JP2005029431A

JP2005029431A - 結晶化ガラス

Info

Publication number: JP2005029431A
Application number: JP2003271111A
Authority: JP
Inventors: Setsuhisa Tanabe; 勢津久田部; Shunsuke Fujita; 俊輔藤田
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】広範囲の波長帯域においてブロードな発光スペクトルを有し、発光効率が高い結晶化ガラスとそれを用いてなる利得媒体を提供する。
【解決手段】本発明の結晶化ガラスは、Ｅｒを含有し、ガーネット結晶を析出してなるため、広範囲の波長帯域においてブロードな発光スペクトルを有し、発光効率が高くなる。光増幅器やレーザー発信器に用いられる様々な波長帯域の利得媒体として使用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、結晶化ガラスに関し、特に光通信分野で使用される光増幅器の利得媒体用の結晶化ガラスに関するものである。

光通信において、通信距離が長くなると、光ファイバーを伝播する光信号は減衰するため、減衰した光信号の強度を元の強度に回復させることができる光増幅器は必要不可欠である。現在の光通信には、主に１５５０ｎｍの波長を有する光信号が用いられ、この波長の光信号の光増幅には光ファイバー中にＥｒ³⁺イオンをドープしたエルビウムドープ光ファイバー（例えば、特許文献１参照）を用いた増幅器（ＥＤＦＡ）が使用されている。

尚、この光増幅器は、予め高出力半導体レーザーからのレーザー光によって、電子を高エネルギー準位に励起しておき、その励起された電子がエネルギーを失って低エネルギー準位に遷移する際に、入射された光信号と同じ波長の光を放出する、いわゆる誘導放出によって光信号を増幅するものである。

光通信システムはこのＥＤＦＡにより飛躍的な進歩を遂げたが、ＥＤＦＡが急速に進歩した理由は、Ｅｒ³⁺イオンの発光波長が光通信における１５５０ｎｍの通信波長に適していたことと、Ｅｒ³⁺イオンの励起波長が高出力半導体レーザーの発光波長と良く一致していたこと、などがあげられる。

また、今後の通信情報量の飛躍的な増大が予想される中、膨大な情報量を送ることが可能な広帯域ＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信システムが期待され、その実現へ向けての研究が着実に進行している。

しかしながら、上記したＥＤＦＡは、増幅利得帯域が約３０ｎｍと狭いため、広範囲の波長帯域を利用するＷＤＭ通信システムにおいて、広帯域の波長の光信号を増幅することができない。したがって、ＷＤＭ通信システムにおいて、広範囲の波長帯域で利得が得られる利得媒体が必要とされている。

このような利得媒体としては、Ｃｒ⁴⁺をドーパントとして含む結晶化ガラスからなる利得媒体が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平５−８５７５５号公報特表２００３−５１２７３５号公報

しかし、特許文献２に開示の利得媒体は、広範囲の波長帯域にわたってブロードな発光スペクトルを有するものの、Ｃｒ⁴⁺イオンの発光効率がＥｒ³⁺イオンの１／１０〜１／１００程度と非常に低いため、Ｃｒ⁴⁺イオンを用いた利得媒体の発光効率も非常に低くなり、この利得媒体を用いて光増幅させることは事実上困難である。

本発明の目的は、広範囲の波長帯域においてブロードな発光スペクトルを有し、発光効率が高い結晶化ガラスとそれを用いてなる利得媒体を提供することである。

本発明の結晶化ガラスは、Ｅｒを含有し、ガーネット結晶を析出してなることを特徴とする。

また、本発明の利得媒体は、Ｅｒを含有し、ガーネット結晶を析出してなる結晶化ガラスを用いてなることを特徴とする。

本発明の結晶化ガラスは、Ｅｒを含有し、ガーネット結晶を析出してなるため、広範囲の波長帯域においてブロードな発光スペクトルを有し、発光効率が高くなる。すなわち、Ｅｒ³⁺イオンは、発光効率が高いため、それを含有する結晶化ガラスの発光効率も高くなる。またＥｒ³⁺イオンは、シリカガラス中ではエネルギー準位の***が少ないため、１５２０〜１５６０ｎｍ程度の狭い波長帯域にのみ発光波長を有するが、結晶化ガラス中では、Ｅｒ³⁺イオンがガーネット結晶中に固溶することができるため、Ｅｒ³⁺イオンのエネルギー準位の***が非常に多くなり、１４００〜１７００ｎｍの広範囲の波長帯域において多くの発光波長を有することができる。さらに、Ｅｒ³⁺イオンは、結晶化ガラス中においては、ガーネット結晶の他にもガラスマトリックスにも存在することができ、種々のＥｒ³⁺イオンが存在するようになるため、Ｅｒ³⁺イオンのエネルギー準位の***がさらに多くなり、Ｅｒ³⁺イオンの発光波長の数が増える。

また、Ｅｒ³⁺イオンは、少量ながら、ガラスマトリックスとガーネット結晶との界面及びガーネット結晶の粒界にも存在し、周りの元素（配位元素）の種類や配位元素との距離が異なるＥｒ³⁺イオンが形成されるため、このＥｒ³⁺イオンのエネルギー準位が微妙に変化し、結果として全体のＥｒ³⁺イオンの発光波長の重なりが多くなって、発光スペクトルがよりブロードになる。

尚、ガーネット結晶とは、一般的にはＡ₃Ｂ₂Ｃ₃Ｏ₁₂で表される結晶（Ａ＝Ｍｇ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｙ、Ｇｄ等：Ｂ＝Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｇａ、Ｓｃ等：Ｃ＝Ａｌ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｇｅ等）であり、上記したガーネット結晶として、特に、ＹＡＧ結晶（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂結晶）、ＹＧＧ結晶（Ｙ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂結晶）、ＹＳＧＧ結晶（Ｙ₃Ｓｃ₂Ｇａ₃Ｏ₁₂結晶）、ＧＧＧ結晶（Ｇｄ₃Ｇａ₅Ｏ₁₂結晶）であると、Ｅｒ³⁺イオンのエネルギー準位の***が非常に多くなりやすくなるため好ましい。

また、本発明の結晶化ガラスがＣａＯ及びＳｉＯ₂を含有してなると、Ｅｒ³⁺イオンのエネルギー準位の***がさらに多くなるため好ましい。すなわちＣａ²⁺はＹ³⁺とイオン半径がほぼ等しく、Ｓｉ⁴⁺はＡｌ³⁺とイオン半径がほぼ等しいため、Ｃａ²⁺はＹ³⁺の一部の位置に、またＳｉ⁴⁺はＡｌ³⁺の一部の位置に入って固溶することができる。従って、ＹＡＧ結晶中において、周りの元素（配位元素）の種類が異なるＥｒ³⁺イオンが形成されるため、このＥｒ³⁺イオンのエネルギー準位が微妙に変化し、結果として全体のＥｒ³⁺イオンの発光波長の重なりが多くなって、発光スペクトルがよりブロードになりやすい。

また、ＣａＯは、ガラスの修飾酸化物であり、化学耐久性を向上させ、ガラスの溶融温度を低下させる成分であり、その含有量は、０〜６０モル％であることが好ましい。

ＳｉＯ₂は、ガラスの網目形成酸化物であり、その含有量は、１０〜８０モル％であることが好ましい。

Ｅｒ₂Ｏ₃は、発光を得るために必須の成分（発光中心成分）であり、その含有量は、０．０１〜５モル％であることが好ましい。Ｅｒ₂Ｏ₃の含有量が０．０１モル％よりも少ないと発光中心成分としての役割を果たさず、又は５モル％よりも多いと濃度消光により発光効率が低くなるため好ましくない。

Ｙ₂Ｏ₃とＧｄ₂Ｏ₃は、ガーネット結晶の構成成分であるとともに、Ｅｒの均一分散能を向上させ、濃度消光を抑制する成分であり、Ｙ₂Ｏ₃とＧｄ₂Ｏ₃の含有量は合量で２〜３０モル％であることが好ましい。Ｙ₂Ｏ₃とＧｄ₂Ｏ₃の含有量が合量で２モル％よりも少ないと、ガーネット結晶が析出しにくく、３０モル％よりも多いと、ガラス化しにくくなるため好ましくない。

Ａｌ₂Ｏ₃とＧａ₂Ｏ₃も、ガーネット結晶の構成成分であるとともに、化学的耐久性を向上させる成分であり、Ａｌ₂Ｏ₃とＧａ₂Ｏ₃の含有量は合量で５〜５０モル％であることが好ましい。Ａｌ₂Ｏ₃とＧａ₂Ｏ₃の含有量が合量で５モル％よりも少ないと、ガーネット結晶が析出しにくく、化学的耐久性が低下する。また５０モル％よりも多いと、ガラス化しにくくなるため好ましくない。

本発明の結晶化ガラスは、上記した成分以外にも、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂等を含有させることができる。

また、本発明の結晶化ガラスは、１４００〜１７００ｎｍの波長帯域においてブロードな発光スペクトルを有するため、ＳバンドからＵバンドまで（１４６０〜１６８０ｎｍ）の広範囲の波長帯域に適した利得媒体として使用することができるが、特に、１４００〜１５００ｎｍの波長帯域において発光波長を有すると、Ｓバンド（１４６０〜１５２５ｎｍ）の波長帯域に適した利得媒体として使用することができる。また、１５００〜１５６０ｎｍの波長帯域において発光波長を有すると、Ｓバンド又はＣバンド（１５２５〜１５６５ｎｍ）の波長帯域に適した利得媒体として使用することができる。また、１５６０〜１７００ｎｍの波長帯域において発光波長を有すると、Ｌバンド（１５６５〜１６２０ｎｍ）又はＵバンド（１６２０〜１６８０ｎｍ）の波長帯域に適した利得媒体として使用することができる。

以上のように、本発明の結晶化ガラスは、広範囲の波長帯域においてブロードな発光スペクトルを有し、発光効率が高くなるため、光増幅器やレーザー発信器に用いられる様々な波長帯域の利得媒体として使用することができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。

表１は本発明の実施例１〜６及び比較例１、２を示す。また、図１は、実施例１、比較例１及び比較例２の発光スペクトルを示すグラフである。

実施例の結晶化ガラスは以下のようにして作製した。

まず、表１に示した組成となるように調合したガラス原料をガラス溶解窯に投入し、１６５０℃にて５時間溶融した後、融液をステンレス板上に流し出すことによって母ガラスを得た。次いでこれらのガラスを再溶融し、所定の温度域で２４時間保持することによって実施例１〜６の結晶化ガラスを得た。

また、比較例１はＥｒ³⁺イオンをドープしたアルミナ含有シリカガラスであり、ＶＡＤ法によって得られたＡｌ₂Ｏ₃を含有する多孔質シリカガラス母材に塩化エルビウムを含浸させ、電気炉中においてＨｅガス中で１４７０℃で加熱処理することによって作製した。また、比較例２はＥｒ³⁺イオンをドープしたＹＡＧ結晶であり、表１に示した組成となるように調合した原料混合物を固相反応させることによって作製した。

実施例１は、ＹＡＧ結晶が析出し、図１に示すように１４００〜１７００ｎｍの波長帯域において、多くの発光波長を有し、その結果としてブロードな発光スペクトルが得られた。また実施例２〜６についても、実施例１と同様の発光スペクトルが得られた。

一方、比較例１は、１４００〜１５００ｎｍの波長帯域や１６００〜１７００ｎｍの波長帯域に発光波長を有していなかった。また比較例２は、１４００〜１７００ｎｍの波長帯域において多くの発光波長を有していたが、その結果得られた発光スペクトルはシャープであった。

尚、析出結晶種の同定は、粉末Ｘ線回折法により行なった。また、発光特性（スペクトル）は励起波長９７０ｎｍの半導体レーザーを試料に照射し、試料から発せられた光を検出器により検出して測定し、１５００ｎｍ以下及び１６００ｎｍ以上の波長帯域に発光波長を有し、且つ得られた発光スペクトルがブロードである場合を○とし、それ以外は×とした。

実施例１、比較例１及び比較例２の発光スペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１実施例１
２比較例１
３比較例２

Claims

Ｅｒを含有し、ガーネット結晶を析出してなる結晶化ガラス。
ガーネット結晶がＹＡＧ結晶である請求項１に記載の結晶化ガラス。
ＣａＯ及びＳｉＯ₂を含有してなる請求項１又は２に記載の結晶化ガラス。
Ｅｒ₂Ｏ₃を０．０１〜５モル％含有する請求項１〜３のいずれかに記載の結晶化ガラス。
Ｙ₂Ｏ₃とＧｄ₂Ｏ₃を合量で２〜３０モル％含有する請求項１〜４のいずれかに記載の結晶化ガラス。
モル％で、ＳｉＯ₂を１０〜８０％、Ａｌ₂Ｏ₃とＧａ₂Ｏ₃を合量で５〜５０％、ＣａＯを０〜６０％、Ｙ₂Ｏ₃とＧｄ₂Ｏ₃を合量で２〜３０％、Ｅｒ₂Ｏ₃を０．０１〜５％含有してなる請求項１〜５のいずれかに記載の結晶化ガラス。
１４００〜１７００ｎｍの波長帯域において発光スペクトルを有する請求項１〜６のいずれかに記載の結晶化ガラス。
１４００〜１５００ｎｍの波長帯域において発光波長を有する請求項１〜７のいずれかに記載の結晶化ガラス。
１５００〜１５６０ｎｍの波長帯域において発光波長を有する請求項１〜８のいずれかに記載の結晶化ガラス。
１５６０〜１７００ｎｍの波長帯域において発光波長を有する請求項１〜９のいずれかに記載の結晶化ガラス。
請求項１〜１０のいずれかに記載の結晶化ガラスを用いてなる利得媒体。