JP2009092877A - 導波路並びにそれを用いた光モジュール及び光増幅器 - Google Patents

Abstract

【課題】非線形の発生効率の減少および広帯域化を可能にする非石英系ガラスにより構成された導波路を提供すること。
【解決手段】本発明に一実施形態は、フツリン酸ガラスにより構成されたコアとクラッドを有するフツリン酸ガラス導波路であって、コアとクラッドに含まれる燐酸（Ｐ₂Ｏ₅）のｍｏｌ％Ｃ_P1およびＣ_P2とそれぞれにおける屈折率ｎ₁およびｎ₂との関係を数式（１）のように定式化し、その範囲を数式（２）のように明確にする。数式（１）：ｎ₁＝α₁＋β₁・Ｃ_P1，ｎ₂＝α₂＋β₂・Ｃ_P2、数式（２）：１．４４＜ｎ₁，ｎ₂＜１．４６，１．４０＜α₁，α₂＜１．４３，０．００２＜β₁，β₂＜０．００３５，３＜Ｃ_P1，Ｃ_P2＜２０。ここでα₁、α₂、β₁、およびβ₂は、コアおよびクラッドの組成によって決定されるパラメータである。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波路並びにそれを用いた光モジュール及び光増幅器に関し、より詳細には、フツリン酸ガラス導波路並びにそれを用いた光モジュール及び光増幅器に関する。

近年、光ファイバ通信技術の急速な発展により、波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｃｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）通信における、伝送信号の高密度化および高ビットレート化や、広帯域化が進んでいる。

伝送信号の高密度化および高ビットレート化により、伝送路用ファイバ内において、非線形効果の影響（４光波混合（ＦＷＭ）、相互位相変調（ＸＰＭ）、自己位相変調（ＳＰＭ）等）による伝送特性の劣化が問題となっている。この課題を解決するため、実効断面積の大きい伝送路用ファイバを用いることで、非線形現象を抑圧する方法が提案されている（非特許文献１参照）。さらに近年では、光ファイバ増幅器内においても、非線形効果の影響が課題として浮上しつつある。特にＬ帯のエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）は、増幅媒体であるエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）の所要長が長く非線形現象が増強されるため、深刻な問題となっている。この課題を克服するため、実効断面積の大きいＥＤＦを用いることで、増幅媒体内の光パワー密度を減少させ、非線形現象を抑圧する方法が提案されている（非特許文献２参照）。

また、広帯域化については、従来の石英系ガラスをホストとする増幅用光ファイバでは増幅帯域が狹く（３０ｎｍ程度）、この要請に十分対応できていなかった。そこで広帯域増幅が可能な非石英系光ファイバの研究が進んでいる。その例として、フッ化物ガラスファイバ、テルライトガラスファイバ、ビスマスガラスファイバ、カルコゲナイトガラスファイバ、フツリン酸ガラスファイバ等がある（非特許文献３〜６参照）。

大薗和正、西尾友幸、山崎隆広、小野瀬智己、丹孝太郎、「高密度波長多重伝送用低非線形光ファイバ」、日立電線、２００１年１月、第２０号、ｐ．７−１０ 春名徹也、角井素貴、高城政浩、田中正人、石川真二、「大口径コアＥＤＦを用いた超低非線形Ｌバンド光増幅器」、ＳＥＩテクニカルレビュー、２００５年３月、第１６６号、ｐ．６５−６９ Atsushi Mori, Tadashi Sakamoto, Kenji Kobayashi, Koji Shikano, Kiyoshi Oikawa, Koichi Hoshino, Terutoshi Kanamori, Yasutake Ohishi, and Makoto Shimizu, "1.58-μm Broad-Band Erbium-Doped Tellurite Fiber Amplifier," Journal of lightwave technology, vol. 30, no. 5, MAY 2002 Makoto Yamada, Terutoshi Kanamori, Yukio Terunuma, Kiyoshi Oikawa, Makoto Shimizu, Shoichi Sudo, and Kouichi Sagawa, "Fluoride-Based Erbium-Doped Fiber Amplifier with Inherently Flat Gain Spectrum," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 8, no. 7, JULY 1996 B. O. Guan, H. Y. Tam, S. Y. Liu, P. K. A. Wai, and N. Sugimoto, "Ultrawide-Band La-Codoped Bi2O3-Based EDFA for L-Band DWDM Systems," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 15, no. 11, NOVEMBER 2003 小野浩孝、中川幸一、山田誠、須藤昭一、「Ｅｒ3+添加フツリン酸ガラスファイバの増幅特性」、１９９６年電子情報通信学会総合大会、ｐ．３２６

しかしながら、非特許文献１記載の技術は、実効断面積を拡大すると非線形の発生効率は減少するが、曲げ損失も増加してしまうため十分な解決策ではなかった。非特許文献２記載の技術では、実効断面積を拡大すると非線形の発生効率は減少するが、ＥＤＦＡの変換効率も減少してしまうため十分な解決策ではなかった。

また、広帯域化については、広帯域増幅が可能な非石英系光ファイバとして上述した光ファイバの研究が行われているが、光モジュールあるいは光増幅器の低コスト化や高信頼化に重要な石英ガラスファイバと融着接続が出来ない点（フッ化物ガラスファイバ、テルライトガラスファイバ、カルコゲナイトガラスファイバ、フツリン酸ガラスファイバ等）、石英ガラスファイバと屈折率が異なるため、一般的な平行融着では反射が大きくなり困難度の高い斜め融着が必須な点（フッ化物ガラスファイバ、テルライトガラスファイバ、ビスマスガラスファイバ、カルコゲナイトガラスファイバ、フツリン酸ガラスファイバ等）、１ｄＢ／ｍ以下の低損失化が困難な点（フツリン酸ガラスファイバでは従来１０ｄＢ／ｍ）、および耐候性が低い点（フッ化物ガラスファイバ、カルコゲナイトガラスファイバ等）という問題があった。

以上では光ファイバについて言及してきたが、光導波路についても当てはまる問題である。以下、光ファイバおよび光導波路を含む、ガラスにより構成されたコアとクラッドを有する光の伝送媒体を「導波路」と呼ぶ。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、上記問題点を解決した非石英系ガラスにより構成された導波路を提供することにある。その第２の目的は、そのような導波路を伝送路として用いた光モジュール、およびそのような導波路を増幅媒体として用いた光増幅器を提供することにある。

本発明に係る導波路は、コアおよびクラッドを構成するガラスとしてフツリン酸ガラスを用い、前記導波路が低非線形性に優れていることを特徴とする。

本発明の光増幅器は、増幅媒体として用いるフツリン酸ガラス導波路が低非線形性、広帯域増幅特性、低反射・低損失融着接続、低導波路損失、高耐候性、導波路作製時の熱安定性、高効率化を実現していることを特徴とする。

請求項１記載の発明は、コアとクラッドに含まれる燐酸（Ｐ₂Ｏ₅）のｍｏｌ％Ｃ_P1およびＣ_P2とそれぞれにおける屈折率ｎ₁およびｎ₂との関係を数式（１）のように定式化し、その範囲を数式（２）のように明確していることを特徴とする。
ｎ₁＝α₁＋β₁・Ｃ_P1，ｎ₂＝α₂＋β₂・Ｃ_P2 （１）
１．４４＜ｎ₁，ｎ₂＜１．４６，１．４０＜α₁，α₂＜１．４３，０．００２＜β₁，β₂＜０．００３５，３＜Ｃ_P1，Ｃ_P2＜２０ （２）
ここでα₁、α₂、β₁、およびβ₂は、コアおよびクラッドの組成によって決定されるパラメータである。この式に従って所望の屈折率を実現可能な燐酸量を決定することが出来る。またこの屈折率と燐酸量との関係を満たした組成のフツリン酸ガラスは、石英ガラスにより構成された光ファイバまたは光導波路との低反射・低損失融着、低非線形、低導波路損失、高耐候性、広帯域増幅特性、導波路作製時の熱安定性（結晶化温度−ガラス転移温度＞１００Ｋ）、高効率増幅特性を同時に満たすことも特徴である。

請求項２記載の発明は、コアとクラッドに含まれるアルミン酸（Ａｌ₂Ｏ₃）のｍｏｌ％Ｃ_A1およびＣ_A2とそれぞれにおける屈折率ｎ₁およびｎ₂との関係を数式（３）のように定式化し、その範囲を数式（４）のように明確していることを特徴とする。
ｎ₁＝α₁’＋β₁’・Ｃ_A1，ｎ₂＝α₂’＋β₂’・Ｃ_A2 （３）
１．４４＜ｎ₁，ｎ₂＜１．４６，１．４２＜α₁’，α₂’＜１．４４，０．００１５＜β₁’，β₂’＜０．００２５，１＜Ｃ_A1，Ｃ_A2＜３０ （４）
ここでα₁’、α₂’、β₁’、およびβ₂’は、コアおよびクラッドの組成によって決定されるパラメータである。この式に従って所望の屈折率を実現可能なアルミン酸量を決定することが出来る。またこの屈折率とアルミン酸量との関係を満たした組成のフツリン酸ガラスは、石英ガラスにより構成された光ファイバまたは光導波路との低反射・低損失融着、低非線形、低導波路損失、高耐候性、広帯域増幅特性、導波路作製時の熱安定性（結晶化温度−ガラス転移温度＞１００Ｋ）、高効率増幅特性を同時に満たすことも特徴である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の条件を同時に満たすことで低反射・低損失融着、低非線形性、低導波路損失性、高耐候性、広帯域増幅特性、導波路作製時の熱安定性（結晶化温度−ガラス転移温度＞１００Ｋ）、高効率増幅特性をさらに改善していることが特徴である。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のフツリン酸ガラス導波路であって、ＡｌＦ₃、ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＭｇＦ₂、ＢａＦ₂、ＰｂＦ₂、ＺｎＦ₂、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＫＦ、およびＬａＦ₃のうちの少なくとも１つ以上のフッ化物原料を含有していることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のフツリン酸ガラス導波路であって、ＡｌＦ₃は１０〜４５ｍｏｌ％、ＣａＦ₂は１０〜６０ｍｏｌ％、ＳｒＦ₂は０〜３０ｍｏｌ％、ＭｇＦ₂は０〜３０ｍｏｌ％、ＢａＦ₂は０〜３０ｍｏｌ％、ＰｂＦ₂は０〜２０ｍｏｌ％、ＺｎＦ₂は０〜２０ｍｏｌ％、ＮａＦ₂は０〜４０ｍｏｌ％、ＬｉＦ₂は０〜４０ｍｏｌ％、ＫＦは０〜１５ｍｏｌ％、ＬａＦ₃は０〜１０ｍｏｌ％であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載のフツリン酸ガラス導波路であって、前記コアに希土類イオンを含んでいることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、フツリン酸ガラス導波路が石英ガラスにより構成された光ファイバまたは光導波路と融着された光モジュールであることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１から６のいずれかに記載のフツリン酸ガラス導波路が石英ガラスにより構成された光ファイバまたは光導波路と融着された光モジュールであって、前記フツリン酸ガラス導波路は光ファイバであることを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項７または８に記載の光モジュールであって、フツリン酸ガラスの屈折率と石英ガラスの屈折率との差が０．０２８以下であることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項７〜９のいずれかに記載の光モジュールであって、融着部分のガラス成分が全く拡散されていないことを特徴とする。

請求項１１に記載の発明は、請求項７〜９のいずれかに記載の光モジュールであって、融着部分のガラス成分が前記光ファイバの長手方向１μｍ以下の範囲で拡散されていることを特徴とする。

請求項１２に記載の発明は、請求項７〜９のいずれかに記載の光モジュールであって、融着部分のガラス成分が前記光ファイバの長手方向１〜５μｍの範囲で拡散されていることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項７〜９のいずれかに記載の光モジュールであって、融着部分のガラス成分が前記光ファイバの長手方向５〜１０μｍの範囲で拡散されていることを特徴とする。

請求項１４に記載の発明は、請求項７〜１３のいずれかに記載の光モジュールであって、有着によってガラスが盛り上がった部分の前記光ファイバの長手方向の距離が１０μｍ以下であることを特徴とする光モジュール。

請求項１５に記載の発明は、請求項７〜１３のいずれかに記載の光モジュールであって、有着によってガラスが盛り上がった部分の前記光ファイバの長手方向の距離が１０〜１００μｍであることを特徴とする光モジュール。

請求項１６に記載の発明は、請求項７〜１５のいずれかに記載のフツリン酸ガラス導波路を増幅媒体として用いた光増幅器であることを特徴とする。

予め定めた関係式を満たすフツリン酸ガラスにより導波路のコアおよびクラッドを構成することにより、低非線形性、石英ガラスにより構成された光ファイバまたは光導波路との低反射・低損失融着、低導波路損失、高耐候性、広帯域増幅特性、導波路作製時の熱安定性（結晶化温度−ガラス転移温度＞１００Ｋ）、高効率増幅特性を実現できる導波路を提供することができる。

また、このような導波路を伝送路として用いて光モジュール、増幅媒体として用いて光増幅器を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、数式（１）および（２）で表した、コアとクラッドに含まれる燐酸（Ｐ₂Ｏ₅）のｍｏｌ％Ｃ_P1およびＣ_P2とそれぞれにおける屈折率ｎ₁およびｎ₂との関係を示すグラフである。αおよびβは、コアおよびクラッドについてそれぞれの組成によって一意に決定されるものであり、燐酸の添加量に対してある程度加成性が成り立つことを前提としている。図中の斜線で示した範囲はその加成性が成り立つ組成に対して考えられる屈折率範囲を表したものである。図中では単に燐酸量の範囲を示しているように見えるが、あくまでも数式（１）および（２）で示した式に沿うことが条件となっているので、単なる１つ側面（１つのパラメータを切り出しただけのもの）でしかない。

数式（２）に記載のαおよびβの範囲は融着の可否により決定した。図２はαをＸ軸、βをＹ軸として、接続損失０．５ｄＢ／ｐｏｉｎｔ以下での融着の可否をプロットした図である。○は融着可、×は融着不可を表している。図から分かるように１．４０＜α＜１．４３、０．００２＜β＜０．００３５の範囲で融着が可能であり、数式（２）に記載のαおよびβの範囲の根拠とする。

図３は、数式（１）および（２）に記載の関係式に従う組成の結晶化温度（Ｔｘ）とガラス転移点（Ｔｇ）の差（Ｔｘ−Ｔｇ）の燐酸量依存性をプロットした図である。ここで結晶化とは、失透と同義である。図から分かるように燐酸量が６ｍｏｌ％より大きくなるとＴｘ−Ｔｇは１００Ｋ以上になる。Ｔｘ−Ｔｇ＞１００Ｋであると導波路作製時に結晶化をある程度抑制することが出来るので６ｍｏｌ％以上にするのが有効である。しかしながら燐酸量が２０ｍｏｌ％を超えると結晶化が発生する。よって燐酸量を３ｍｏｌ％以上２０ｍｏｌ％以下にするのが適当である。これを数式（２）の燐酸量範囲の根拠とする。

図４は、燐酸量に対する１２００ｎｍでのファイバ損失をプロットした図である。図から分かるように燐酸量２０ｍｏｌ％以下でファイバ損失が１ｄＢ／ｍ以下となり燐酸量を２０ｍｏｌ％以下にするのが望ましい。

数式（３）および（４）に記載のαおよびβの範囲は融着の可否により決定した。図５はαをＸ軸、βをＹ軸として、接続損失０．５ｄＢ／ｐｏｉｎｔ以下での融着の可否をプロットした図である。○は融着可、×は融着不可を表している。図から分かるように１．４２＜α＜１．４４、０．００１５＜β＜０．００２５の範囲で融着が可能であり、数式（４）に記載のαおよびβの範囲の根拠とする。

図６は、数式（３）および（４）に記載の関係式に従う組成の結晶化温度（Ｔｘ）とガラス転移点（Ｔｇ）の差（Ｔｘ−Ｔｇ）のアルミン酸量依存性をプロットした図である。図から分かるようにアルミン酸量が１ｍｏｌ％より大きくなるとＴｘ−Ｔｇは１００Ｋ以上になる。Ｔｘ−Ｔｇ＞１００Ｋであると導波路作製時に結晶化をある程度抑制することが出来るので６ｍｏｌ％以上にするのが有効である。しかしながらアルミン酸量が３０ｍｏｌ％を超えると結晶化が発生する。よってアルミン酸量を１ｍｏｌ％以上３０ｍｏｌ％以下にするのが適当である。これを数式（４）のアルミン酸量範囲の根拠とする。

また、ＡｌＦ₃は耐候性を向上させる有効な成分であるが、１０ｍｏｌ％以下ではその効果は小さく、また４５ｍｏｌ％を超えるとガラスの溶融性が低下する。したがってＡｌＦ₃の組成範囲を１０ｍｏｌ％から４５ｍｏｌ％に限定するのが望ましい。またＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＭｇＦ₂、ＢａＦ₂、ＺｎＦ₂、ＰｂＦ₂は、ガラス中へのフッ素の添加を助長するとともに、結晶化を抑制することができる有効な成分である。ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＭｇＦ₂、ＢａＦ₂、ＺｎＦ₂、ＰｂＦ₂はそれぞれ６０、３０、３０、３０、２０、２０ｍｏｌ％を超えると結晶化しやすくなるので、それぞれ０〜６０、０〜３０、０〜３０、０〜３０、０〜２０、０〜２０ｍｏｌ％の範囲にするのが望ましい。また、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＫＦは溶融温度を下げ、かつ粘性を減少させる成分である。しかしながら、それぞれ４０ｍｏｌ％、４０ｍｏｌ％、１５ｍｏｌ％を超えると耐候性が低下するため、それぞれ０〜４０、０〜４０、０〜１５ｍｏｌ％の範囲にするのが望ましい。ＬａＦ₃は添加によって化学的耐久性と機械的性質を向上させるが、１０ｍｏｌ％を超えると結晶化しやすくなるので、０〜１０ｍｏｌ％の範囲にするのが望ましい。

図７は、アルミン酸量に対する１２００ｎｍでのファイバ損失をプロットした図である。図から分かるようにアルミン酸量３０ｍｏｌ％以下でファイバ損失が１ｄＢ／ｍ以下となりアルミン酸量を３０ｍｏｌ％以下にするのが望ましい。

図８は、石英ファイバ（屈折率：ｎ_S）とフツリン酸ガラス（屈折率：ｎ_P）の屈折率差（｜ｎ_S−ｎ_P｜）によって生じる反射量をプロットした図である。屈折率差０．０２８以下で反射損失が４０ｄＢ以上、０．００９以下で５０ｄＢ以上達成可能であることが分かる。４０ｄＢ以上の屈折率差があればフツリン酸ガラス導波路を組み込んだ光増幅器において、利得２０ｄＢ程度でも融着点の反射率に起因するアンプのレーザ発振は発生しない。また、上記の値は材料や融着条件により多少前後する場合もある。

図９は、接続損失が０．１ｄＢ以下、０．５ｄＢ以下、１ｄＢ以下を達成時の融着接続の歩留まりをフツリン酸ガラスと石英ガラスとの融着部での拡散領域に対してプロットした図である。融着部分では接続時に２つのガラスの成分が混合し拡散することによって接合する場合もある。拡散領域が増加するほど強固な接合性を得られ歩留まりは上昇するが、同時に導波構造も崩れるため接続損失の上昇が発生する。要求される接続損失に合わせて拡散領域を設定することで、効率的な歩留まりを設定することが可能である。図では０．１ｄＢ以下の歩留まりのピークは拡散領域１μｍ、０．５ｄＢ以下の場合は５μｍ、１ｄＢ以下の場合は１０μｍとなっているが、ガラス組成や融着条件によって異なる場合もある。

図１０に、融着の歩留まりを融着部分においてガラスが盛り上がった部分の光ファイバ長手方向の距離（溶融長）に対してプロットした図である。溶融長が増加するほど強固な接合性を得られ歩留まりは上昇するが、同時に導波構造も崩れるため接続損失の上昇が発生する。要求される接続損失に合わせて溶融長を設定することで、効率的な歩留まりを設定することが可能である。図では０．１ｄＢ以下の歩留まりのピークは溶融長１μｍ、０．５ｄＢ以下の場合は１０μｍ、１ｄＢ以下の場合は１００μｍとなっているが、ガラス組成や融着条件によって異なる場合もある。また、図９と関連して述べると、溶融領域と拡散領域は必ずしも一致するものではない。極端な例として溶融領域があっても石英ガラスファイバとフツリン酸ガラスファイバの界面で接合し、拡散領域が全く存在しない場合も有り得る。また石英ガラスファイバに対してフツリン酸ガラスファイバの融点が低くなる場合が多いので、フツリン酸ガラスファイバのみが溶融するもしくは溶融量が大きくなることが多い。また融着時の溶融温度に関しては、２つの異なる組成のガラスが接触して化学反応を起こし、溶融の活性化エネルギーを低下させることもあるのでそれぞれガラスの軟化温度で溶融が発生するとは限らない。

また、本明細書記載の導波路の屈折率は１．５５μｍでの値である。フツリン酸ガラスは、燐酸とフッ化物原料（ＡｌＦ₃、ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＭｇＦ₂、ＢａＦ₂、ＰｂＦ₂、ＺｎＦ₂、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＫＦ、ＬａＦ₃等）を混合して形成されるガラス物質を意味する。さらにＡｌ₂Ｏ₃、Ｌｉ₂Ｏ、Ｎａ₂Ｏ、Ｋ₂Ｏ等の酸化物をさらに加えてガラス状態を形成する場合もフツリン酸ガラスの範疇に含まれる。

また、ファイバレーザへの応用も容易に可能である。

実施例１
図１１は、実施例１に係る光増幅器を示している。導波路としてフツリン酸ガラスファイバを用いた光ファイバ増幅器である。図において、１−１は増幅用フツリン酸ガラスファイバ、２−１、２−２は光アイソレータ、３−１、３−２は励起光と信号光を合波する合波器、４−１、４−２は励起光源であり、双方向励起構成である。同様にして、図１２は前方励起構成、図１３は後方励起構成の場合の構成図を示している。

図１４は、本実施例に係る光ファイバ増幅器の増幅特性の評価系を示している。図において５−１〜５−６は波長可変光源、６は各波長可変光源の信号光を合波する合波器、７は信号光量を調整する光アッテネータ、８は図１１、図１２、図１３のいずれか若しくはこれらを組み合わせた光ファイバ増幅器、９は光ファイバ増幅器８で増幅された信号光を検出する光スペクトラムアナライザである。波長可変光源５−１〜５−６の信号波長は、１５６０、１５７０、１５８０、１５９０、１６００、１６１０ｎｍである。

図１５は、数式（１）および（２）の関係式に従うフツリン酸ガラスの利得および雑音スペクトルである。増幅用フツリン酸ガラスファイバのコア組成は、Ｐ₂Ｏ₅が１０ｍｏｌ％、Ａｌ₂Ｏ₃が３ｍｏｌ％、ＡｌＦ₃が４０ｍｏｌ％、ＣａＦ₂が２５ｍｏｌ％、ＳｒＦ₂が７ｍｏｌ％、ＭｇＦ₂が８ｍｏｌ％、ＢａＦ₂が７ｍｏｌ％である。クラッド組成は、Ｐ₂Ｏ₅が７ｍｏｌ％、Ａｌ₂Ｏ₅が３ｍｏｌ％、ＡｌＦ₃が４０ｍｏｌ％、ＣａＦ₂が２６ｍｏｌ％、ＳｒＦ₂が８ｍｏｌ％、ＭｇＦ₂が９ｍｏｌ％、ＢａＦ₂が７ｍｏｌ％であり、エルビウム添加濃度は５０００ｐｐｍである。また、ファイバ長は６ｍ、比屈折率差は０．６５％であり、コア屈折率は石英とほぼ同じ１．４５、ファイバ損失１ｄＢ／ｍ（＠１２００ｎｍ）である。石英ガラスファイバとフツリン酸ガラスファイバの接続損失は０．３ｄＢ／ｐｏｉｎｔ、反射損失は５１ｄＢである。アンプ構成は図１１の双方向励起構成を用いている。また励起光源には１．４８μｍＬＤでそれぞれ１００ｍＷ、入力信号光パワーは−１２ｄＢｍ／ｃｈである。図から分かるようにピーク利得２０ｄＢ以上で１５７０〜１６００ｎｍまでほぼ利得平坦な利得スペクトルを実現している。また同条件で石英ガラスファイバと比較した場合、６ｎｍ程度の増幅帯域の拡大に成功している。

図１６に同条件で測定したファイバ損失１０ｄＢ／ｍ（＠１２００ｎｍ）の利得スペクトルのファイバ長依存性の結果を示す。本ファイバの組成は本発明の範囲から外れた組成であり、その結果、高ファイバ損失（１０ｄＢ／ｍ）となっている。図１５と同じ６ｍのファイバ長で辛うじてＬ帯への利得シフトを実現しているが、利得は５ｄＢ以下Ｌ帯アンプとしては不十分である。よって本発明によりファイバの低損失化を実現すると共にＬ帯高利得増幅を初めて可能にした。さらに従来の石英ＥＤＦと比較実験を行った結果を示す。

表１に、本発明に係るコアおよびクラッドを構成するフツリン酸ガラスの組成、およびアンプ構成を変えたときの増幅特性の結果を示す。

「接続損失」および「反射損失」は、石英ガラスファイバとフツリン酸ガラスファイバとの接続損失および反射損失を表している。また励起パワーは増幅帯域内で利得平坦となるように設定している。いずれのアンプもＬ帯において高利得が得られている。また反射損失は図８に示すように屈折率の整合度に依存する。また表１の８および９行目に、Ｅｒイオンの代わりにＴｍイオンおよびＰｒイオンを添加した場合の結果をそれぞれ併記した。Ｔｍの場合は信号波長が１４８０、１４９０、１５００、１５１０ｎｍ（−１２ｄＢｍ／ｃｈ）、励起光パワーが２００ｍＷ（前方）＋２００ｍＷ（後方）（励起波長：１４１０ｎｍ）である。Ｐｒの場合は信号波長が１２８０、１２９０、１３００、１３１０ｎｍ（−１２ｄＢｍ／ｃｈ）、励起光パワーが２００ｍＷ（前方）＋２００ｍＷ（後方）（励起波長：１０４７ｎｍ）である。

次に低非線形石英系ＥＤＦと４光波混合について比較した実験結果を示す。図１７は実験の構成図を示している。１０−１〜１０−３は波長可変光源、１１−１〜１１−３は偏波コントローラ、１２は信号光を合波する合波器、１３−１、１３−２は光アイソレータ、１４はフツリン酸ＥＤＦもしくは比較に用いる低非線形石英系ＥＤＦ、１５−１、１５−２は励起光源、１６は光スペクトラムアナライザである。信号光は、１５７９．７ｎｍ（０ｄＢｍ）、１５８０．０ｎｍ（０ｄＢｍ）、１５８０．３ｎｍ（−３ｄＢｍ）である。励起光パワー前方１５０ｍＷ、後方２００ｍＷである。また、フツリン酸ガラスファイバのファイバ長は６ｍ、Ｅｒ濃度は５０００ｐｐｍである。

図１８は、アンプの出力スペクトルである。入力した信号波長の両脇に２波ずつＦＷＭが発生している。フツリン酸ＥＤＦは、石英ＥＤＦに対してＦＷＭ抑圧を実現している。図１９は、ＦＷＭクロストークの出力信号光パワー依存性を示した図である。ＦＷＭクロストークとは隣接信号チャネルとＦＷＭパワーの比を意味する。図から分かるように石英ガラスファイバに対して５．５ｄＢのＦＷＭクロストークの改善を実現している。

実施例２
図２０は、実施例２に係る光増幅器を示している。導波路としてフツリン酸ガラスファイバを用いた光ファイバ増幅器である。図において、１７−１〜１７−６は波長可変光源、１８は各波長可変光源の信号光を合波する合波器、１９は信号光量を調整する光アッテネータ、２０は伝送路用フツリン酸ガラスファイバ、２１は伝送後の信号光を検出する光スペクトラムアナライザである。

フツリン酸ガラスファイバのコア組成は、Ｐ₂Ｏ₅が９ｍｏｌ％、Ａｌ₂Ｏ₃が２．５ｍｏｌ％、ＡｌＦ₃が３９．５ｍｏｌ％、ＣａＦ₂が２５ｍｏｌ％、ＳｒＦ₂が７ｍｏｌ％、ＭｇＦ₂が８ｍｏｌ％、ＢａＦ₂が７ｍｏｌ％、ＰｂＦ₂が０．５ｍｏｌ％、ＺｎＦ₂が０．５ｍｏｌ％、ＮａＦ₂が０．５ｍｏｌ％、ＬｉＦ₂が０．５ｍｏｌ％、ＫＦが０．５ｍｏｌ％、ＬａＦ₃が０．５ｍｏｌ％である。クラッド組成は、Ｐ₂Ｏ₅が６ｍｏｌ％、Ａｌ₂Ｏ₃が２．５ｍｏｌ％、ＡｌＦ₃が３９．５ｍｏｌ％、ＣａＦ₂が２６ｍｏｌ％、ＳｒＦ₂が８ｍｏｌ％、ＭｇＦ₂が９ｍｏｌ％、ＢａＦ₂が７ｍｏｌ％、ＰｂＦ₂が０．５ｍｏｌ％、ＺｎＦ₂が０．５ｍｏｌ％、ＮａＦ₂が０．５ｍｏｌ％、ＬｉＦ₂が０．５ｍｏｌ％、ＫＦが０．５ｍｏｌ％、ＬａＦ₃が０．５ｍｏｌ％である。また、ファイバ長は２０ｋｍであり、コア屈折率は石英ガラスとほぼ同じ１．４５、ファイバ損失０．５ｄＢ／ｋｍ（＠１５５０ｎｍ）である。石英ガラスファイバとフツリン酸ガラスファイバとの接続損失は０．２ｄＢ／ｐｏｉｎｔ、反射損失は５０．５ｄＢ、溶融長は２０μｍ、拡散領域は３μｍである。波長可変光源の光周波数はそれぞれ１８９７４０ＧＨｚ、１８９８４０ＧＨｚ、１８９９４０ＧＨｚ、１９０１４０ＧＨｚ、１９０２４０ＧＨｚ、１９０３４０ＧＨｚである。またそれぞれの信号光パワーはフツリン酸ガラスファイバ入力端で３ｄＢｍ／ｃｈである。伝送後の波形を図２１に示す。左右の３波ずつのスペクトルは６ｃｈの信号光のスペクトルを表している。中央の実線のスペクトルはＦＷＭによって発生した光のスペクトルを表している。点線の光スペクトルはフツリン酸ガラスファイバの代わりに石英ガラスファイバ（２０ｋｍ、０．５ｄＢ／ｋｍ）を用いた場合を表している。図からわかるようにフツリン酸ガラスファイバを用いることにより、石英ガラスファイバに対して２０ｄＢのＦＷＭ抑圧に成功している。

燐酸量とフツリン酸ガラスの屈折率との関係を示す図である。 数式（２）で表されるαとβの関係を示す図である。 燐酸量とＴｘ−Ｔｇとの関係を示す図である。 燐酸量とファイバ損失（＠１２００ｎｍ）との関係を示す図である。 数式（４）で表されるαとβの関係を示す図である。 アルミン酸量とＴｘ−Ｔｇとの関係を示す図である。 アルミン酸量とファイバ損失（＠１２００ｎｍ）との関係を示す図である。 光ファイバの屈折率差と反射損失との関係を示す図である。 拡散領域と各接続損失が達成可能な歩留まりとの関係を示す図である。 溶融長と各接続損失が達成可能な歩留まりとの関係を示す図である。 双方向励起時のアンプ構成を示す図である。 前方向励起時のアンプ構成を示す図である。 後方向励起時のアンプ構成を示す図である。 増幅特性の評価系を表す図である。 フツリン酸ＥＤＦＡと石英ＥＤＦＡの利得およびＮＦスペクトルを示す図である。 フツリン酸ガラスファイバにおける利得スペクトルおよびＮＦスペクトルのファイバ長依存性を示す図である。 ４光波混合の評価系を示す図である。 ４光波混合発生時の出力スペクトルを示す図である。 ４光波混合クロストークのアンプ信号出力依存性を示す図である。 ４光波混合の評価系を示す図である。 伝送後の４光波混合発生時の出力スペクトルを示す図である。

符号の説明

１−１ 増幅用フツリン酸ガラスファイバ（フツリン酸ガラス導波路に相当）
８ 光ファイバ増幅器（光増幅器に相当）
１４ フツリン酸ＥＤＦ
２０ 伝送路用フツリン酸ガラスファイバ

Claims (16)

1. フツリン酸ガラスにより構成されたコアとクラッドを有するフツリン酸ガラス導波路であって、
   前記コアおよび前記クラッドに含まれる燐酸（Ｐ₂Ｏ₅）のｍｏｌ％Ｃ_P1およびＣ_P2とそれぞれにおける屈折率ｎ₁およびｎ₂との関係が
   ｎ₁＝α₁＋β₁・Ｃ_P1，ｎ₂＝α₂＋β₂・Ｃ_P2
   であり、
   ｎ₁、ｎ₂、α₁、α₂、β₁、β₂、Ｃ_P1およびＣ_P2は
   １．４４＜ｎ₁，ｎ₂＜１．４６，１．４０＜α₁，α₂＜１．４３，０．００２＜β₁，β₂＜０．００３５，３＜Ｃ_P1，Ｃ_P2＜２０
   を満たすことを特徴とするフツリン酸ガラス導波路。
2. アルミン酸（Ａｌ₂Ｏ₃）を含むフツリン酸ガラスにより構成されたコアとクラッドを有するフツリン酸ガラス導波路であって、
   前記コアおよび前記クラッドに含まれるアルミン酸のｍｏｌ％Ｃ_A1およびＣ_A2とそれぞれにおける屈折率ｎ₁およびｎ₂との関係が
   ｎ₁＝α₁’＋β₁’・Ｃ_A1，ｎ₂＝α₂’＋β₂’・Ｃ_A2
   であり、
   ｎ₁、ｎ₂、α₁’、α₂’、β₁’、β₂’、Ｃ_A1およびＣ_A2は
   １．４４＜ｎ₁，ｎ₂＜１．４６，１．４２＜α₁’，α₂’＜１．４４，０．００１５＜β₁’，β₂’＜０．００２５，１＜Ｃ_A1，Ｃ_A2＜３０
   を満たすことを特徴とするフツリン酸ガラス導波路。
3. 前記コアおよび前記クラッドに含まれるアルミン酸のｍｏｌ％Ｃ_A1およびＣ_A2とそれぞれにおける屈折率ｎ₁およびｎ₂との関係が
   ｎ₁＝α₁’＋β₁’・Ｃ_A1，ｎ₂＝α₂’＋β₂’・Ｃ_A2
   であり、
   α₁’、α₂’、β₁’、β₂’、Ｃ_A1およびＣ_A2は
   １．４２＜α₁’，α₂’＜１．４４，０．００１５＜β₁’，β₂’＜０．００２５，１＜Ｃ_A1，Ｃ_A2＜３０
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載のフツリン酸ガラス導波路。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のフツリン酸ガラス導波路であって、ＡｌＦ₃、ＣａＦ₂、ＳｒＦ₂、ＭｇＦ₂、ＢａＦ₂、ＰｂＦ₂、ＺｎＦ₂、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＫＦ、およびＬａＦ₃のうちの少なくとも１つ以上のフッ化物原料を含有していることを特徴とするフツリン酸ガラス導波路。
5. 請求項４に記載のフツリン酸ガラス導波路であって、ＡｌＦ₃は１０〜４５ｍｏｌ％、ＣａＦ₂は１０〜６０ｍｏｌ％、ＳｒＦ₂は０〜３０ｍｏｌ％、ＭｇＦ₂は０〜３０ｍｏｌ％、ＢａＦ₂は０〜３０ｍｏｌ％、ＰｂＦ₂は０〜２０ｍｏｌ％、ＺｎＦ₂は０〜２０ｍｏｌ％、ＮａＦ₂は０〜４０ｍｏｌ％、ＬｉＦ₂は０〜４０ｍｏｌ％、ＫＦは０〜１５ｍｏｌ％、ＬａＦ₃は０〜１０ｍｏｌ％であることを特徴とするフツリン酸ガラス導波路。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のフツリン酸ガラス導波路であって、前記コアに希土類イオンを含んでいることを特徴とするフツリン酸ガラス導波路。
7. フツリン酸ガラス導波路が石英ガラスにより構成された光ファイバまたは光導波路と融着された光モジュール。
8. 請求項１から６のいずれかに記載のフツリン酸ガラス導波路が石英ガラスにより構成された光ファイバまたは光導波路と融着された光モジュールであって、前記フツリン酸ガラス導波路は光ファイバであることを特徴とする光モジュール。
9. 請求項７または８に記載の光モジュールであって、フツリン酸ガラスの屈折率と石英ガラスの屈折率との差が０．０２８以下であることを特徴とする光モジュール。
10. 請求項７〜９のいずれかに記載の光モジュールであって、融着部分のガラス成分が全く拡散されていないことを特徴とする光モジュール。
11. 請求項７〜９のいずれかに記載の光モジュールであって、融着部分のガラス成分が前記光ファイバの長手方向１μｍ以下の範囲で拡散されていることを特徴とする光モジュール。
12. 請求項７〜９のいずれかに記載の光モジュールであって、融着部分のガラス成分が前記光ファイバの長手方向１〜５μｍの範囲で拡散されていることを特徴とする光モジュール。
13. 請求項７〜９のいずれかに記載の光モジュールであって、融着部分のガラス成分が前記光ファイバの長手方向５〜１０μｍの範囲で拡散されていることを特徴とする光モジュール。
14. 請求項７〜１３のいずれかに記載の光モジュールであって、融着によってガラスが盛り上がった部分の前記光ファイバの長手方向の距離が１０μｍ以下であることを特徴とする光モジュール。
15. 請求項７〜１３のいずれかに記載の光モジュールであって、融着によってガラスが盛り上がった部分の前記光ファイバの長手方向の距離が１０〜１００μｍであることを特徴とする光モジュール。
16. 請求項７〜１５のいずれかに記載のフツリン酸ガラス導波路の前記コアが希土類イオンを含有し、前記フツリン酸ガラス導波路を増幅媒体として用いた光増幅器。

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