.55μm における散乱損失に換算

スの space に着目し，散乱の小さいシリカガラ

すると 0.07 dB/km となり，現在報告されていスを創る新たな手法を探ることに興味を持って4る光ファイバーの最低伝送損失 0.1419 dB/kmいただければと願う。超低損失シリカガラスの［3］を遥かに下回った。

実現に向けて，シリカガラスの研究には，まだ最近我々は，分子動力学を用いた計算シミュ腕の見せ所がある。

km/μm

レーションを用いて，更に高い圧力を印加した場合にシリカガラスの損失がどこまで抑制でき謝辞るのか検討した。計算では，構造から求めた空

本稿で紹介した一連の研究を行うにあたり，隙が散乱体として振る舞うとして散乱係数を見AGC の伊藤 節郎 博士，谷口 健英 博士，植村積もる方法と，構造から密度揺らぎを算出して健氏，本間 脩 氏，千葉大学の藤浪 眞紀教授，散乱強度を計算する方法の 2 通りを試みた。前

ペンステート大学の John Mauro 教授 , Yongjian

者では印加圧力の上昇により散乱強度が単調減

Yang 博士，北海道大学の 西井 準治 教授，藤15NEW GLASS Vol. 35 No. 131 2020

岡 正弥 助教，田邊 泰人 氏 に大変お世話になりました。ここに感謝いたします。
「レーザー研究」“低損失ファイバレーザーに向けたシリカガラスの空隙制御”小野 円佳（2020 年 7 月 20 日：48
巻 7 号 , 339 ～ 343 頁）より 一部転載

参考文献
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［8］S. Aoyama and M. Fujinami Isotope News 703（2012）19.
［9］M. Ono, S. Aoyama, M. Fujinami and S. Ito:
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［10］Y. Yang, O. Homma, S. Urata, M. Ono and J.
Mauro: Accepted to npj Computational
Materials DOI: 10.1038/s41524-020-00408-1［11］Y. Yang, H. Tokunaga, K. Hayashi, M. Ono,and J. Mauro: Accepted to J. Am. Ceram. Soc.
DOI:10.1111/jace.17430