CN1131579C - 用于光放大器的光纤 - Google Patents

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Abstract

一种用于光放大器的光纤。该光纤通过把稀土元素和一种比GeS2-Ga3S3化学计算组分线含硫少的锗-镓-硫(Ge-Ga-S)玻璃掺杂，还包括基于Ge-Ga-S玻璃0.1到10原子百分比的卤素。通过使用该光纤，在添加的Pr+3浓度较高时能抑制镨(Pr+3)离子的聚集，从而改善光放大效率。

Description

用于光放大器的光纤
技术领域
本发明涉及用于光放大器的光纤，更涉及一种用于具有改善的光放大效率的光放大器的光纤。
背景技术
一般而言，在具有1310nm波长区域(该区域属于二氧化硅玻璃的零色散波长范围)的光放大器的生产中，用作稀土元素的钕离子(Nd+3)和镨离子(Pr+3)被注入到玻璃中。然而，使用Nd+3产生下面的问题。
简而言之，在4F3/2→4I13/2跃迁中产生的荧光峰值波长是1.35μm，远远大于零色散波长。同在4F3/2能级的其它波长范围890nm和1064nm相比，1.3μm波长范围的荧光强度非常弱。另外，由于在4F3/2能级的激发态吸收(ESA)在低于1.3μm的波长的光增益显著降低。
为了解决这些问题，已经提出了一种使用富含氟化物的玻璃代替二氧化硅玻璃作为基质材料的方法。然而，这一方法在1310nm的波长范围光增益不能得到很大的改善。
同时，当使用用于掺杂玻璃的稀土元素Pr+3时，可以使用在1G4→3H5跃迁中发出的荧光。另外，在此能级的跃迁概率比其它能级高得多，这样在从1G4到3H5能级跃迁时就期望有高的光放大效率。
然而，在实际应用Pr+3中，在1G4能级和紧接在1G4能级下的3F4能级之间的能级距离小到3000cm-1。因此，当使用有高晶格振动能量(＞800cm-1)的氧化物玻璃时，由于多晶格振动驰豫Pr+3非辐射跃迁到1G4能级的概率大大增加，从而降低光放大效率。
为了解决这一问题，美国专利5,379,149公开了一种使用锗-镓-硫(Ge-Ga-S)玻璃作为基质材料的方法。这里，Ge-Ga-S玻璃的晶格振动能量比传统的氧化物玻璃或氟化物玻璃小，这样就预期在1310波长范围的光放大效率提高。
然而，同在图1的GeS2-Ga3S3的相图中表示的化学计算组分线LGeS2-Ga3S3相比，Ge-Ga-S玻璃含多余的硫(S)。另外，当使用组分的典型例子Ge25Ga5S70玻璃时，同已被常规方法采用的Ge-S，As-S，Ge-As(P，Sb)-S玻璃相比，Pr+3的溶解度较高。然而，假如加入高浓度的Pr+3时，由于Pr+3离子的聚集在离子之间的能量传递速率就显著增加，这样除了降低光放大效率外，在1G4能级的荧光寿命也缩短了。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于光放大器的光纤，在添加高浓度的Pr+3时通过抑制Pr+3离子的聚集改善光放大效率。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于光放大器的光纤，该光纤通过把稀土元素和一种比GeS2-Ga3S3化学计算组分线含硫少的锗-镓-硫(Ge-Ga-S)玻璃掺杂，还包括基于Ge-Ga-S玻璃0.1到10原子百分比的卤素。优选地，镓的量等于或少于10摩尔百分比，硫的量少于70摩尔百分比。如果Ga或S的含量不在上述范围之内，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，而且优选地，用Pr+3作稀土元素。可以将稀土元素至少与镱(Yb)、钕(Nd)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、铬(Cr)和锰(Mn)之一一起注入玻璃中，从而增加光放大效率。另外，在多波长范围可以同时放大光。
附图说明
参照附图，通过详细描述其中优选的实施方案本发明的上述目标和优点将变得更加明显，其中：
图1是锗(Ge)、镓(Ga)、硫(S)的相图，其中阴影部分是常规的玻璃组分范围。
图2是镨离子(Pr+3)的能级图。
图3是Ge、Ga和S的相图，其中阴影部分是根据本发明的玻璃组分范围。
图4是表明一般的光放大器结构的示意图。
图5是表明在实施例和对比例中制造的光纤的受激辐射横截面与波长的关系图；和
图6是用差示扫描热量仪测量的在实施例和对比例制造的光纤热流与温度的关系图。
具体实施方式
本发明的特点是调节锗-镓-硫(Ge-Ga-S)玻璃的组分，以使硫(S)含量比GeS2-Ga3S3化学计算组分线(图3)含的硫少，并加入卤素改善Ge-Ga-S化合物形成玻璃的能力。
根据本发明的原理，Pr+3在1G4能级激发的非辐射跃迁作为影响Pr+3在1G4能级的荧光寿命和光放大效率的关键因素，其中激发的Pr+3以不同于光的形式辐射。Pr+3的非辐射跃迁分为多晶格振动驰豫和在Pr+3离子之间的能量传递。这里，由玻璃晶格振动能量引起多晶格振动驰豫，它是由于在是一种亚稳能级的1G4能级和紧在1G4能级之下的3F4能级之间的能级距离小而产生的。
通常，当在1G4能级的Pr+3电子光放大效率密度降低时，光放大效率也降低。产生这一现象的原因，在图2表示，是在1G4能级激发的Pr+3吸收其它临近Pr+3的能量，这样Pr+3就激发到1D2能级(向上转化的跃迁)，在基态能级3H4的P+3吸收其它在同样能级的临近Pr+3的能量并激发到3F2能级(交叉跃迁)，在1G4能级激发的Pr+3跃迁到3H2能级(交叉驰豫)。在Pr+3之间的能量传递速率取决于在离子间的距离。这一关系将在假设在Pr+3之间的能量传递机制是由于在Pr+3之间是电稳定相互作用的情况下描述。
简而言之，能量传递速率各与在偶极子-偶极子相互作用中的离子之间的距离的六次方成反比，与在偶极子-四元子相互作用中的离子之间的距离的八次方成反比，与在四元子-四元子相互作用中的离子之间的距离的十次方成反比。因此，添加的Pr+3聚集在一起，这样它就不均匀地分布，在基质中，同假设Pr+3均匀分布的状态相比在离子间的能量传递速率非常高。结果，光放大效率显著降低。
另外，为了平均分布在基质中的Pr+3，在玻璃基质中应用Pr+3的极限必须非常高。
根据一篇名为“稀土掺杂的硫族玻璃的合成和特性”(1994)的论文，K.Wei报道当Ge-S、As-S、或Ge-As(P，Sb)-S玻璃具有化学计量的组分或在化学计量的组分中含更多的硫，稀土元素相对于这种玻璃的溶解度在每一百万份(ppm)中不大于几百份。因此，如果添加的稀土元素过剩，由于稀土离子的聚集就沉积细微的结晶，造成失去透明性。
相反地，当Ge-S、As-S、或Ge-As(P，Sb)-S玻璃含有少于化学计量的组分的硫，稀土元素的溶解度增加到每一百万份中有几千份。因此，可以认为硫的含量和玻璃的结构彼此密切相连。
这就是说，当硫的含量低于化学计量组分时在正离子间存在金属键，作为能增加稀土离子溶解度的关键因素。
本发明通过减少由于在离子间传递的能量造成的非辐射跃迁概率、通过使在Ge-Ga-S玻璃中的Pr+3离子尽可能分布均匀而改善光放大效率。
然而，当Ge-Ga-S玻璃含有少于化学计量的组分的硫，可以产生下列问题。
首先，在正离子之间的金属键将玻璃的传输阈值波长迁移到波谱的近红外区，这样光激发源的波长能被基质玻璃自身吸收或基质材料能通过吸收光激发源而被破坏。第二，因为硫含量降低，玻璃形成能力降低。
为了避免上述问题，在本发明中向Ge-Ga-S玻璃中添加卤素。优选地，卤素是溴(Br)或碘(I)。当加入Br或I，就能获得Ge-Ga-S-Br或Ge-Ga-S-I玻璃。加入这种卤素在稳定Ge-Ga-S玻璃的结晶方面是有利的，在这种玻璃中，吸收带迁移到短蓝波长范围。
另外，基于Ge-Ga-S玻璃优选加入0.1-10原子百分比量的卤素。假如卤素含量超过10原子百分比，光放大效率就降低。相反地，假如卤素的含量低于0.1原子百分比，玻璃形成能力不合需要地降低。
在下文中，将参照图4描述采取通过本发明的优选实施方案将Pr+3与Ge-Ga-S玻璃掺杂形成的光纤的光放大器。
参照图4，光放大器40包括一个用来耦合在光纤43的泵射和光纤44的辐射的色散耦合器41，一个通过将Pr+3与Ge-Ga-S玻璃掺杂形成的光纤42，和一个防止背射的法拉第隔离器45。这里，色散耦合器41将在光纤43和44约90％的辐射耦合进光纤42，其中剩下的10％耦合进光纤47用于监控目的。最后具有上述结构的光放大器40辐射出在1310nm波长放大的光46。
根据本发明的光纤可以用于光生成设备例如激光谐振器和超发光设备。
在下文中，将详细描述本发明的实施例。然而，这些实施例仅仅是说明性的，本发明并不局限于此。实施例
使用纯度99.999％或更高的Ge、Ga和S制备Ge32Ga5S62.5基质和Ge28.3Ga10S61.7基质。这时，基于Ge32Ga5S62.5基质和Ge28.3Ga10S61.7基质加入5000ppm的Pr+3和5原子百分比的溴(Br)。
将合成物进行称量，其中每个批次的规模是10g，在充满高纯度氩(Ar)气的手套式操作箱操作，并装入二氧化硅玻璃安瓿瓶中。然后，将安瓿瓶在真空下密封，然后把得到的安瓿瓶在转动式炉中950℃下放置12小时，再后在空气中淬火。将所得到的结构在接近玻璃转化温度下加热，就得到光纤。
对比例
以实施例同样的方式制造光纤，除了用Ge25Ga5S70代替Ge32Ga5S62.5基质和Ge28.3Ga10S61.7基质，并且不加入Br。
测定在实施例和对比例制造的光纤在1310nm的波长范围的受激辐射横截面和在1G4能级的Pr+3荧光寿命。结果见表1。
使用数字示波器测定荧光寿命(τ：测定值)，定义为荧光密度达到起始能级的荧光强度的1/e的时间点，假设只有电子跃迁产生的辐射跃迁产生，荧光寿命(τR：计算值)定义为荧光密度达到起始能级的荧光强度的1/e的时间点。另外，把量子效率(η)定义为荧光寿命测定值与计算值的比。
这里，使用一个具有1020nm波长的Ar+1激光-受激钛(Ti)-蓝宝石激光作光激发源，使用光源将Pr+3激发到1G4能级。然后，将产生的荧光用1/4m双单色光源通过波长屏蔽，并用InGaAs PIN光检测器检测。另外，将检测的荧光在与计算机连接的放大器中利用摆动进行分析。
                           表1
   实施例   τ(μs)   η(％)   τR(μs)
   实施例     160     31     507
   对比例     123     16     783
如表1所示，在对比例中处于1G4能级的Pr+3的荧光寿命是123μs，其量子效率是16％。然而，同对比例形成对照，在实施例中处于1G4能级的Pr+3的荧光寿命增加到160μs，其量子效率增加到31％。
从上述结果推断为硫的含量降低到与Pr+3相同的浓度，Pr+3离子的聚集受到抑制，这样由在离子间的能量传递产生的非辐射跃迁就降低。
另外，当设计一个光放大器或激光谐振器时，光激发源的极限能级就非常重要。一般而言，光激发源的极限能级与受激辐射横截面的荧光寿命乘积成反比。
参照图5，在实施例中1.3μm的受激辐射横截面是9.92×10-21cm2，比在对比例中的6.78×10-21cm2大。产生这一现象的原因被认为是在含硫不足的玻璃中1G4→3H5的跃迁概率增加。
象从结果中可以推断的那样，当在Ge-Ga-S玻璃的硫含量比化学计量的组分降低时，在1G4能级的Pr+3的荧光寿命和在1.3μm的受激辐射横截面都增加，因此改善了光放大效率。
图6表示的是在实施例和对比例中制造的光纤玻璃转变温度和结晶温度，使用差示扫描热量仪(DSC)分析。一般而言，玻璃的结晶稳定性与结晶温度(Tx)和玻璃转变温度(Tg)的差(ΔT)成正比。
在实施例中制造的光纤的ΔT是151℃，比在对比例中制造的光纤的ΔT118℃高。象从结果中可以推断的那样，在实施例中制造的光纤比在对比例中制造的光纤在结晶稳定性上提高，这样能显著降低在光纤制造中可能产生的由结晶造成的光损失的可能性。
如上所述，当象本发明中这样通过用Pr+3掺杂玻璃制造用于光放大器的光纤时，在1G4能级的荧光寿命和光学增益就增加，因而提高了在1310nm波长的光放大效率。
在参照其优选实施例特别说明和描述本发明时，应当明了本领域技术人员可以在其中进行多种形式和细节的改变，而不脱离在附加的权利要求书详细说明的本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.一种用于光放大器的光纤，其特征在于，该光纤通过把稀土元素和一种比GeS2-Ga3S3化学计算组分线含硫少的锗-镓-硫(Ge-Ga-S)玻璃相掺杂，还包括基于Ge-Ga-S玻璃0.1到10原子百分比的卤素，其中的稀土元素是镨，而卤素是溴(Br)或碘(I)。
2.权利要求1的光纤，其特征在于，镓的量等于或少于10摩尔百分比。
3.权利要求1的光纤，其特征在于，硫的量少于70摩尔百分比。
4.权利要求1的光纤，其特征在于，将稀土元素至少与选自镱(Yb)、钕(Nd)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、铬(Cr)和锰(Mn)之一一起掺杂。
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