CN1323282A - 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,该光纤由掺有稀土离子的玻璃构成。将镨离子(Pr+3)和铒离子(Er+3)两者用作稀土离子,以及该玻璃是一种氟化玻璃或硫化玻璃。该光纤可在1.3微米和1.55微米波长下使用。与仅含有Pr+3或仅含有Er+3构成的光放大器相比较,该光纤构成的光放大器光放大效率可以提高。

Description

用于光放大器的光纤
技术领域
本发明涉及一种在光放大器中使用的光纤，更具体地说，涉及一种可在1.3微米和1.55微米波长下使用的光放大器中使用的光纤。
背景技术
在光通信中使用的光的波长已经从1.3微米波长转移到1.55微米波长。通常，用于掺入光纤的镨离子(Pr+3)用于放大波长为1.3微米的光信号，而用于掺入光纤的铒离子(Er+3)用于放大波长为1.55微米的光信号。
5486947号美国专利公开了一种在光放大器中使用的光纤，其能够在1.3微米波长下以足够的光增益工作。该光纤是含有稀土金属离子的硫化玻璃光纤，其中在纤芯和包层之间的折射系数约为1.4％，以及该玻璃包含二氟化铅(PbF2)，以形成该玻璃的总成分为基准，其所占比例为25％摩尔或其以下。
现在，在很多光通信的相关领域采用1.3微米和1.55微米两种波长。因此，需要适合于每种波长的不同部件来构成光回路，使得除了用于切换波长的切换用耗费之外，还要增加开发费用。
本发明的公开
本发明的目的是提供一种在光放大器中使用的光纤，其可在1.3微米和1.55微米两个频带使用。
根据本发明的一个方面，提供一种在光放大器中使用的光纤，该光纤由掺有稀土离子的玻璃构成，其中将镨离子(Pr+3)和铒离子(Er+3)两者用作稀土离子，以及该玻璃是一种氟化玻璃或硫化玻璃。
最好，Pr+3的含量为百万分之100-1000，Er+3的含量为百万分之100-5000。如果Pr+3和Er+3的含量超出上述范围，光放大器的效率会不适当降低。此外，Pr+3对Er+3的混合重量比可以在1∶1到1∶3之间。如果Pr+3对Er+3的混合重量比超出上述范围，在1.55微米波长下的荧光发光量会降低。相反，如pr+3对Er+3的比小于上述范围，则在1.3微米波长下的放大系数会不适当降低。
附图的简要说明
图1表示当波长为980纳米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62构成且掺有Pr+3和Er+3的光纤上时，按照光纤中Er+3的含量在1.3微米和1.55微米波长下的荧光发光频谱，其中通过在掺有Pr+3的光纤中从1G4能级到3H5能级的电子跃迁，引起在1.3微米波长下的荧光发光；以及在掺有Er+3的光纤中从4I13/2能级到4I15/2能级的电子跃迁，引起在1.55微米波长下的荧光发光。
图2是一曲线图，表示当波长为980纳米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62构成且掺有Pr+3和Er+3的光纤上时，按照光纤中该Er+3的含量，在1G4能级时的Pr+3的荧光寿命以及在4I13/2能级和4I11/2能级时的Er+3的荧光寿命。
图3是一示意图，表示在Pr+3和Er+3离子之间的能量转移。
图4表示当波长为1020纳米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62构成且掺有Er+3的光纤上时，由Pr+3的从1G4能级到3H5能级的电子跃迁引起的在1.3微米波长下的荧光发光频谱。
图5表示当波长为980纳米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62构成且掺有Pr+3的光纤上时，由于Er+3的从4I13/2能级到4I15/2能级的电子跃迁引起的在1.55微米波长下的荧光发光频谱。
图6表示当波长为980纳米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62构成且掺有Pr+3和Er+3的光纤上时，按照光纤中该Pr+3的含量在1.3微米和1.55微米波长下的荧光发光频谱，由于Pr+3的从1G4能级到3H5能级的电子跃迁引起在1.3微米波长下的荧光发光；以及由于Er+3的从4I13/2能级到4I15/2能级的电子跃迁引起在1.55微米波长下的荧光发光。
实施本发明的最佳方式
本发明的目的是提供一种在光放大器中使用的光纤，其可在1.3微米和1.55微米两个波长使用，通过利用波长为980纳米的激光束作为光源激励含有Pr+3和Er+3构成的光纤。在本发明中，术语“光纤”指直径范围很宽的类型的光纤，不仅仅是细的光纤。例如，光纤可为直径5-100毫米。在本发明中，该光纤包含Pr+3和Er+3，其中波长为980纳米的激光束中Er+3最大吸收峰值处在4I11/2能级。在这种情况下，同时将两种离子激励，使得Pr+3在1.3微米波长下发出荧光和Er+3在1.55微米波长下发出荧光。特别是如在图3中所示，由于从Er+3能量转移，在1G4下Pr+3的荧光寿命延长，使得与仅包含pr+3的常规光纤相比较，光放大效率可以提高。
最好，在本发明中，使用氟化玻璃或硫化玻璃，以便将Pr+3从1G4能级到3F4能级的晶格振动驰张(lattice vibration relaxtion)降到最小。氟化玻璃可以是包含锆(Zr)、钡(Ba)、镧(La)、铝(Al)和钠(Na)的氟化物的ZBLAN玻璃，该硫化玻璃可以是锗-砷-镓-硫(Ge-As-Ga-S)玻璃或Ge-As-S玻璃。其中与使用氟化玻璃相比较，使用硫化玻璃可以进一步降低Pr+3从1G4能级到3F4能级的晶格振动驰张。然而，使用氟化玻璃而不是硫化玻璃，通常使光纤的制造更容易。
为了将在1.3微米和1.55微米波长下的光放大效率最大限度地提高，Pr+3对Er+3的混合重量比在1∶1到1∶3之间。
下面将利用如下实例介绍本发明。然而这些实例仅是说明性的，本发明并不局限于这些实例。
比较实例1
将纯度为99.999％或其以上的Ge、As、Ga和S在一干燥箱中按照29∶8∶1∶62称重，其中氢氧(OH)基的含量维持在百万分之10(10ppm)或其以下，并添加Pr金属粉末数量为百万分之300，以便提供Pr+3。
在将上述成分放入一SiO2试管之后，将该试管置于0.1毫乇的真空条件下持续预定的时间。然后，通过利用含氧-丙烷火焰密封，使该试管形成气密封。
接着此项操作，将该试管置入一摇摆式加热炉，以使试管中包含的各成分完全混合，并将反应产物在950℃下保持12小时。然后，将该试管在空气中冷却，并且在一设置在400℃的加热炉中加热持续1小时。在加热过程之后，将该试管缓慢冷却至室温并将其破碎成碎块，最终形成掺有Pr+3且由Ge29As8Ga1S62硫化玻璃构成的光纤，其中晶格振动驰张量是微小的。将光纤切成圆盘形(直径为10毫米，厚度为3毫米)并抛光。
然后，利用波长为1070纳米的激光束作为光激励源测量该产物的荧光频谱和荧光寿命。在这一波长下，处于1G4能级的Pr+3呈现最大光吸收率。
结果是，可以观察到由从1G4能级到3H5能级的Pr+3的电子跃迁引起在1.3微米波长下的荧光发光；其荧光寿命为305微秒(见图2)。
比较实例2
除了用Er+3替代Pr+3以及将Er2S3用作Er+3源以外，按照与比较实例1相同的方式制造光纤。然后，将光纤切成圆盘形(直径为10毫米，厚度为3毫米)并抛光。然后，利用波长为980纳米的激光束作为光激励源测量该产物的荧光频谱和荧光寿命。在这一波长下，处于4I11/2能级的Er+3呈现最大光吸收率。
结果是，可以观察到由从4I13/2能级到4I15/2能级的Er+3的电子跃迁引起在1.55微米波长下的荧光发光(见图5)；4I11/2能级和4I13/2能级时的荧光寿命分别为2100微秒和3400微秒(见图2)。
实例1
除了进一步添加含量为百万分之300的Er+3及含量为百万分之300的Pr+3以外，按照与比较实例1相同的方式制造光纤。然后，将光纤切成圆盘形(直径为10毫米，厚度为3毫米)并抛光。然后，利用波长为980纳米的激光束作为光激励源测量该产物的荧光频谱和荧光寿命。在这一波长下，处于4I11/2能级的Er+3呈现最大光吸收率。
结果是，可以同时观察到分别在1.3微米和1.55微米波长下由从1G4能级到3H5能级的电子跃迁引起的pr+3荧光发光(见图5)；和从4I13/2到4I15/2能级的电子跃迁引起的Er+3荧光发光(见图1(a))。与比较实例1-2相比较，在每种波长下的荧光光强增加。此外，分别在1G4能级时的Pr+3荧光寿命为605微秒，在4I11/2能级和4I13/2能级时的Er+3荧光寿命分别为824微秒和3120微秒(见图2)。
根据实例1，如图3中所示，在1.3微米和1.55微米波长下的同时荧光发光是由于用“b”表示的有效能量转移。因此，在实例1中得到的光纤可以在1.3微米和1.55微米波长下使用。
此外，与比较实例1相比较，在1G4能级时的Pr+3荧光寿命明显延长到605微秒，以及通过添加Pr+3和Er+3进一步提高在1.3微米波长下的光放大效率。然而，在4I11/2能级时的Er+3荧光寿命为3120微秒，低于比较实例2，因此降低光放大效率。这是由于用“e”表示的能量转移。
实例2
除了进一步添加含量为百万分之500的Er+3及含量为百万分之300的Pr+3以外，按照与比较实例1相同的方式制造光纤。然后，将光纤切成圆盘形(直径为10毫米，厚度为3毫米)并抛光。然后，利用波长为980纳米的激光束作为光激励源测量该产物的荧光频谱和荧光寿命。在这一波长下，处于4I11/2能级的Er+3呈现最大光吸收率。
结果是，可以同时观察到分别在1.3微米和1.55微米波长下由从1G4能级到3H5能级的电子跃迁引起的Pr+3荧光发光；和从4I13/2到4I15/2能级的电子跃迁引起的Er+3荧光发光(见图1(b))。与比较实例1-2相比较，在每种波长下的荧光光强增加。此外，分别在1G4能级时的Pr+3荧光寿命为760微秒，在4I11/2能级和4I13/2能级时的Er+3荧光寿命分别为1740微秒和2910微秒(见图2)。
根据实例2，如图3中所示，在1.3微米和1.55微米波长下的同时荧光发光是由于用“b”表示的有效能量转移。此外，与比较实例1及实例1相比较，在1G4能级时的Pr+3荧光寿命明显延长到760微秒，与比较实例2及实例1相比较，在4I13/2能级时的Er+3荧光寿命降低到2910微秒。
根据以上结果，可以理解，当Er+3的含量增加时，更有效地发生用“b”和“e”表示的能量转移。然而，与比较实例1相比较，在4I11/2能级时的Er+3荧光寿命增加到1740微秒。因此，可以得出结论，不包含在用“b”表示的能量转移的Er+3增加，用“b”表示的方向上的能量转移度降低。
实例3
除了进一步添加含量为百万分之700的Er+3及含量为百万分之300的Pr+3以外，按照与比较实例1相同的方式制造光纤。然后，将光纤切成圆盘形(直径为10毫米，厚度为3毫米)并抛光。然后，利用波长为980纳米的激光束作为光激励源测量该产物的荧光频谱和荧光寿命。在这一波长下，处于4I11/2能级的Er+3呈现最大光吸收率。
结果是，可以同时观察到分别在1.3微米和1.55微米波长下由从1G4能级到3H5能级的电子跃迁引起的Pr+3荧光发光；和从4I13/2到4I15/2能级的电子跃迁引起的Er+3荧光发光(见图1(c))。与实例1-2相比较，在每种波长下的荧光光强增加。此外，分别在1G4能级时的Pr+3荧光寿命为769微秒，在4I11/2能级和4I13/2能级时的Er+3荧光寿命分别为1760微秒和2920微秒(见图2)。
根据实例3，当Er+3的含量增加时，在1G4能级时的Pr+3荧光寿命稍微增加。如图3中所示，这是由于用“b”表示的能量转移增加。然而，由于Er+3有益于在4I11/2和4I13/2能级时的Er+3荧光寿命，与用“b”和“e”表示的能量转移相关联的Er+3的比率降低，因此导致在1G4能级时的Pr+3荧光寿命稍微增加。即，随在4I13/2能级时的Er+3荧光寿命的增加，表明在1.55微米波长下的光放大效率趋向于增加。
实例4
除了进一步添加含量为百万分之1000的Er+3及含量为百万分之300的Pr+3以外，按照与比较实例1相同的方式制造光纤。然后，将光纤切成圆盘形(直径为10毫米，厚度为3毫米)并抛光。然后，利用波长为980纳米的激光束作为光激励源测量该产物的荧光频谱和荧光寿命。在这一波长下，处于4I11/2能级的Er+3呈现最大光吸收率。
结果是，可以同时观察到分别在1.3微米和1.55微米波长下由从1G4能级到3H5能级的电子跃迁引起的Pr+3荧光发光；和从4I13/2到4I15/2能级的电子跃迁引起的Er+3荧光发光(见图1(d))。与实例1-3相比较，荧光光强增加。此外，在1G4能级时的Pr+3荧光寿命为881微秒，在4I11/2能级和4I13/2能级时的Er+3荧光寿命分别为2030微秒和3340微秒(见图2)。
根据实例4，如图3中所示，在1.3微米波长下在1G4能级时由Pr+3和在1.55微米波长下在4I13/2能级时由Er+3的同时荧光发光是由于用“b”表示的有效能量转移。此外，表明在4I11/2和4I13/2能级时Er+3的荧光寿命有最大值。即，可以理解，在这一实施例中按Pr+3对Er+3的混合重量比在1.3微米和1.55微米波长下呈现最大光放大效率。
实例5
除了进一步添加含量为百万分之1500的Er+3及含量为百万分之300的Pr+3以外，按照与比较实例1相同的方式制造光纤。然后，将光纤切成圆盘形(直径为10毫米，厚度为3毫米)并抛光。然后，利用波长为980纳米的激光束作为光激励源测量该产物的荧光频谱和荧光寿命。在这一波长下，处于4I11/2能级的Er+3呈现最大光吸收率。
结果是，可以同时观察到分别在1.3微米和1.55微米波长下由从1G4能级到3H5能级的电子跃迁引起的Pr+3荧光发光；和从4I13/2到4I15/2能级的电子跃迁引起的Er+3荧光发光(见图1(e))。在每种波长下荧光光强出现饱和即在最大值下。此外，分别在1G4能级时的Pr+3荧光寿命为794微秒，在4I11/2能级和4I13/2能级时的Er+3荧光寿命分别为1870微秒和3240微秒(见图2)。
根据实例5，如图3中所示，在1.3微米波长下在1G4能级时由Pr+3和在1.55微米波长下在4I13/2能级时由Er+3同时荧光发光是由于用“b”表示的有效能量转移。与实例4相比较，在4I11/2能级和4I13/2能级时的Er+3荧光寿命稍微降低，这是因为用“b”和“e”表示的能量转移出现饱和。
实例6
将纯度为99.999％或其以上的Ge、Ga和S在一干燥箱中按照25∶5∶70称重，其中氢氧(OH)基和氧的含量维持在百万分之10或其以下，并添加百万分之300的Pr+3以及百万分之300的Er+3。
在将上述成分放入一SiO2试管之后，将该试管置于0.1毫乇的真空条件下持续预定的时间。然后，通过利用含氧-丙烷火焰密封，使该试管形成气密封。
接着此项操作，将该试管置入一摇摆式加热炉，以使试管中包含的各成分完全混合，并将反应产物在950℃下保持12小时。然后，将该试管在空气中冷却，并且在一设置在260℃的加热炉中加热持续1小时。在加热过程之后，将该试管缓慢冷却至室温并将其破碎成碎块，最终形成掺有Pr+3和Er+3且由Ge25Ga5S70硫化玻璃构成的光纤，其中晶格振动驰张量是微小的。
将光纤切成圆盘形(直径为10毫米，厚度为3毫米)并抛光。然后，利用波长为980纳米的激光束作为光激励源测量该产物的荧光频谱和荧光寿命。在这一波长下，处于4I11/2能级的Er+3呈现最大光吸收率。
结果是，可以同时观察到分别在1.3微米和1.55微米波长下由从1G4能级到3H5能级的电子跃迁引起的Pr+3荧光发光；和从4I13/2到4I15/2能级的电子跃迁引起的Er+3荧光发光(见图6(a))。
根据实例6，可以理解，可以使用掺有Pr+3和Er+3的Ge-Ga-S玻璃以及掺有Pr+3和Er+3的Ge-As-Ga-S玻璃用作在1.3微米和在1.55微米波长下工作的光放大器的材料。
实例7
除了将Pr+3含量增加到百万分之500以外，按照与实例6相同的方式制造光纤。然后，将光纤切成圆盘形(直径为10毫米，厚度为3毫米)并抛光。然后，利用波长为980纳米的激光束作为光激励源测量该产物的荧光频谱和荧光寿命。在这一波长下，处于4I11/2能级的Er+3呈现最大光吸收率。
结果是，可以同时观察到分别在1.3微米和1.55微米波长下由从1G4能级到3H5能级的电子跃迁引起的Pr+3荧光发光；和从4I13/2到4I15/2能级的电子跃迁引起的Er+3荧光发光(见图6(b))。此外，随着Pr+3含量增加，在图3中用“b”和“e”表示的方向上的能量转移增加。因此，在1.3微米波长下在1G4能级时的Pr+3荧光发光增加，而在1.55微米波长下在1G4能级时的Er+3荧光发光降低。然而，在1.3微米波长下荧光光强增加的速率慢于在1.55微米波长下荧光光强增加的速率，并因此，能够推断用“e”表示的能量转移比用“b”表示的能量转移更快。
概括上述结果，可以理解，Pr+3的增加是不希望的。
工业应用
如上所述，在根据本发明的光放大器中使用的光纤可以应用于1.3微米和1.55微米波长，与常规的使用仅包含Pr+3的光纤的光放大器的光放大相比较效率有所提高。

Claims (6)

1．一种用于光放大器的光纤，该光纤由掺有稀土离子的玻璃构成，其中将镨离子(Pr+3)和铒离子(Er+3)两者用作稀土离子，以及该玻璃是一种氟化玻璃或硫化玻璃。
2．根据权利要求1所述的光纤，其中该硫化玻璃是锗-砷-镓-硫(Ge-As-Ga-S)玻璃或Ge-As-S玻璃。
3．根据权利要求1所述的光纤，其中该氟化玻璃是一种包含锆(Zr)、钡(Ba)、镧(La)、铝(A1)和钠(Na)的ZBLAN玻璃。
4．根据权利要求1所述的光纤，其中Pr+3对Er+3的混合重量比在1∶1到1∶3之间。
5．根据权利要求1所述的光纤，其中将具有能够吸收Er+3的波长的激光用作激励光纤的光源。
6．根据权利要求1所述的光纤，其中Pr+3的含量为百万分之100-1000,Er+3的含量为百万分之100-5000。
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