用於光放大器的光纖的製作方法

2023-10-07 03:54:49 2

專利名稱：用於光放大器的光纖的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於光放大器的光纖，更涉及一種用於具有改善的光放大效率的光放大器的光纖。
一般而言，在具有1310nm波長區域(該區域屬於二氧化矽玻璃的零色散波長範圍)的光放大器的生產中，用作稀土元素的釹離子(Nd+3)和鐠離子(Pr+3)被注入到玻璃中。然而，使用Nd+3產生下面的問題。
簡而言之，在4F3/2→4I13/2躍遷中產生的螢光峰值波長是1.35μm，遠遠大於零色散波長。同在4F3/2能級的其它波長範圍890nm和1064nm相比，1.3μm波長範圍的螢光強度非常弱。另外，由於在4F3/2能級的激發態吸收(ESA)在低於1.3μm的波長的光增益顯著降低。
為了解決這些問題，已經提出了一種使用富含氟化物的玻璃代替二氧化矽玻璃作為基質材料的方法。然而，這一方法在1310nm的波長範圍光增益不能得到很大的改善。
同時，當使用用於摻雜玻璃的稀土元素Pr+3時，可以使用在1G4→3H5躍遷中發出的螢光。另外，在此能級的躍遷概率比其它能級高得多，這樣在從1G4到3H5能級躍遷時就期望有高的光放大效率。
然而，在實際應用Pr+3中，在1G4能級和緊接在1G4能級下的3F4能級之間的能級距離小到3000cm-1。因此，當使用有高晶格振動能量(＞800cm-1)的氧化物玻璃時，由於多晶格振動馳豫Pr+3非輻射躍遷到1G4能級的概率大大增加，從而降低光放大效率。
為了解決這一問題，美國專利5,379,149公開了一種使用鍺-鎵-硫(Ge-Ga-S)玻璃作為基質材料的方法。這裡，Ge-Ga-S玻璃的晶格振動能量比傳統的氧化物玻璃或氟化物玻璃小，這樣就預期在1310波長範圍的光放大效率提高。
然而，同在

圖1的GeS2-Ga3S3的相圖中表示的化學計算組分線LGeS2-Ga3S3相比，Ge-Ga-S玻璃含多餘的硫(S)。另外，當使用組分的典型例子Ge25Ga5S70玻璃時，同已被常規方法採用的Ge-S，As-S，Ge-As(P，Sb)-S玻璃相比，Pr+3的溶解度較高。然而，假如加入高濃度的Pr+3時，由於Pr+3離子的聚集在離子之間的能量傳遞速率就顯著增加，這樣除了降低光放大效率外，在1G4能級的螢光壽命也縮短了。
本發明的一個目的是提供一種用於光放大器的光纖，在添加高濃度的Pr+3時通過抑制Pr+3離子的聚集改善光放大效率。
根據本發明的一個方面，提供了一種用於光放大器的光纖，該光纖通過把稀土元素和一種比GeS2-Ga3S3化學計算組分線含硫少的鍺-鎵-硫(Ge-Ga-S)玻璃摻雜，還包括基於Ge-Ga-S玻璃0.1到10原子百分比的滷素。優選地，鎵的量等於或少於10摩爾百分比，硫的量少於70摩爾百分比。如果Ga或S的含量不在上述範圍之內，增加光放大效率的效果就微不足道了。另外，可以使用任何稀土元素而不受限制，而且優選地，用Pr+3作稀土元素。可以將稀土元素至少與鐿(Yb)、釹(Nd)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鉻(Cr)和錳(Mn)之一一起注入玻璃中，從而增加光放大效率。另外，在多波長範圍可以同時放大光。
附圖簡述參照附圖，通過詳細描述其中優選的實施方案本發明的上述目標和優點將變得更加明顯，其中圖1是鍺(Ge)、鎵(Ga)、硫(S)的相圖，其中陰影部分是常規的玻璃組分範圍。
圖2是鐠離子(Pr+3)的能級圖。
圖3是Ge、Ga和S的相圖，其中陰影部分是根據本發明的玻璃組分範圍。
圖4是表明一般的光放大器結構的示意圖。
圖5是表明在實施例和對比例中製造的光纖的受激輻射橫截面與波長的關係圖；和圖6是用差示掃描熱量儀測量的在實施例和對比例製造的光纖熱流與溫度的關係圖。
本發明的特點是調節鍺-鎵-硫(Ge-Ga-S)玻璃的組分，以使硫(S)含量比GeS2-Ga3S3化學計算組分線(圖3)含的硫少，並加入滷素改善Ge-Ga-S化合物形成玻璃的能力。
根據本發明的原理，Pr+3在1G4能級激發的非輻射躍遷作為影響Pr+3在1G4能級的螢光壽命和光放大效率的關鍵因素，其中激發的Pr+3以不同於光的形式輻射。Pr+3的非輻射躍遷分為多晶格振動馳豫和在Pr+3離子之間的能量傳遞。這裡，由玻璃晶格振動能量引起多晶格振動馳豫，它是由於在是一種亞穩能級的1G4能級和緊在1G4能級之下的3F4能級之間的能級距離小而產生的。
通常，當在1G4能級的Pr+3電子光放大效率密度降低時，光放大效率也降低。產生這一現象的原因，在圖2表示，是在1G4能級激發的Pr+3吸收其它臨近Pr+3的能量，這樣Pr+3就激發到1D2能級(向上轉化的躍遷)，在基態能級3H4的P+3吸收其它在同樣能級的臨近Pr+3的能量並激發到3F2能級(交叉躍遷)，在1G4能級激發的Pr+3躍遷到3H2能級(交叉馳豫)。在Pr+3之間的能量傳遞速率取決於在離子間的距離。這一關係將在假設在Pr+3之間的能量傳遞機制是由於在Pr+3之間是電穩定相互作用的情況下描述。
簡而言之，能量傳遞速率各與在偶極子-偶極子相互作用中的離子之間的距離的六次方成反比，與在偶極子-四元子相互作用中的離子之間的距離的八次方成反比，與在四元子-四元子相互作用中的離子之間的距離的十次方成反比。因此，添加的Pr+3聚集在一起，這樣它就不均勻地分布，在基質中，同假設Pr+3均勻分布的狀態相比在離子間的能量傳遞速率非常高。結果，光放大效率顯著降低。
另外，為了平均分布在基質中的Pr+3，在玻璃基質中應用Pr+3的極限必須非常高。
根據一篇名為「稀土摻雜的硫族玻璃的合成和特性」(1994)的論文，K.Wei報導當Ge-S、As-S、或Ge-As(P，Sb)-S玻璃具有化學計量的組分或在化學計量的組分中含更多的硫，稀土元素相對於這種玻璃的溶解度在每一百萬份(ppm)中不大於幾百份。因此，如果添加的稀土元素過剩，由於稀土離子的聚集就沉積細微的結晶，造成失去透明性。
相反地，當Ge-S、As-S、或Ge-As(P，Sb)-S玻璃含有少於化學計量的組分的硫，稀土元素的溶解度增加到每一百萬份中有幾千份。因此，可以認為硫的含量和玻璃的結構彼此密切相連。
這就是說，當硫的含量低於化學計量組分時在正離子間存在金屬鍵，作為能增加稀土離子溶解度的關鍵因素。
本發明通過減少由於在離子間傳遞的能量造成的非輻射躍遷概率、通過使在Ge-Ga-S玻璃中的Pr+3離子儘可能分布均勻而改善光放大效率。
然而，當Ge-Ga-S玻璃含有少於化學計量的組分的硫，可以產生下列問題。
首先，在正離子之間的金屬鍵將玻璃的傳輸閾值波長遷移到波譜的近紅外區，這樣光激發源的波長能被基質玻璃自身吸收或基質材料能通過吸收光激發源而被破壞。第二，因為硫含量降低，玻璃形成能力降低。
為了避免上述問題，在本發明中向Ge-Ga-S玻璃中添加滷素。優選地，滷素是溴(Br)或碘(I)。當加入Br或I，就能獲得Ge-Ga-S-Br或Ge-Ga-S-I玻璃。加入這種滷素在穩定Ge-Ga-S玻璃的結晶方面是有利的，在這種玻璃中，吸收帶遷移到短藍波長範圍。
另外，基於Ge-Ga-S玻璃優選加入0.1-10原子百分比量的滷素。假如滷素含量超過10原子百分比，光放大效率就降低。相反地，假如滷素的含量低於0.1原子百分比，玻璃形成能力不合需要地降低。
在下文中，將參照圖4描述採取通過本發明的優選實施方案將Pr+3與Ge-Ga-S玻璃摻雜形成的光纖的光放大器。
參照圖4，光放大器40包括一個用來耦合在光纖43的泵射和光纖44的輻射的色散耦合器41，一個通過將Pr+3與Ge-Ga-S玻璃摻雜形成的光纖42，和一個防止背射的法拉第隔離器45。這裡，色散耦合器41將在光纖43和44約90％的輻射耦合進光纖42，其中剩下的10％耦合進光纖47用於監控目的。最後具有上述結構的光放大器40輻射出在1310nm波長放大的光46。
根據本發明的光纖可以用於光生成設備例如雷射諧振器和超發光設備。
在下文中，將詳細描述本發明的實施例。然而，這些實施例僅僅是說明性的，本發明並不局限於此。
實施例使用純度99.999％或更高的Ge、Ga和S製備Ge32Ga5S62.5基質和Ge28.3Ga10S61.7基質。這時，基於Ge32Ga5S62.5基質和Ge28.3Ga10S61.7基質加入5000ppm的Pr+3和5原子百分比的溴(Br)。
將合成物進行稱量，其中每個批次的規模是10g，在充滿高純度氬(Ar)氣的手套式操作箱操作，並裝入二氧化矽玻璃安瓿瓶中。然後，將安瓿瓶在真空下密封，然後把得到的安瓿瓶在轉動式爐中950℃下放置12小時，再後在空氣中淬火。將所得到的結構在接近玻璃轉化溫度下加熱，就得到光纖。
對比例以實施例同樣的方式製造光纖，除了用Ge25Ga5S70代替Ge32Ga5S62.5基質和Ge28.3Ga10S61.7基質，並且不加入Br。
測定在實施例和對比例製造的光纖在1310nm的波長範圍的受激輻射橫截面和在1G4能級的Pr+3螢光壽命。結果見表1。
使用數字示波器測定螢光壽命(τ測定值)，定義為螢光密度達到起始能級的螢光強度的l/e的時間點，假設只有電子躍遷產生的輻射躍遷產生，螢光壽命((τR計算值)定義為螢光密度達到起始能級的螢光強度的l/e的時間點。另外，把量子效率(η)定義為螢光壽命測定值與計算值的比。
這裡，使用一個具有1020nm波長的Ar+1雷射-受激鈦(Ti)-藍寶石雷射作光激發源，使用光源將Pr+3激發到1G4能級。然後，將產生的螢光用1/4m雙單色光源通過波長屏蔽，並用InGaAs PIN光檢測器檢測。另外，將檢測的螢光在與計算機連接的放大器中利用擺動進行分析。
表1
如表1所示，在對比例中處於1G4能級的Pr+3的螢光壽命是123μs，其量子效率是16％。然而，同對比例形成對照，在實施例中處於1G4能級的Pr+3的螢光壽命增加到160μs，其量子效率增加到31％。
從上述結果推斷為硫的含量降低到與Pr+3相同的濃度，Pr+3離子的聚集受到抑制，這樣由在離子間的能量傳遞產生的非輻射躍遷就降低。
另外，當設計一個光放大器或雷射諧振器時，光激發源的極限能級就非常重要。一般而言，光激發源的極限能級與受激輻射橫截面的螢光壽命乘積成反比。
參照圖5，在實施例中1.3μm的受激輻射橫截面是9.92×10-21cm2，比在對比例中的6.78×10-21cm2大。產生這一現象的原因被認為是在含硫不足的玻璃中1G4→3H5的躍遷概率增加。
象從結果中可以推斷的那樣，當在Ge-Ga-S玻璃的硫含量比化學計量的組分降低時，在1G4能級的Pr+3的螢光壽命和在1.3μm的受激輻射橫截面都增加，因此改善了光放大效率。
圖6表示的是在實施例和對比例中製造的光纖玻璃轉變溫度和結晶溫度，使用差示掃描熱量儀(DSC)分析。一般而言，玻璃的結晶穩定性與結晶溫度(Tx)和玻璃轉變溫度(Tg)的差(ΔT)成正比。
在實施例中製造的光纖的ΔT是151℃，比在對比例中製造的光纖的ΔT 118℃高。象從結果中可以推斷的那樣，在實施例中製造的光纖比在對比例中製造的光纖在結晶穩定性上提高，這樣能顯著降低在光纖製造中可能產生的由結晶造成的光損失的可能性。
如上所述，當象本發明中這樣通過用Pr+3摻雜玻璃製造用於光放大器的光纖時，在1G4能級的螢光壽命和光學增益就增加，因而提高了在1310nm波長的光放大效率。
在參照其優選實施例特別說明和描述本發明時，應當明了本領域技術人員可以在其中進行多種形式和細節的改變，而不脫離在附加的權利要求書詳細說明的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於光放大器的光纖，其特徵在於，該光纖通過把稀土元素和一種比GeS2-Ga3S3化學計算組分線含硫少的鍺-鎵-硫(Ge-Ga-S)玻璃相摻雜，還包括基於Ge-Ga-S玻璃0.1到10原子百分比的滷素。
2.權利要求1的光纖，其特徵在於，稀土元素是鐠離子(Pr+3)。
3.權利要求1的光纖，其特徵在於，滷素是溴(Br)或碘(I)。
4.權利要求1的光纖，其特徵在於，鎵的量等於或少於10摩爾百分比。
5.權利要求1的光纖，其特徵在於，硫的量少於70摩爾百分比。
6.權利要求1的光纖，其特徵在於，將稀土元素至少與選自鐿(Yb)、釹(Nd)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鉻(Cr)和錳(Mn)之一一起摻雜。
全文摘要
一種用於光放大器的光纖。該光纖通過把稀土元素和一種比GeS
文檔編號H01S3/067GK1251916SQ9912167
公開日2000年5月3日 申請日期1999年10月13日 優先權日1998年10月13日
發明者許鍾, 慎容範, 樸世鎬, 鄭善太, 金賢洙 申請人:三星電子株式會社