CN1184158C - 过渡金属玻璃陶瓷增益介质 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于光学放大器或激光振荡器的增益介质。该增益介质包括具有结晶相和玻璃相的过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料。结晶相原位形成于玻璃相中，过渡金属离子优先从玻璃相分配进入晶粒。如此形成的晶粒的粒径小于50nm，晶粒中的过渡金属离子能发射波长约900-3000nm的激光。还公开了放大器和激光振荡器构造，在各种构造中使用该玻璃陶瓷增益介质。还公开了光信号的放大方法，即用光能抽运玻璃陶瓷增益介质以激发过渡金属离子，在过渡金属离子处于激发态时通过增益介质传播光信号，从而放大该光信号。还公开了产生激光振荡的方法，是将玻璃陶瓷增益介质置于激光腔内，用光能抽运以激发过渡金属离子，使用反馈用的反射表面强制形成的辐射进行振荡。

Description

过渡金属玻璃陶瓷增益介质
相关申请
由Linda R.Pinckney于1999年10月18日提交的转让给本申请同一受让人的题为“基于α-硅锌矿和β-硅锌矿的玻璃陶瓷”的美国临时申请60/160,138涉及一种基本透明的α-和β-硅锌矿玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷可掺杂过渡金属以便具有光学活性。
由George H.Beall和Linda R.Pinckney于1999年10月18日提交的转让给本申请同一受让人的题为“透明(锂、锌、镁)原硅酸盐玻璃陶瓷”的美国临时申请60/159,967涉及一种掺杂过渡金属的玻璃陶瓷材料，其性能使之适合在光学放大器和/或激光泵中作为增益介质。
由George H.Beall、Linda R.Pinckney、William Vockroth和Ji Wang于1999年10月18日提交的转让给本申请同一受让人的题为“玻璃陶瓷光纤和方法”的美国临时申请60/160,052涉及一种玻璃陶瓷材料，它含有极小晶体并掺杂过渡金属，还涉及这种光纤形式玻璃陶瓷的制备方法。
由George H.Beall于1999年10月18日提交的题为“透明和半透明镁橄榄石玻璃陶瓷”的美国临时申请60/160,093和由George H.Beall于1999年12月30日提交的相同名称的美国补充临时申请60/174,012。
本申请要求由George H.Beall、Nicholas F.Borrelli、Eric J.Mozdy和Linda R.Pinckney于1999年10月18日提交的题为“过渡金属玻璃陶瓷增益介质”的美国临时申请60/160,053的权益。
发明的领域
本发明总体上涉及作为增益介质的玻璃陶瓷材料，更具体地说，涉及整个材料中含有过渡金属掺杂剂的玻璃陶瓷材料，它呈现的性质使之适合作为增益介质用于光学放大器和/或激光泵。本文中术语“增益介质”是指能产生光学荧光并且能放大波长与光学荧光相同的光学信号的光学元件。
发明的背景
在过去的数十年间，纤维光学系统成为远距离通讯的标准。与传统的金属基系统相比其优势在于光学链路的优点。这些优点包括低损耗、高信息量、低的每通道成本、抗串音和抗电气干扰，并具有更小的质量。目前，在超过1000km的距离光纤系统能每秒载带数百太比特。尽管这种数量级超出金属链路的能力，但是全球通讯的需求已使这种系统容量每年翻一翻。
一条单束纤维光学通讯链路需要包括发射器、光纤和接收器。发射器利用调制光源(例如激光器)将电信息转换成光信号。可直接调制激光器，或者可使用外部调制器将信息输入激光器的连续输出中。随后来自发射器的光线沿光纤输送，最终被接收器探测。接收器是一种将光信号转换回电信号的半导体装置。
当通讯距离非常大时，在链路的某些位置必须放置放大器以增强信号。在早期光纤通讯中，需要将光信号预先转换成电信号，将信息电气放大，再沿光纤发送放大的信号。为了达到横贯大陆的距离，需要多次实施这种昂贵的电气放大。另外，由于对带宽的要求日益增高，要求单束链路具有越来越高的比特率。这主要涉及更快地调制光信号。
由于掺杂铒光纤放大器(EDFA)的发明，光纤链路的性能发生了巨大变化。首先，可以进行光学放大，与数据传输格式无关，并且无需信号转换。掺杂铒光纤放大器(EDFA)的另一个重要结果是在宽的光传输波长范围内可具有相同的链路增益。
该发明导致波分复用(WDM)成为全球广泛使用的传输格式。该格式在概念上相当于在单根光学链路上使用数个不同波长的单束发射器和接收器。这样，链路的容量就仅受放大器(如果放大器得到改进的话，则受光纤)的总光学带宽以及分隔相邻通道的最小光学带宽的限制。
不幸的是，现代通讯的要求使得甚至流行的高容量波分复用(WDM)链路也感到困难，目前的研究工作集中在增大掺杂铒光纤放大器(EDFA)的带宽上。一般的掺杂铒光纤放大器(EDFA)的常规带宽约32nm(1530-1562nm)，最新的研究结果是约1570至1610nm的长频带放大器。但是除了这个改进以外，由于Er3+掺杂剂光学跃迁的物理机制，尚很少获得进展。结果，需要新材料以便适用于更短的波长范围(例如1500nm或更短)。业已研究了其它稀土掺杂剂(包括钬和镨)用于光学放大器，但是在大的带宽范围内提供增益方面取得的进展仍然有限。
为光学放大器在大带宽范围内提供增益可能性的是进行Raman放大，因为这种放大最高可提供300nm的带宽。但是，Raman放大通常需要高的抽运功率(对于长度小于l00m的光纤大于1瓦)，这在通讯系统中提出了挑战。
过渡金属长期用作晶体基质中的光学活性掺杂剂，因为它们在近红外区(1000-1500nm)会发出荧光，并呈现相应大的带宽。例如，Alfano等的美国专利4,987,575描述了掺杂Cr4+的晶体能够发出接近1.3μm的激光。另一个例子是掺杂钛的蓝宝石(Ti∶Al2O3)在约650-1100nm能提供光学增益。
许多过渡金属掺杂剂由于具有适用的波长范围和带宽，因此它们可用于通讯用途是很显然的。但是，由于主要通讯介质是玻璃基光纤，因此美国专利4,987,575的晶体基质过渡金属工艺不适用于本申请。尽管自然会想到将过渡金属掺杂剂加入玻璃，但是不幸的是发现在晶体场强度远低于单晶基质的无定形基质中其性能(尤其是其效率)下降。
Alfano等在美国专利5,717,517中提出了另一种方法，它制得许多激光活性Cr4+(或V3+)掺杂的晶体颗粒，分散在“非气态”介质中。这样，在晶体基质中掺杂剂能保持激光活性，而更大的周围介质则与光纤技术相容。为了降低这种复合介质的光学损耗，颗粒必须很小，其折射率与周围介质折射率的差异也必须很小。在美国专利5,717,517中认识到了这些要求，因此规定颗粒粒径为0.05-500μm，并规定折射率之差小于0.1.
尽管将晶体颗粒分散在无定形介质中这一原理是可行的，但是该技术有多个严重缺陷，主要在于微细颗粒的制备上。损耗无疑随粒径的下降而下降，因此需要最小的颗粒(0.05μm)。材料的研磨一般难以得到粒径小于1μm的颗粒，即便用制备镁橄榄石的溶胶凝胶法也难以获得小于该粒径的颗粒。尽管某些技术获得0.5μm左右的颗粒，但是再小一个数量级至多只是看起来有希望的。
即便可制得粒径为0.05μm的最小颗粒，散射损耗的简单分析显示该技术的另一主要缺陷。无规分布颗粒的瑞利散射可由下式算得：
Figure C0081433300081
该公式中散射的功率以与输入功率的比例表示，λ表示光波长，V表示散射颗粒的体积，N是散射颗粒的数目，m为颗粒折射率与周围介质折射率的比例(即折射率失配比)。以占总介质25％的0.05微米Cr4+颗粒掺杂的镁橄榄石作为例子，在1.3μm波长和折射率之差大于0.0005时，根据上述等式算得的损耗大于10dB/m。
另外，由于所有橄榄石(包括镁橄榄石)均是双折射的(含义为晶体在不同的轴方向具有不同折射率)，因此这种晶体不可能在所有方向均是折射率匹配的。在镁橄榄石的情况下，折射率之差可达0.03，导致损耗高于300dB/m。使用镁橄榄石报导的光学常数，含25％晶体颗粒的材料所获得的最大增益(全部粒子数反转)仅约240dB/m。这证明使用镁橄榄石和美国专利5,717,517的技术难以获得增益。本文中符号“dB”的标准光学定义为10×log10(P输出/P输入)。
为了克服上述材料和技术的缺陷，本发明描述一类新材料，它包括掺杂过渡金属的玻璃，其内部成核形成了许多非常小的晶粒(crystalline site)。该内部成核过程形成的材料称为玻璃陶瓷，其中晶粒尺寸小于50nm并均匀分布在整个玻璃中。这些晶体是由原始玻璃熔体的构成材料形成的，不同于美国专利5,717,517所述是加入新材料形成的。另外，过渡金属掺杂剂加在整个介质中，而非仅加在晶粒中。这种陶瓷化方法通过形成局部晶粒(该晶粒中含有掺杂剂)而仅仅激活普遍存在的掺杂剂的一部分。
与上面所述的其它掺杂过渡金属的基质相比，该掺杂的玻璃陶瓷材料具有许多优点。例如，由于在该双相玻璃陶瓷材料内的结晶相是通过控制基材玻璃成核而形成的，因此该结晶相比其它外部制备技术得到的材料具有更小的尺寸并呈更均匀的分布。这就减少了光散射损耗(根据上述等式，对于折射率之差高达0.01的情况，损耗小于50dB/m)。另外，由于玻璃陶瓷材料是玻璃基的，因此在成核前它们可制成任何形状并可容易地连接于石英玻璃光纤。本发明公开的过渡金属玻璃陶瓷增益介质的优点在于在现代通讯感兴趣的每种波长它均可提供增益。因此，它们是一种通用的增益介质，可在任何波长范围用于光纤光学通讯系统的任何放大器部分。
本发明的一个目的是提供一种过渡金属掺杂的玻璃陶瓷增益介质，其性能使之适合作为光学放大器或激光振荡器。
本发明的另一个目的是提供一种玻璃陶瓷增益介质，它可在900-3000nm波长范围内提供光学增益。
本发明的另一个目的是提供一种光纤、平面波导结构、整块增益介质或其它细长芯型形状这些形式的玻璃陶瓷增益介质；
本发明另一个目的是提供一种光纤纤芯、平面波导结构或整块增益介质形式的玻璃陶瓷增益介质；
本发明另一个目的是提供一种光纤包层或平面波导结构形式的玻璃-陶瓷增益介质；
本发明的另一个目的是提供一种玻璃陶瓷增益介质，在产生相似增益的情况下它比Raman放大所需的抽运功率更低；
本发明的另一个目的是提供一种玻璃陶瓷增益介质，其无源损耗(即散射和寄生吸收)小于200dB/m，小于晶粒中特定过渡金属掺杂剂可获得的最大增益；
本发明另一个目的是提供一种玻璃陶瓷增益介质，它能放大连续波(CW)或脉冲光信号；
本发明的另一个目的是提供一种玻璃陶瓷激光增益介质，当配置成激光振荡器时它产生连续波(CW)或脉冲(锁模的、Q-开关的或其任意组合的)光输出辐射；
本发明的再一个目的是提供一种均匀掺杂过渡金属的玻璃陶瓷增益介质，它具有在无定形玻璃基质中的内部成核形成的晶粒，该晶粒尺寸小于50nm。所述过渡金属掺杂剂是加入到整个构成玻璃中，并且可同时存在于玻璃陶瓷介质的两个相内。它仅在晶粒内具有活性，并能在约900-3000nm的波长范围内提供增益。
发明的概述
本发明部分涉及含有过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料、无源损耗小于200dB/m的光学放大器或激光振荡器的增益介质，它包括一个晶体相和一个玻璃相，所述晶体相原位形成于所述玻璃相中，其尺寸小于50nm，在该晶体相中过渡金属掺杂剂能够发射波长约900-1700nm的激光。
本发明增益介质的无源损耗较好小于20dB/m，更好小于2dB/m。
本发明还涉及光学信号装置，包括具有细长纤芯、同轴围绕该细长纤芯并且折射率低于该纤芯的包层的增益介质，所述纤芯、包层或者这两者均包括过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料，其无源损耗小于200dB/m，形成有均匀分散在玻璃相中的晶体相，所述晶体的尺寸小于50nm，所述装置还包括抽运过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料以激发过渡金属粒子的设备。
本发明还涉及通过激光辐射产生光信号或放大产生的光信号的方法，它包括下列步骤：
(a)提供一种具有细长纤芯和同轴围绕该细长纤芯的包层的增益介质，所述包层的材料折射率低于所述纤芯的材料折射率，细长纤芯和包层中有一种或者两者均为掺杂过渡金属的玻璃陶瓷材料，所述掺杂的玻璃陶瓷材料的无源损耗小于200dB/m并具有结晶相和玻璃相，所述结晶相原位形成于所述玻璃相中并均匀地分散在玻璃相中，所述结晶相晶体的尺寸小于50nm，并且至少一部分所述过渡金属掺杂剂掺混在所述晶体内，在所述晶体内所述过渡金属掺杂剂能够以所需光信号波长发射激光；
(b)抽运纤芯、包层或两者的玻璃陶瓷材料以激发所述过渡金属离子。
附图简述
图1是掺杂Cr4+的镁橄榄石玻璃陶瓷的吸收和发射光谱；
图2是掺杂Cr4+的硅锌矿玻璃陶瓷的吸收和发射光谱；
图3是掺杂Cr4+的锗酸锂玻璃陶瓷的吸收和发射光谱。
较好实例的描述
用作本发明增益介质的玻璃陶瓷材料主要是由在基质玻璃中内部成核形成的均匀分布的晶粒组成的多相固体。所述玻璃陶瓷材料是根据具体的前体玻璃采用合适的热处理方法来控制前体玻璃的成核和结晶而制得的。一般来说，玻璃陶瓷的制备方法包括下列步骤：熔制前体玻璃组分；将熔体冷却至至少低于熔体相变范围的温度，同时将熔体成形成具有所需形状的玻璃体；随后以受控的方式将玻璃体加热至高于玻璃相变范围的温度，原位形成晶体。通常，对玻璃体进行两阶段加热处理：成核阶段，此时将玻璃在其相变范围内或稍高于相变范围的一个温度加热足够的时间以发生成核过程；接着是生长阶段，此时温度升至接近或甚至超过玻璃的软化点以便在前面形成的晶核上长大出晶粒。
内部成核形成的晶粒的尺寸小于50nm，较好小至10-30nm，所以形成光学透明的玻璃陶瓷材料。另外，内部成核形成的晶粒具有很窄的粒径分布，并且非常均匀地分散在整个玻璃相中。
结果，在玻璃陶瓷材料中的晶粒内的过渡金属是光学活性的。一般来说，能促进光学活性过渡金属进入晶体结构中的任何晶体均视为可作为玻璃陶瓷材料的结晶相。用于结晶相的较好晶体包括镁橄榄石(Mg2SiO4)、钙镁橄石(CaMgSiO4)、α和/或β-硅锌矿(Zn2SiO4)、YAG(钇铝石榴石，Y3Al5O12)锗酸锂晶体、原硅酸锂镁和原硅酸锂锌。
选择前体玻璃组合物使得在成核过程中，与留在玻璃相中相比过渡金属优先分配在晶体中。George H.Beall等题为“过渡金属玻璃陶瓷”、Linda R.Pinckney题为“基于α-硅锌矿和β-硅锌矿的透明玻璃陶瓷”、George H.Brall的题为“透明镁橄榄石玻璃陶瓷”以及George H.Beall和Linda R.Pinckney的题为“透明原硅酸锂锌镁”的未审定专利申请(均转让给本发明的受让人)更详细地描述了适合作为本发明增益介质的组合物和过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料的制备方法。这些文献全文参考结合于本文中。
适用于玻璃陶瓷增益介质中的光学活性的过渡金属掺杂剂是这样的过渡金属，即在晶体基质中时，能在约900-3000nm的波长范围提供增益或发射激光。较好的是，此光学活性的过渡金属选自V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+和Ti3+过渡金属离子。特别适用的玻璃陶瓷材料的性能使之可以在光学放大器中作为增益介质，该玻璃陶瓷材料包括晶粒由镁橄榄石、钙镁橄石和硅锌矿组成，以Cr4+作为光学活性离子的材料。或者，晶粒可以是锗酸锂，而Cr3+可以是光学活性离子。
在各种细长纤芯用途中可将过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料用作增益介质。这种材料的一种有用的并且有吸引力的形式是光纤放大器和光纤激光中的光纤。其它形式包括也用于光学放大器和激光振荡器中的平面波导和整块增益介质。
所述整体增益介质形式包括过渡金属掺杂的玻璃陶瓷的细长试样，其横截面大于1×10-12m2，长为1-1000mm。
光纤和平面波导形式包括细长的纤芯和同轴围绕纤芯并且折射率相对低于该纤芯的相容外层或包层。该结构的长度和纤芯和包层的直径随用途而异。合适的长度可以约为1cm至100m，纤芯合适的直径约为1-100μm。
光纤和平面波导形式在增益组成方面具有多种差异。一种差异是细长纤芯由过渡金属掺杂的玻璃陶瓷组成，包层由折射率较低的玻璃或玻璃陶瓷组成。另一种形式包括将过渡金属掺杂的玻璃陶瓷用于光纤包层，纤芯则不掺杂。后一种方法可获得包层抽运技术的优点，在许多情况下呈现最佳的输出功率。较大的包层可更好地与许多市售的高输出功率抽运激光器的大面积输出相匹配。第三种形式包括将过渡金属掺杂的玻璃陶瓷用于纤芯和包层中，两者的折射率之差仍足以使之作为波导。
可例如如下形成光纤：拉制包覆有相容玻璃材料的前体玻璃纤芯，直至得到所需形状的光纤；随后根据具体的玻璃组成对前体玻璃纤芯和包层进行热处理步骤，在材料中形成所需的晶粒。可通过沉积、蚀刻或辐射写入技术形成平面的纤芯和包层结构，来制得平面波导，随后对该结构物进行热处理步骤，在所需材料中产生所需的晶粒。所述热处理包括对整个试样进行热处理，或者用聚焦辐射选择性地加热该结构物的一些特定部位。
所述细长的纤芯结构以及上面所述的其变化可有利地作为增益介质用于光学放大器或激光振荡器。下面描述这两种用途。
光学放大器包括细长的纤芯玻璃陶瓷增益介质和用于抽运该介质中晶体相，从而激发晶粒中活性过渡金属离子的装置。所述抽运装置通常包括能发射波长位于过渡金属掺杂剂吸收区的辐射的光源(可以是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、染料激光器或闪光灯)。
所述放大器还包括用于将光信号和抽运光耦合在细长纤芯结构(整体光学部件或其它波导结构)上的某个装置，例如耦合器。抽运光传入纤芯或包层，视其哪一个是光纤较好的光学活性部分而异。过渡金属离子发出的光线穿过纤芯，从而为通过光纤传播的光信号提供增益。所述信号光可以是脉冲波或连续波(CW)。
所述激光振荡器包括玻璃陶瓷增益介质、用于抽运介质中结晶相以便激发晶粒中活性过渡金属离子的装置、以及用于产生激光振荡的反馈机构。所述抽运装置通常包括能发射波长位于过渡金属掺杂剂吸收区的辐射的光源(可以是半导体激光器、固体激光器、气体激光器、染料激光器或闪光灯)。所述反馈机构包括反射表面，它重复地将来自增益介质的光学辐射朝回反射通过增益介质，从而引发激光振荡。激光腔通常还包括聚焦元件，它包括透镜或反射曲面。或者，聚焦元件可包括增益介质本身，它通常起带有明显抽运的热透镜的作用。所述反射表面包括整体反射镜，在信号波长它具有不同的反射性，只是反射足够的光线以保持激光腔的总增益大于总损耗。或者，所述反射表面包括细长纤芯增益介质本身劈开的或抛光的表面。激光辐射(输出)由反射表面或聚焦表面离开激光腔，视哪一个表面产生不完全(＜100％)的反射而异。
激光振荡器以连续波(CW)的形式运行，此时射出激光腔的辐射随时间是基本恒定的。
或者，激光振荡器可以锁模形式运行，此时激光腔的多个纵模是相位锁定的(phase-locked)，从而能产生重复脉冲输出，该重复脉冲的间隔时间为光线透光激光腔的往返(round-trip)传播时间。可采用多种方法进行这种锁模，包括有源和无源技术。有源技术包括声-光(A0)调制、电-光调制和同步抽运；无源技术包括Kerr透镜锁模(KLM)、再生锁模、脉冲抵触锁模和附加脉冲锁模。
或者，激光器在Q-开关模式运行，此时控制激光腔损耗使得抽运能量在增益介质中储存一段时间，接着在短时间内释放积聚的能量。结果，激光器产生高能输出脉冲，脉冲的间隔时间是能量储存/释放的周期。所述Q-开关机构包括可饱和的吸收介质、电-光调制器、声-光调制器和整体振荡光学部件。
或者，激光器是在上述形式(CW、锁模和Q-开关)的任意组合下运行的。
作为在所需的约900-1700nm光谱区波长产生荧光的过渡金属掺杂的玻璃-陶瓷材料的例子，其发射光谱示于图1-3。
图1显示Cr4+：镁橄榄石玻璃陶瓷的吸收和发射光谱，图2显示Cr4+：硅锌矿的发射和吸收光谱。由光谱可见，Cr4+：镁橄榄石在约900-1400nm的波长范围发射，峰值发射约在1150nm；Cr4+：硅锌矿在约1100-1700nm的波长范围内发射。这些发射包括常规频带1530-1560nm在内，并显示在短频带(即低于1500nm)波长范围的宽带发射。这些光谱表明含Cr4+掺杂剂的玻璃陶瓷材料能在1100nm至1700nm开启增益窗，相当于常规铒技术的带宽增加了一个数量级。例如，Cr4+：硅锌矿能单独覆盖1200-1650nm范围的波长。另外，由于Cr4+的吸收带由约800nm延伸至约1150nm，因此可用各种标准的激光泵(包括标准980nm激光二极管)和钕掺杂的光纤激光泵抽运含有Cr4+掺杂剂的玻璃陶瓷材料的光学放大器。另外，由于这些材料的吸收带与大多数现有大功率激光二极管光源的发射波长相重叠，因此Cr4+玻璃陶瓷可用作新的抽运源，将标准激光二极管输出转换成其它有用的波长。
图3是另一种玻璃陶瓷材料(Cr3+掺杂的锗酸锂)的吸收和发射光谱。如光谱所示，这种材料围绕980nm中心(它是目前最常用的铒放大器抽运波长)呈现宽的发射带。因此，这种材料能用成本合算的810nm GaAS二极管抽运激光器抽运并作为980nm光纤基泵用于铒放大器。
尽管参照一个或多个较好实例对本发明进行了描述，但是应理解本发明不限于这些实例。相反，本发明包括在所附权利要求精神和范围内的所有变化、改进和等同的内容。

Claims (42)

1.一种用于光学放大器或激光振荡器的增益介质，它包括无源损耗小于200dB/m的过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料，具有一个结晶相和一个玻璃相，所述结晶相原位形成在玻璃相中并且粒径小于50nm，在结晶相中过渡金属掺杂剂能够发射波长为900-1700nm的激光。
2.如权利要求1所述的增益介质，其特征在于所述无源损耗小于20dB/m。
3.如权利要求1所述的增益介质，其特征在于所述无源损耗小于2dB/m。
4.如权利要求1所述的增益介质，其特征在于所述结晶相中的晶粒含有选自V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+和Ti3+的过渡金属离子。
5.如权利要求4所述的增益介质，其特征在于所述晶粒含有Cr4+掺杂剂。
6.如权利要求5所述的增益介质，其特征在于所述Cr4+掺杂的晶粒属于镁橄榄石、钙镁橄石、硅锌矿、镁黄长石、透辉石、钇铝石榴石以及混合的锂-锌-镁原硅酸盐。
7.如权利要求4所述的增益介质，其特征在于所述晶粒含有Cr3+掺杂剂。
8.如权利要求7所述的增益介质，其特征在于所述Cr3+掺杂的晶粒是Cr3+掺杂的锗酸锂。
9.一种光信号装置，包括：
(a)一种增益介质，它含有：
(1)细长纤芯；
(2)同轴围绕该细长纤芯并且折射率低于所述纤芯的包层；
(3)纤芯、包层中的一种或两者均包括过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料，该材料的无源损耗小于200dB/m，并具有形成在玻璃相中并均匀分散在其中的结晶相，结晶相晶体的尺寸小于50nm，在所述玻璃陶瓷材料中的过渡金属掺杂剂能够发射与信号光波长相同的激光；
(b)用于抽运过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料以激发过渡金属离子的装置。
10.如权利要求9所述的光信号装置，它是一种放大光信号的放大器。
11.如权利要求9所述的光信号装置，它是一种产生相干辐射信号的激光振荡器。
12.如权利要求9所述的光信号装置，其特征在于所述增益介质的细长纤芯是过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料。
13.如权利要求9所述的光信号装置，其特征在于在增益介质的细长纤芯上的包层是过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料。
14.如权利要求9所述的光信号装置，其特征在于增益介质的细长纤芯和细长纤芯上的包层均是过渡金属掺杂的玻璃陶瓷材料。
15.如权利要求9所述的光信号装置，其特征在于所述过渡金属掺杂剂选自V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+和Ti3+。
16.如权利要求15所述的光信号装置，其特征在于所述过渡金属掺杂剂是Cr4+。
17.如权利要求16所述的光信号装置，其特征在于所述Cr4+掺杂的晶粒属于镁橄榄石、钙镁橄石、硅锌矿、镁黄长石、透辉石、钇铝石榴石以及混合的锂-锌-镁原硅酸盐。
18.如权利要求15所述的光信号装置，其特征在于所述过渡金属掺杂剂是Cr3+。
19.如权利要求18所述的光信号装置，其特征在于所述Cr3+掺杂的晶粒是Cr3+掺杂的锗酸锂。
20.如权利要求10所述的光信号装置，其特征在于所述放大器的光信号是脉冲信号。
21.如权利要求10所述的光信号装置，其特征在于所述放大器的光信号是连续波信号。
22.如权利要求10所述的光信号装置，其特征在于所述放大器的光信号的波长为900-3000nm。
23.如权利要求10所述的光信号装置，其特征在于所述放大器用于抽运的装置在过渡金属离子的吸收区发射光谱，它包括半导体激光器、固体激光器、气体激光器、染料激光器或闪光灯。
24.如权利要求11所述的光信号装置，其特征在于所述激光振荡器的输出辐射是连续波信号。
25.如权利要求11所述的光信号装置，其特征在于所述激光振荡器的输出辐射是周期系列的锁模脉冲。
26.如权利要求11所述的光信号装置，其特征在于所述激光振荡器的输出辐射是周期系列的Q-开关脉冲。
27.如权利要求11所述的光信号装置，其特征在于所述激光振荡器的输出辐射是周期系列的锁模Q-开关脉冲。
28.如权利要求11所述的光信号装置，其特征在于所述激光振荡器的输出辐射的波长为900-3000nm。
29.如权利要求11所述的光信号装置，其特征在于所述激光振荡器用于抽运的装置在过渡金属离子的吸收区发射光谱，它包括半导体激光器、固体激光器、气体激光器、染料激光器或闪光灯。
30.一种利用激光辐射产生光信号或放大产生的光信号的方法，它包括下列步骤：
(a)提供一种具有细长纤芯和同轴围绕该细长纤芯的包层的增益介质，所述包层的材料折射率低于所述纤芯的材料折射率，细长纤芯和包层中有一种或者两者均为掺杂过渡金属的玻璃陶瓷材料，所述掺杂的玻璃陶瓷材料的无源损耗小于200dB/m并具有结晶相和玻璃相，所述结晶相原位形成于所述玻璃相中并均匀地分散在玻璃相中，所述结晶相晶体的尺寸小于50nm，并且至少一部分所述过渡金属掺杂剂含在所述晶体内，所述晶体内的所述过渡金属掺杂剂能够以所需光信号波长发射激光；
(b)抽运纤芯、包层或这两者的玻璃陶瓷材料以激发所述过渡金属离子。
31.如权利要求30所述的方法，它包括在过渡金属离子处于激发态的同时在所述玻璃陶瓷材料中传输光信号，用以放大该光信号。
32.如权利要求30所述的方法，它包括用激光辐射产生光信号，包括：
(a)在增益介质的两个表面提供用于光学辐射的反馈装置，所述反馈装置包括一个反射表面，它将来自增益介质的光学辐射朝回反射通过该增益介质，反射的强度足以使激光腔的总增益大于总损耗，所述反射表面包括：
(1)整体光学元件；
(2)增益介质本身劈开的或抛光的表面；
(b)还可在激光腔中提供聚焦元件，以便限制辐射并保持激光腔稳定，所述聚焦元件包括：
(1)整体光学元件；
(2)通过例如热制透镜法生成的增益介质本身；
从而使增益介质的辐射通过激光腔的部分反射表面激发成激光发射。
33.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述过渡金属掺杂剂选自V3+、Cr3+、Cr4+、Co2+、Fe2+、Ni2+和Ti3+。
34.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述光信号是脉冲信号。
35.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述光信号是连续波信号。
36.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述光信号的波长为900-3000nm。
37.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述用于抽运的装置在过渡金属离子的吸收区发射光谱，它包括半导体激光器、气态激光器、气态激光器、染料激光器或闪光灯。
38.如权利要求32所述的方法，它包括产生周期系列的锁模脉冲光信号。
39.如权利要求32所述的方法，它包括产生周期系列的Q-开关脉冲光信号。
40.如权利要求32所述的方法，它包括产生周期系列的锁模Q-开关脉冲光信号。
41.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述聚焦元件中的整体光学元件是透镜。
42.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述反式表面中的整体光学元件是反射镜。
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