光放大用光纖的製作方法
2023-05-31 01:14:16 1
專利名稱：光放大用光纖的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種芯區摻雜稀土元素的光放大用光纖，還涉及一種光放大器，在該光放大器中將光放大用光纖用作光放大介質。
背景技術：
通常，通過將光放大用光纖用作光放大介質，並且給光放大用光纖提供泵浦光，光放大器可使信號光放大。例如，摻鉺光纖放大器(EDFA)可放大通常用於光通信系統中的1.55μm波帶的信號光，並且該摻鉺光纖放大器安裝在光通信系統中的光中繼器內。
光放大器所要求的特性是其輸出光強度較大，並且光放大用光纖中非線性光學現象的發生不明顯。然而，增加輸出光強度和抑制非線性光學現象的發生是一種相互折衷選擇的關係。日本專利申請公開No.2004-146681中公開的光放大器的意圖在於滿足這兩個要求。
因非線性光學效果而導致的噪聲光發生效率η與光纖長度L的平方成正比，並且與有效芯面積Aeff的平方成反比。光纖長度L、吸收峰值α、以及光纖長度與鉺吸收量的乘積P之間的關係用關係式P＝α×L來表示，並且有效芯面積Aeff與模場直徑(MFD)的平方成正比。這樣非線性噪聲發生效率與P2/(α2×MFD4)成正比。通常在吸收量和光纖長度乘積為預定值的狀態下使用摻鉺光放大用光纖。在該情況下，適合地實現輸出光強度增加和抑制非線性光學現象產生的有效方法是增加芯區的鉺濃度，以及擴大芯直徑。
在鉺濃度增加的情況下，由於鉺原子之間發生結合，並由此引起光強度發生效率降低(濃度消光(concentration quenching))，所以可能無法獲得高的輸出光強度。因此，在高鉺濃度狀態下通常用以抑制濃度消光的方法是增加摻雜物的濃度，例如摻雜除稀土元素以外的鋁(AL)元素等。然而，當鋁元素摻入芯區時，芯區相對於包層區的相對摺射率差增加，這樣使得模場直徑(MFD)減小，從而容易導致非線性光學現象的發生。
這樣，在日本專利申請公開No.2002-043660中公開的光放大用光纖中，除鉺元素和鋁元素之外，還將氟元素摻入芯區。在日本專利申請公開No.2002-043660中公開的光放大用光纖允許在通過增加鉺濃度以增加輸出光強度的同時，通過增加鋁濃度以抑制濃度消光。而且，通過摻雜氟以抑制芯區內相對摺射率差的增加，從而限制模場直徑MFD的降低，由此試圖抑制非線性光學現象的發生。
然而，在日本專利申請公開No.2004-146681和日本專利申請公開No.2002-043660中公開的光放大用光纖中，當試圖增加輸出光強度時，不能充分地抑制非線性光學現象的發生。
發明內容
本發明的目的是提供這樣一種光放大用光纖即，其不僅可以實現增加輸出光強度，而且可以充分抑制非線性光學現象的發生，還提供在其中使用了這種光放大用光纖的光放大器、光源裝置等。
為實現該目的，本發明提供一種光放大用光纖，該光放大用光纖具有(1)芯區，該芯區摻雜有按重量計在1％到10％範圍內的鋁元素、按重量計在1000ppm到5000ppm範圍內的鉺元素，以及氟元素，而且該芯區具有在10μm到30μm範圍內的外徑；以及(2)環繞該芯區的包層區，該包層區具有低於芯區的折射率，其中，該芯區相對於包層區的相對摺射率差大於或等於0.3％，並且小於或等於2.0％。
鉺元素的濃度可以是按重量計為大於或等於2500ppm，並且小於或等於4000ppm。鋁元素的濃度可以是按重量計為大於或等於4％，並且小於或等於8％。氟元素的濃度可以是按重量計為大於或等於0.1％，並且小於或等於2.5％。優選地，氟元素的濃度是按重量計為大於或等於0.3％，並且小於或等於2.0％。芯區相對於包層區的相對摺射率差可以是大於或等於0.3％，並且小於或等於1.0％。
根據本發明的另一方面，提供一種光放大器，該光放大器包括(1)本發明的光放大用光纖；以及(2)向光放大用光纖供給泵浦光的泵浦光供給裝置。
根據本發明的又一方面，提供一種光源裝置，該光源裝置包括(1)用於產生電信號的信號發生器；(2)基於電信號產生雷射束的半導體雷射裝置；以及(3)光纖放大器，該光纖放大器具有本發明的光放大用光纖，並用於放大由半導體雷射裝置發射的雷射束。
根據本發明的另一方面，提供一種光學醫療裝置，該光學醫療裝置包括(1)本發明的光源裝置；(2)波長轉換器，其用於將從光源裝置的出口部分發射的照射光轉換成給定波長的醫療用照射光；以及(3)照射光學系統，其用於將由波長轉換器轉換的照射光引導並照射到治療部位上。
根據本發明的再一方面，提供一種曝光裝置，該曝光裝置包括(1)本發明的光源裝置；(2)波長轉換器，其用於將光源裝置的出口部分發射的照射光轉換成給定波長的照射光；(3)用於保持光掩模的掩模支撐部件，在光掩模中設有預定的曝光圖形；(4)用於保持曝光對象物的保持器；(5)照明光學系統，其利用由波長轉換器轉換的照射光來照射由掩模支撐部件保持的光掩模；以及(6)投影光學系統，利用該投影光學系統，由照明光學系統照射並已通過光掩模的照射光投射到由保持器保持的曝光對象物上。
通過以下的說明書、權利要求書和附圖，本發明這些和其它特徵、方面和優點將更易理解。在附圖的說明中，同一標記應用於相同的元件，並且省略重複的說明。
圖1是根據本發明實施例的光放大器的示意圖。
圖2A和2B是根據本發明實施例的光放大用光纖的示意圖，其中，圖2A是垂直於光軸的平面的截面圖，圖2B是折射率的分布圖。
圖3是顯示當因濃度消光而導致激發效率降低5.0％時，鉺濃度和鋁濃度之間的關係的曲線圖。
圖4是顯示利用相對摺射率差Δn作為參數，鋁濃度和氟濃度之間的關係的曲線圖。
圖5是顯示利用氟濃度作為參數，鋁濃度和非線性噪聲發生效率η之間的關係的曲線圖。
圖6是根據本發明實施例的光源裝置的示意圖。
圖7是根據本發明實施例的光學醫療裝置的示意圖。
圖8是波長轉換器的示意圖，該波長轉換器包含在圖7的光學醫療裝置中。
圖9是包含在圖7的光學醫療裝置中的照明裝置和光學觀察裝置的示意圖。
圖10是根據本發明實施例的曝光裝置的示意圖。
具體實施例方式
光放大器和光放大用光纖的實施例圖1是根據本發明實施例的光放大器的示意圖。光放大器1包括光放大用光纖10、連接光纖20和30、光耦合器40、以及泵浦光源50，該光放大器1將輸入到輸入端1a的光放大，並且從輸出端1b輸出已放大的光。
圖2A和2B是根據本發明實施例的光放大用光纖的示意圖，其中，圖2A是垂直於光軸的平面的截面圖，圖2B顯示了折射率分布圖。光放大用光纖10包含的主成分為石英玻璃，並具有摻雜鉺、鋁和氟元素的芯區11、以及圍繞芯區11的包層區12，包層區12具有比芯區11低的折射率。芯區11可以摻雜GeO2(二氧化鍺)，而包層區可以摻雜氟元素。
芯區摻雜鉺的濃度在1000wt.ppm(1000wt.ppm是指按重量計為1000ppm，以下類同)到5000wt.ppm的範圍內，並且芯區摻雜鋁元素的濃度在1wt％(1wt％是指按重量計為1％，以下類同)到10wt％的範圍內。芯區的外徑在10μm到30μm範圍內，包層區的外徑大於或等於75μm並小於200μm，芯區相對於包層區的相對摺射率差在0.3％到2.0％的範圍(優選的是0.3％到1.0％)內。利用這樣構成的光放大用光纖10，可以進一步增加輸出光強度，並且充分地抑制非線性光學現象的發生。
優選地，光放大用光纖10具有2.0μm或更長的截止波長。芯區摻雜鉺的濃度優選的在2500wt.ppm到4000wt.ppm的範圍內。芯區摻雜鋁元素的濃度優選的在4wt％到8wt％的範圍內。芯區摻雜氟元素的濃度優選的在0.1wt％到2.5wt％的範圍內，以及更優選的在0.3wt％到2.0wt％範圍內。而且，芯區相對於包層區的相對摺射率差優選的在0.3％到1.0％的範圍內。
光放大用光纖10的輸入端1a通過熔片(fusion splice)與連接光纖20連接，並且光放大用光纖10經由連接光纖20與光耦合器40(通常為標準的單模光纖)的輸出端連接。連接光纖20的模場直徑大於光耦合器40的輸出端的模場直徑，而小於光放大用光纖10的模場直徑。
光放大用光纖10的輸出端通過熔片與連接光纖30連接，並且光放大用光纖10經由連接光纖30與輸出端1b連接。輸出端1b通常與標準的單模光纖連接。該連接光纖30的模場直徑大於與輸出端1b連接的光纖的模場直徑，而小於光放大用光纖10的模場直徑。
已輸入到輸入端1a的光經由光耦合器40輸出到光放大用光纖10中，並且已從泵浦光源50輸出的泵浦光經由光耦合器40也輸出到光放大用光纖10中。泵浦光源50輸出1.48μm或0.98μm波長的泵浦光，該泵浦光能夠激發光放大用光纖10中摻雜的鉺。光耦合器40和泵浦光源50構成泵浦光供給裝置，該裝置向光放大用光纖10供給泵浦光。光放大用光纖10中放大的光的波長在1.5到1.6μm範圍內。
光放大器1按如下步驟操作。由泵浦光源50輸出的泵浦光經由光耦合器40和連接光纖20提供給光放大用光纖10，並且激勵摻入光放大用光纖10中的鉺元素。輸入到輸入端1a的光經由光耦合器40和連接光纖20入射到光放大用光纖10中，並在光放大用光纖10中受到光學放大。如此光學放大的光經由連接光纖30從輸出端1b輸出。在現有實施例中，由於使用了連接光纖20和30，所以使得光放大用光纖10的兩端的模場直徑逐步變化。這樣，降低了因模場直徑的不連續性而導致的放大光或泵浦光的損失，並且在該情況下，還可以輸出高強度的光。
圖3是顯示當因濃度消光而導致激發效率降低5.0％時，鉺濃度和鋁濃度之間的關係的曲線圖。在高濃度鉺摻入芯區內的情況下，為了抑制因濃度消光而導致的激發效率的降低，高濃度的鋁元素必須根據鉺的濃度摻入芯區內。為抑制因濃度消光而導致激發效率降低到5.0％或以下，當鉺濃度為1000wt.ppm時，鋁濃度為1％。當鉺濃度為2500wt.ppm、3000wt.ppm、以及3500wt.ppm時，鋁濃度必須分別等於或大於4wt％、5wt％、以及8wt％。
圖4是顯示利用相對摺射率差Δn作為參數，鋁濃度和氟濃度之間的關係的曲線圖。芯區摻雜鋁元素增加了相對摺射率差Δn，並且降低模場直徑MFD，從而容易發生非線性光學現象。因此，摻雜氟元素可以有效地降低折射率差，以便抑制因摻雜鋁元素而增加相對摺射率差Δn。
表I顯示在本發明實施例的實例和比較例中光放大用光纖的詳述(芯直徑dc，鉺濃度CEr，鋁濃度CAl，氟濃度CF，相對摺射率差Δn)。
表I
在所有情況下，包層的直徑是125μm。在此，將比較例2的光放大用光纖的非線性噪聲發生效率定義為1，並以此為基礎，使實例1和2以及比較例1和2中的每個光放大用光纖的非線性噪聲發生效率η標準化。
圖5是顯示利用氟濃度CF作為參數，鋁濃度和非線性噪聲發生效率η之間的關係的曲線圖。在此，芯直徑是17μm。當鋁濃度增加時，非線性噪聲發生效率η增加，而當氟濃度CF增加時，非線性噪聲發生效率η降低。當將鋁濃度相同的實例1和比較例1進行比較時，通過摻雜0.7wt％的氟，非線性噪聲發生效率η提高約10％。
所以，當鋁濃度根據鉺濃度的增加而增加時，通過給芯區摻雜所需量的氟元素，可以抑制芯區相對摺射率差的增加，並且抑制模場直徑MFD的降低，從而可以抑制非線性光學現象的發生。
光源裝置的實施例圖6是根據本發明實施例的光源裝置200的示意圖。該光源裝置200包括本發明的光放大用光纖，該光源裝置200是用於輸出脈衝光的脈衝光源(以下將其稱為脈衝光源)。
脈衝光源200包括用於產生矩形電脈衝信號的脈衝發生器(PG)201、基於電脈衝信號產生矩形光脈衝的雷射二級管(LD)202、偏振控制器(PC)203、第一摻鉺光纖放大器(EDFA 1)204、用於清除放大的自發發射(ASE)光的帶通濾波器(OBPF)205、以及具有本發明的光放大用光纖的第二摻鉺光放大器(EDFA 2)206。
在脈衝光源200中，脈衝發生器201中產生的矩形電脈衝信號通過雷射二極體202轉換成矩形光脈衝。由雷射二極體202輸出的光脈衝經由偏振控制器203輸入到第一摻鉺光放大器(EDFA 1)204中，並且放大該光脈衝以作為放大的脈衝光輸出。由第一摻鉺光放大器(EDFA 1)204放大的脈衝光在帶通濾波器205中被去除ASE光，並且輸入到第二摻鉺光放大器(EDFA 2)206中進行放大，以便輸出高峰值功率的脈衝光。
這樣，利用脈衝光源200可以抑制非線性光學現象的發生，並可以獲得高輸出功率的脈衝光，該脈衝光源中的第二摻鉺光放大器(EDFA 2)206採用本發明的光放大用光纖。
以下是對利用本發明的脈衝光源200的光學醫療裝置和曝光裝置進行的描述。
光學醫療裝置的實施例接著，參考圖8到10，對根據本發明實施例的光學醫療裝置進行如下描述。根據本發明的光學醫療裝置包括脈衝光源200。該光學醫療裝置是通過矯正角膜的曲度或不均勻度對近視和散光等進行治療的一種裝置，該裝置是以這樣的方式進行治療的即，通過對角膜發射雷射束，藉助應用於切開角膜的內部切除術(LASIKLaserIntrastromal Keratomileusis準分子雷射角膜切削原位磨鑲術)，或藉助應用於角膜表面的表面切除術(PRKPhotorefractiveKeratectomy準分子雷射角膜切削術)。
圖7是根據本發明實施例的光學醫療裝置300的示意圖。該光學醫療裝置300在裝置外殼351內主要包括脈衝光源200；波長轉換器360，其將通過脈衝光源200放大和輸出的雷射束轉換成具有希望波長的雷射束；照明裝置370，其對波長已受到波長轉換器360轉換的雷射束進行引導，以便照射到眼睛EY的角膜HC的表面上(治療區)；以及用於觀察治療區域的光學觀察裝置380。該裝置外殼351的底部352設置在X-Y移動平臺353上，以便整個裝置外殼351可以沿X方向即圖7的左右方向移動，以及沿垂直於紙面的Y方向移動。
圖8是包含在光學醫療裝置300中的波長轉換器360的示意圖。該波長轉換器360具有非線性光學晶體361、362、363以及布置在光學晶體之間的聚光透鏡364和365。從脈衝光源200的輸出端347輸出的雷射束(基波分量)通過非線性光學晶體361、362和363，轉換成具有治療用的所希望的波長的雷射束(諧波分量)。在該實施例中，基波分量的波長是1.544μm，適於角膜治療的諧波分量是具有與氬氟準分子雷射器相同波長的紫外線光(193nm)。由波長轉換器360輸出的諧波分量的脈衝振動的重複頻率極高，即100kHz。
當基波分量通過非線性光學晶體361時，由於第二諧波的產生而產生具有頻率為基波分量的頻率ω兩倍的雙波(波長是1/2，例如，772nm)。第二諧波朝著右側方向前進，並且入射到下一個非線性光學晶體362中。在此，再次產生第二諧波，從而產生4倍波，該4倍波具有頻率4ω，它是基波分量的四倍(波長是1/4，即386nm)，也即入射波的頻率2ω的兩倍。第四諧波朝著非線性光學晶體363向右前進，並且在此再次產生第二諧波分量，以便產生具有頻率8ω的8倍波，該8倍波是入射波的頻率4ω的兩倍，即基波分量的頻率的八倍(波長是1/8，即193nm)。
用於轉換波長的非線性光學晶體例如分別是用於非線性光學晶體361和362的LiB3O5(LBO)晶體，和用於非線性光學晶體363的Sr2Be2B2O7(SBBO)晶體。在此，在利用LBO晶體將基波分量轉換成第二諧波的過程中，控制LBO晶體的溫度，以便基波分量和第二諧波分量滿足相位匹配條件。這樣做是有利的，這是由於不會發生基波分量和第二諧波分量之間的角偏差(離散walk-off)，因而可以高效率地實現第一諧波向第二諧波的轉換，還由於如此產生的第二諧波未受到因離散而產生的光束變形的緣故。
圖9是包含在光學醫療裝置中的照明裝置370和光學觀測裝置380的示意圖。該照明裝置370包括聚光透鏡371，其用於使由波長轉換器360進行波長轉換而獲得到的193nm波長的雷射聚光成細光束；分色鏡372，其用於將如此獲得的雷射束反射並照射到治療對象例如眼睛EY的角膜HC的表面上。這樣，雷射束作為點光照射在角膜HC的表面，以便實施該部分的蒸散(transpiration)。在該情況下，整個裝置外殼351在X-Y移動平臺353上沿X方向和Y方向移動，以便照射在角膜HC的表面上的雷射射束點掃描移動，以在角膜表面執行切除手術，從而對近視、散光、遠視等進行治療。
這種治療的操作是這樣進行的即，諸如眼科醫生等的操作人員通過光學觀察裝置380進行目視觀察，同時控制X-Y移動平臺353的操作。光學觀察裝置380包括照明燈385，其用於對待治療的眼睛EY的角膜HC的表面進行照明；物鏡381，其接收由照明燈385照明而來自角膜HC並透過分色鏡372的光；稜鏡382，其用於反射從物鏡381入射的光；以及目鏡383，其用於接收由稜鏡382反射的光。這樣，通過目鏡383可以觀察到角膜HC的放大圖像。
曝光裝置的實施例圖10是根據本發明實施例的曝光裝置400的示意圖。曝光裝置400用於光刻工藝並包括脈衝光源200，光刻工藝是半導體製造工藝中的一種。用於光蝕刻工藝的曝光裝置理論上與照相製版相同，精確地畫在光掩模(中間掩模)上的器件圖形被光照射並轉印到塗有光刻膠的半導體片或玻璃基板上。曝光裝置400包括上述脈衝光源200、波長轉換器401、照明光學系統402、用於支撐光掩模(中間掩模)410的掩模支撐臺403、投影光學系統404、用於支撐半導體片415的載置臺405，以及用於水平移動載置臺405的驅動單元406。
在曝光裝置400中，由脈衝光源200的輸出端輸出的雷射束輸入到波長轉換器401，以轉換成具有曝光半導體片415所需的波長的雷射束。經這樣波長轉換的雷射束輸入到由若干透鏡組成的照明光學系統402中，並且由照明光學系統402照射到由掩模支撐臺403支撐的光掩模410的整個表面上。如此照射並穿過光掩模410的光具有繪製於光掩模410上的器件圖形的圖像，並且該照射光經由投影光學系統404照射在載置臺405上載置的半導體片415的預定位置處。接著，通過投影光學系統404使光掩模410上的器件圖形的圖像縮小，以在半導體片415上成像並曝光。
儘管本發明結合目前被認為最實用的和優選實施例進行了描述，但本發明並不限於公開的實施例，相反，本發明其本意在不超出本發明的實質和附屬權利要求保護範圍的前提下覆蓋各種不同的修改和等同變化。
2005年5月18日提交的日本專利申請No.2005-145663公開的全部內容，包括說明書、權利要求書、附圖和摘要，在此通過引用的方式併入本文。
權利要求
1.一種光放大用光纖，包括(1)芯區，其摻雜有按重量計在1％到10％範圍內的鋁元素、按重量計在1000ppm到5000ppm範圍內的鉺元素，以及氟元素，並且所述芯區具有在10μm到30μm範圍內的外徑；以及(2)包層區，其環繞所述芯區，並且具有低於所述芯區的折射率，其中，所述芯區相對於所述包層區的相對摺射率差大於或等於0.3％，並且小於或等於2.0％。
2.如權利要求1所述的光放大用光纖，其中，所述鉺元素的濃度是按重量計為大於或等於2500ppm，並且小於或等於4000ppm。
3.如權利要求1所述的光放大用光纖，其中，所述鋁元素的濃度是按重量計為大於或等於4％，並且小於或等於8％。
4.如權利要求1所述的光放大用光纖，其中，所述氟元素的濃度是按重量計為大於或等於0.1％，並且小於或等於2.5％。
5.如權利要求4所述的光放大用光纖，其中，所述氟元素的濃度是按重量計為大於或等於0.3％，並且小於或等於2.0％。
6.如權利要求1所述的光放大用光纖，其中，所述芯區相對於所述包層區的相對摺射率差大於或等於0.3％，並且小於或等於1.0％。
7.一種光放大器，包括(1)如權利要求1所述的光放大用光纖；以及(2)泵浦光供給裝置，其用於向所述光放大用光纖供給泵浦光。
8.一種光源裝置，包括(1)信號發生器，其用於產生電信號；(2)半導體雷射裝置，其基於所述電信號產生雷射束；以及(3)光纖放大器，其用於放大由所述半導體雷射裝置發射的雷射束，其中，所述光纖放大器包括權利要求1所述的光放大用光纖。
9.一種光學醫療裝置，包括(1)如權利要求8所述的光源裝置；(2)波長轉換器，其用於將從所述光源裝置的出口部分發射的照射光轉換成給定波長的醫療用照射光；以及(3)照射光學系統，其用於將由所述波長轉換器轉換的照射光引導並照射到治療部位上。
10.一種曝光裝置，包括(1)如權利要求8所述的光源裝置；(2)波長轉換器，其用於將所述光源裝置的出口部分發射的照射光轉換成給定波長的照射光；(3)掩模支撐部件，其用於保持光掩模，在所述光掩模中設有預定的曝光圖形；(4)保持器，其用於保持曝光對象物；(5)照明光學系統，其將由所述波長轉換器轉換的照射光照射在由所述掩模支撐部件保持的光掩模上；以及(6)投影光學系統，利用所述投影光學系統，將由所述照明光學系統照射並已通過所述光掩模的照射光投射到由所述保持器保持的曝光對象物上。
全文摘要
本發明提供一種光放大用光纖，該光放大用光纖不僅可以實現增加輸出光強度，而且可以充分抑制非線性光學現象的發生。另外，本發明還提供其中採用該光放大用光纖的光放大器和光源裝置。光放大用光纖包括(1)芯區，該芯區摻雜有按重量計為1％到10％範圍內的鋁元素，按重量計為1000ppm到5000ppm範圍內的鉺元素，以及氟元素，並且該芯區具有在10μm到30μm範圍內的外徑；以及(2)環繞芯區的包層區，該包層區具有低於芯區的折射率，其中芯區相對於包層區的相對摺射率差大於或等於0.3％，並且小於或等於2.0％。
文檔編號H01S5/00GK1866065SQ20061007825
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月18日 優先權日2005年5月18日
發明者春名徹也, 樽稔樹, 大西正志, 角井素貴, 石川真二 申請人:住友電氣工業株式會社