CN1119052A - 用于波长范围约1300nm左右的光纤放大器的光波导 - Google Patents

用于波长范围约1300nm左右的光纤放大器的光波导 Download PDF

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Abstract

人们需要一种用于传输信息的、适用于1300nm附近波长的光纤放大器。用于该放大器光波导(10)的基础物质是二氧化硅。通常用作期望波长范围的掺杂剂钕和镨不适合，因为它们不能获得要求的放大。根据本发明，钕和镨与氟结合使用，优选以化合物NdF3或PrF3的形式。在一个优选生产方法中，由NdF3和另一种化合物，如AlF3形成一种容易汽化的络合物，汽化形式的络合物进入基体并由汽相沉析在基体上。

Description

用于波长范围约1300nm左右的 光纤放大器的光波导
根据专利权利要求1的特征部分，本发明涉及一种光波导。具有其所述特征的光波导在多种情况下均是已知的，例如从通信报导6(1983)增刊：＂Communication BY Means of Light，＂P29—35中获知。这种结构和组成的光波导可以用作为光通信技术的传递介质。
由1991年2月Journal of Lightwave Technology，Vol.9No.2，P220—227中可以获知如果光波导的芯含有Er作为激光活性物质，则用这种光波导可以将波长范围在1530nm左右的光放大。以此为基础，在波长范围在1530nm左右的系统中光纤放大器获得了成功运用
但是波长范围在1300nm左右时则是完全不同的一回事：正如在出版物PD12/1到PD12/4，OFC/IODC，‘93，2月21—26，1993，San Jose Convention Cener，San Jose California的导言部分中所指出的那样，在该波长范围下至今尚没有实用可靠的光纤放大器存在。1300nm的波长范围可用于在目前装配的许多光学通信系统中，其优点在于开头部分所述的这种光波导的传递性能在1300nm范围内要比在1500nm范围更好，例如这种光波导的色散在1310nm左右为最小。因此，人们需要有一种光波导来用于放大波长范围在1300nm左右的光。
在上面所述的出版物中所提到的用于1300nm范围的光纤放大器中，采用用Pr掺杂的氟化物光纤的放大器被认为是最有前途的。但是，正如我们从＂Lasers and Optronics＂，1991年8月，P43—46，特别是P44右栏中所了解的，利用氟化物玻璃作为基础物质的光波导与采用二氧化硅作为基础物质的光波导相比具有很大的缺点，这是因为前者强度低、吸湿而且不能通过熔合而与SiO2光波导接合。对于含有Nd—氟化物光纤的光纤放大器来说也存在同样的问题。
因此人们希望有一种波长范围为1300nm、具有二氧化硅作基础物质的放大光波导。由上面所提及的出版“Journal of lightWave Technology”，P220左栏可以得知用Nd掺杂基础二氧化硅物质以获得一种适用于1300nm波长范围的光纤放大器是一种不现实的想法，其原因在于在该波长下，效果受到在激发条件下的吸收的有力限制。
本发明的任务是提供一种适用于1300nm波长范围的放大器光波导。
在权利要求1中描述了采用Nd作掺杂剂的该任务的一种解决方案。在权利要求2中描述了采用Pr作掺杂剂的另一种解决方案，在从属权利要求中则描述了进一步的进展。用于制备这种新型光波导的好方法则是权利要求6—9的主题。本发明的一个方面是该新型光波导还产生了一种新型光纤放大器，这是权利要求9的主题。
现在通过附图对本发明作详细描述。
图1是用于约1300nm波长范围的光纤放大器，它采用该新型光波导作为放大光波导，以及
图2是用来实施优选的用于制备该新型光波导的方法的一种装置。
图1中参考数字10代表光纤放大器的一种示意性的放大器—光波导。在接合点11和12处，它与光波导13相连，光波导13传导要放大的光输入信号，或者它与光波导14相连，光波导14传导该光纤放大器的经过放大的光输出信号。正像光纤放大器常用的那样，设置一种抽运光源15，在所示的情况下，该光源通过耦合器16而与光波导13耦合相连。正像在这类描述中常见的那样，放大器—光波导10以粗线画出，使之与普通光波导13和14区分开，尽管它具有一样的直径。经过这种光纤放大器的光的波长在1300nm范围内，在输入及输出处描述了一种数字信号，在输出处该信号以放大的信号形式表示。
本发明的基础在设计成用于1300nm范围的放大光波导的光波导具有下列组成：
二氧化硅是整个光个波导的基础物质，像常规的那样，该光波导的芯根据本发明含有用于增加折射率的掺杂剂，如GeO2，以及附加的Nd和氟。包皮的组成是不重要的。重要的是钕与氟结合起来，即钕被氟离子包围。氟离子可以不被氧离子置换。钕和氟介质使钕具有所需的激光特性，它是将波长范围为1300nm的光放大所需要的。使氟包围钕的一种可能是使芯含有NdF3化合物形式的Nd和F。
该芯还可以含有镨(Pr)以代替钕。它同样由氟包围Pr，并且对于镨来说，芯含有PrF3化合物形成的Pr和F也是有利的。
如果在采用二氧化硅作为基础物质的光波导的芯中能将钕与氟或者镨与氟结合在一起，则可以采用任何一种方法来制备本发明的光波导。
举例来说，可以将气态BF3引导通过加热的NdF3粉末，由此将NdF3输送到其在基体上所沉析的位置，从而用NdF3掺杂SiO2物质。
在特别好的方法中，NdF3或PrF3作为与另一种气态组合物的络合物和产生芯物质的化学汽相反应的输出物质一起被携带到靠近基体的地方，从而使其可以与该化学汽相反应产物一起沉积在基体上。该化学汽相反应可以在一种基体管中进行，例如采用已知的MCVD法，从而在里面涂覆该基体。这种方法在下文中将作为用于沉析化学汽相反应的方法的一个例子而进行解释。
作为这种MCVD法的一个替换(在该法中基体是在内部涂覆的石英管)，还可以采用在外面涂覆的棒形心轴作为基体管来进行该方法，也可以将该基体管作为绕其轴旋轴的一个基础，在该基础上，通过沿轴向方向用化学汽相反应进行涂覆而产生玻璃芯料以及可能的玻璃皮料。从上面所述的通信报导出版物中可以获知通过化学汽相反应的沉析方法的这三种已知变化形式的基本原则。
对于优选的制备这种新型光波导的方法来说，最重要的是将NdF3或PrF3与另一种合适的化合物以及用来制备玻璃芯料的化学汽相反应的输出物质一起导向基体，从而使其与该化学汽相反应的产物一起沉析在基体上。
对于优选的制备这种新型光波导的方法来说，最重要的是将NdF3或PrF3与另一种合适的化合物以及用来制备玻璃芯料的化学汽相反应的输出物质一起导向基体，从而使其与该化学汽相反应的产物一起沉析在基体上。
在下面所述的合适方法的结构例子中，所提及的其它化合物为三氟化铝(AlF3)。三氟化铝是一种适合与NdF3或PrF3形成络合物的化合物，该络合物比NdF3或PrF3具有明显低的汔化温度。也可以用三氟化镧(LaF3)来代替三氟化铝，或者采用任何其它的化合物，只要它能形成具有明显低的汽化温度的络合物。当采用AlF3或LaF3时，所得到的光波导除了至今所述的组分以外还以AlF3或LaF3化合物的形式含有其它组分Al或La。这些组分是制备方法的结果，它们不能达到所需的光学性能
下面内容对于光学性能来说是必需的：芯含有聚集在SiO2基质中的钕或镨，它具有均匀覆盖，1280—1330nm范围的荧光带。钕或镨总是被氟包围。在采用1330nm范围的光波导通信系统中可以直接采用具有这种芯的放大器—光波导。
下面通过图2来描述优选方法的一个结构实例，图2表示实施该方法的一种装置。
放大型光波导的制备是以这样一种方式根据MCDV法用一种光波导预制件开始的，即将通常由石英玻璃制成的一种旋转基体管夹持在玻璃车床中，在那里在几个来回中在其上涂覆人造玻璃包皮或芯层。用于包皮或芯层的输出物质以气体形成导入基体管中。持续的利用氢氧气体吹管的沿长度方向的加热使该基体管通过从化学汽相反应沉析而在该基体管的内壁上产生预定厚度的连续的人造玻璃层。该基体管的长度一般为1250mm，用于制造人造玻璃层的输出物质例如是四氯化硅(SiCl4)、四氯化锗(GeCl4)、三氯氧磷(OPCl3)以及还可以是与氧及氦一起的六氟已烷(C2F6)。
图2表示部分用于实施本发明方法的装置，该部分装置夹持在玻璃车床中。该装置含有左端直径较大的管1，其直径大致和基体管5的直径相当。大约在总长度约为350mm的该装置的中间处管1变细为直径较小的管2。管2被另一个直径较大的管3包围，管3左端封闭，并与管1相连，它含有一个旋转对称的放大部分4。
要涂覆的基体管5与管3的右端溶合，其长度便如为900mm，该装置的左端即管1可以在玻璃车床6中旋转并且由装置7驱动。
当该装置操作时，用来实施本发明方法的物质包含在放大部分4中，即作为络合助剂的氟化铝(AlF3)和氟化钕(NdF3)包含在放大部分4中，氟化稆和氟化钕输出物质可以以粉末形式获得。
它们以3—4比1(3—4份AlF3比1份NdF3)的比例填充到该放大部分中。放大部分4以及包含在其中的物质在该方法的这个阶段中不加热。放大部分4以及包含在其中的物质只在制备掺杂稀土元素的芯层时才被加热到1400℃。
当将三氟化铝和三氟化钕的混合物加热时，两者形成含在相当大的蒸汽压力的络合物，该压力足以将汽化的络合物导入基体管中。
三氟化钕的熔点在2000℃以上，将该化合物加热到1300℃的温度不会产生足以将汽化合物导入基体管的蒸汽压力。
由该混合物产生的络合物(其化学计量估计为3(AlF3)×NdF3)与SiCl4、GeCl4、氧气、氦以及可能还有六氟已烷一起进入基体管，在基体管中，该络合物以受控的“热电泳”(＂thermophoretic＂)方式而掺入位于燃烧器后面的氧化物物料中。对于该络合物(也可以称为氟—络合物)来说重要的是可以被掺入；该氟离子不会被离子取代。
当采用所述的方法来制备带有掺杂NdF3或PrF3或这两种物质的芯层的光波导预制件时，被证明适用的一种做法是在掺杂NdF3或PrF3的芯层制成之后制备另一种芯层，而无需在后面的一个步骤中进行掺杂，而后在该基体管踏陷之前通过例如用六氟乙烷进行蚀刻除去第一种和第二种芯层总厚度的约70％。结果获得特别纯的芯层，它具有确定的矩形芯料曲线。

Claims (9)

1.一种光波导，它由作为基础物质的二氧化硅制成，具有芯及包皮，其中该芯含有一种或多种增加折射率的掺杂试剂，其特征在于该芯另外还含有钕和氟。
2.一种光波导，它是由作为基础物质的二氧化硅制成，具有芯和包皮，其中该芯含有一种或多种增加折射率的掺杂试剂，其特征在于该芯另外还有镨和氟。
3.权利要求1或2中所述的光波导，其特征在于该芯含有作为化合物NdF3或PrF3的钕或镨。
4.在前面权利要求中的一个所述的光波导，其特征在于该芯还含有铝或镧，或一种能形成与NdF3或PrF3形成络合物的元素，该络合物的汽化温度低于NdF3或PrF3的。
5.权利要求4所述的光波导，其特征在于该芯含有作为化合物AlF3或LaF3的铝或镧。
6.制备根据前面权利要求中的一个的光波导的方法，其中该芯料以及可能还有皮料是通过在基体上由化学汽相反应进行沉析而产生的，并且在那里将所产生的物质进一步加工成光波导，其特征在于氟化钕(NdF3)或氟化镨(PrF3)与另一种化合物形成络合物，并且将该络合物以气体形式与该化学汽相反应的输出物质一起输送到基体上，从而使该化学汽相反应的产物和该络合物沉析在该基体上。
7.权利要求6所述的方法，其特征在于三氟化铝(AlF3)或三氟化镧(LaF3)或另一种化合物被用作与NdF3或PrF3形成络合物的化合物，该化合物的汽化温度明显低于NdF3或PrF3的。
8.权利要求6或7所述的方法，其中采用石英管作为基体，化学汽相反应的输出产物被导入基体管中，其特征在于该化学汽相反应的输出产物与汽化的络合物一起被导入该基体管中，从而通过沉析该化学汽相反应的产物及该络合物而在内部涂覆该基体管，并且经过内部涂覆该基体管被进一步以已知的方式加工成光波导。
9.利用光波导(10)作为放大部件的光纤放大器(16、10、15)，其特征在于该光波导(10)含有前面权利要求1—5中的一个权利要求所述的特征(图1)。
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