この記事で分かること

レアアースの代替技術：光ファイバー増幅器添加剤でのプラセオジムフリー化

　2026年上半期（1〜6月）における日本のレアアース（希土類）輸入量は、中国による対日輸出規制導入前（2024年同期）の約2割にまで大きく落ち込んでいることが判明しました。

　EV（電気自動車）の駆動用モーターや半導体製造装置・材料に不可欠なレアアースの調達急減に対し、ベトナムや米国など中国以外からの代替調達や内製化が進んでおらず、サプライチェーンへの強い懸念が広まっています。

　第三国ルートの本格化など調達先の多角化を進めてるとともに、代替技術の実用化が強く望まれています。

　前回はブラセオジムの用途の一つである光ファイバー増幅器の添加剤に関する記事でしたが、今回は光ファイバー増幅器の添加剤でのブラセオジムフリー化に関する記事となります。

光ファイバー増幅器でのプラセオジムフリー化には

　光ファイバー増幅器の分野において、従来のPDFA（プラセオジム添加ファイバーアンプ）が抱える「フッ化物ガラス（ZBLAN）の機械的脆弱性」や「石英ファイバーとの接続損失の大きさ」といった課題を克服するため、プラセオジムを使用しない（プラセオジムフリー）1.3μm帯（Oバンド）などの光増幅技術として、主に以下の3つの手法が発展しています。

1. ビスマス添加光ファイバー増幅器（BDFA）

　プラセオジムの代わりにビスマス（Bi）をガラスに添加して増幅作用を得る技術です。

• 特徴: プラセオジムとは異なり、一般的な石英（シリカ）ガラスを母材として利用できる点が最大の強みです。
• メリット: 既存の通信用石英光ファイバーと極めて高い融着親和性を持ち、機械的強度や信頼性に優れながら、1.3μm帯（Oバンド）やEバンドといった広い波長帯で効率的な光増幅を実現します。

2. ファイバーラマン増幅器（FRA）

　特定の希土類元素を一切添加せず、光ファイバーが持つ誘導ラマン散乱（非線形光学効果）を利用して光を増幅する方式です。

• 特徴: 励起光の波長を調整することで、原理上あらゆる波長帯（1.3μm帯を含む）を増幅対象にできます。
• メリット: 完全なレアアースフリー（プラセオジムフリー）であり、伝送路となる光ファイバーそのものを増幅媒体として活用できるため、長距離伝送における分布式増幅などに適しています。

3. 半導体光増幅器（SOA）

　光ファイバーではなく、半導体チップ（化合物半導体）の活性層における誘導放出を利用して光信号を増幅するデバイスです。

• 特徴: 半導体レーザーと共通の微細加工技術で製造されます。
• メリット: 1.3μm帯（Oバンド）において非常に小型かつ低コストで実装でき、データセンター内のトランシーバーや光集積回路の内部で広く普及しています。

　プラセオジムフリー化は、石英系で勝負する「BDFA」、ファイバーの物理効果を利用する「ラマン増幅」、そしてチップ型の「SOA」という異なるアプローチによって進められています。

なぜビスマスでも増幅できるのか

　ビスマス（Bi）を添加した光ファイバー（BDFA）で光が増幅できるのは、ガラスの中でビスマスが特殊な結合状態をつくり、「ビスマス活性中心（BAC: Bismuth Active Centers）」と呼ばれる発光・増幅の源泉を形成するからです。

1. ビスマス活性中心（BAC）の形成

　ビスマスをガラス（母材）に混ぜて高温で溶融・線引きする過程で、ビスマスは単なる不純物ではなく、周囲の元素（アルミニウム、リン、ゲルマニウムなど）や酸素の欠損と結びついた独自の局所構造（BAC）を形成します。

　このBAC特有の電子のエネルギー準位が、近赤外線領域での効率的な光の吸収と放出（発光）を可能にします。

2. 石英（シリカ）ガラスの中で機能する特異性

　プラセオジム（PDFA）や一部の希土類は、通常の石英ガラスに入れるとガラスの格子振動（フォノン）によってエネルギーが熱に変わって消えてしまう（無放射遷移）ため、特殊なフッ化物ガラスを使う必要がありました。

　しかし、ビスマス活性中心は通常の「石英（シリカ）ガラス」の中でも熱による失活を免れ、効率よく光を放出・増幅できるという極めて珍しい性質を持っています。これが、既存の光ファイバー網とそのまま一体化できる最大の理由です。

3. 誘導放出と広帯域なエネルギー準位

　他の光増幅器（EDFAやPDFA）と同様に、外部から強力な励起光を当てて電子を高いエネルギー状態（反転分布）に引き上げます。そこに信号光が入ってくると、誘導放出が引き起こされ、同じ位相・波長の光がコピーされて信号が増幅されます。

　ビスマスの電子状態は周囲のガラス構造から強い影響（結晶場効果）を受けるため、エネルギー準位が幅広くなりやすく、結果として非常に広い波長帯（Oバンド、Eバンド、Sバンドなど）をまとめて増幅できるという優れた特徴を持ちます。

ビスマス使用の課題はなにか

　ビスマス添加光ファイバー増幅器（BDFA）は、石英系ガラスでOバンドなどの広帯域増幅を実現できる次世代技術として期待されていますが、実用化・商用化に向けては材料物理および製造プロセスの観点からいくつかの大きな課題が存在します。

1. ビスマス活性中心（BAC）の形成・再現性の難しさ

　ビスマスの増幅機能は、特定の原子（アルミニウムやゲルマニウム、リンなど）との組み合わせや、ファイバー製造時の過酷な熱処理条件によって生じる「ビスマス活性中心（BAC）」に依存しています。

• 複雑な多価状態: ビスマスは複数の酸化状態をとりやすく、増幅に寄与しない不要なイオンや失活を引き起こす状態が混在しがちです。
• 制御の難しさ: 均一かつ再現性の高い構造を安定して作るための化学組成および温度制御プロセスが非常にデリケートです。

2. バックグラウンド損失（不必要な光吸収）の大きさ

　既存の通信用石英ファイバーやEDFA（エルビウム）に比べて、非動作時におけるバックグラウンド吸収損失（伝送損失）が依然として大きい点も大きな課題です。

• 増幅に寄与しないビスマス種や熱処理による不完全な結晶欠陥が残存すると、信号光や励起光を余計に吸収・散乱してしまい、増幅器全体の効率（利得効率）が低下します。

3. 温度依存性と熱失活（Qingquen-Off）

• 熱への弱さ: ビスマス活性中心の増幅特性（利得やエネルギー蓄積）は温度変化に比較的敏感です。高温環境下や高出力の励起光を入力した際、熱エネルギーによって励起状態から無放射遷移（熱への逃げ）が起きやすく、増幅性能が低下する傾向があります。
• 安定した稼働のためには高度な温度管理機構（TECモジュールなど）が必要となります。

4. 励起（ポンプ）用半導体レーザー光源の未整備

• 対応波長の課題: BDFAの特定のBACを効率よく励起するためには、例えば1000 nm〜1180 nm帯や1400 nm帯などの特定の波長を持つ高出力半導体レーザーが必要になります。
• 1550 nm帯（EDFA用980 nm / 1480 nm励起）のように成熟・大量生産されてコストが下がっているレーザー光源に比べ、専用の励起光源エコシステムが発展途上であり、システム全体の導入コストを高める要因となっています。

　BDFAの実用化には、「不要なビスマス状態を抑えてBACの濃度を高めるガラス組成・製法技術の確立」と、「熱安定性の改善および専用励起光源の供給網整備」が今後の最大の鍵となっています。