CN1434994A - 稀土聚合物光学放大器或光纤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了节约成本的、紧密的、光泵激的、高增益的稀土聚合物材料如铒(Er³⁺)全氟聚合物，在通讯网络系统中运行的电信波长下低损耗的由该材料制成的光纤和由该材料制成的波导放大器。聚合物放大器是基于新型高性能稀土(RE)聚合物材料的应用。这种新发现的高度透明的RE聚合物材料是在高RE离子浓度下(约10²⁰－10²¹稀土离子/cm³，约10wt％)直接合成的，通过隔离共价结合的、全氟化磷酸根配位体而将每一个金属离子包覆和物理缓冲，然后所述全氟化磷酸根配位体形成高温稳定性的聚合物骨架基体。这明显不同于广泛研究的无机玻璃和单晶体，在无机玻璃和单晶体中，将RE离子盐直接掺在介质中，只是RE离子盐的含量较低(＜0.1wt％)。

Description

稀土聚合物光学放大器或光纤

技术领域

本发明涉及稀土聚合物组合物，光纤，光波导，特别涉及光学放大器波导和分光器。

背景技术

基于玻璃光纤(GOF)的光通讯系统不仅能够长距离低衰减地传送通讯信号，而且能够以极高信息率或带宽容量传送通讯信号。这种能力来源于位于0.85，1.3和1.55μm的近红外波长的单光信号模在低损耗玻璃窗中的传播。由于掺饵光纤放大器(EDFA)的应用，近十年来出现了单模GOF，这种单模GOF在广域网(WAN)，特别是陆地和跨海通讯中枢线路(backbones)中用作标准数据传输介质。另外，随着密集波分复用(DWDM)的发展，单模GOF的带宽性能已得到很大提高，密集波分复用(DWDM)最多能将160信道不同波长的光耦合成一个单光纤，每一信道载有每秒几吉(10⁹)比特的数据。另外，在近来的演示中，在一个100信道的DWDW系统中，在一个单光纤上可以传输每秒1兆兆比特(10¹²比特)的信号。这些技术及其它技术能够使通讯网络的带宽容量以每年一个数量级的速度增加。

单模GOF在长距离通讯中枢线路中的成功应用产生了新的光网技术。其通常目的是在所有光学系统上将声音视频和数据流集合成通讯信号，通过光纤从WAN下传至小型局域网(LAN)，下传至路边(FTTC)、家庭(FTTH)、最终到达终端用户，到达用户桌面上的电脑(FTTD)。其例子是最近开发的因特网和万维网的应用，这些网络在短程和中程应用方面非常需要更高的带宽性能。但是，因为光网接近始于LAN阶段的终端用户，所以该系统的特征在于有许多光纤接合、接头和耦合器，特别是与将输入信号分成许多信道相关的那些光纤接合、接头和耦合器。所有这些都会导致很大的光损耗。为了补偿这些不可接受的高损耗代价，目前的解决办法依赖于昂贵的大容量EDFA，其光纤长度约为40m。一般商用EDFA的成本可达数万美元。因此，为了在美国完成计划扩建的FTTC、FTTH和FTTD，需要数百万个放大器和数千亿美元的费用。

EDFA模块由多个关键部件构成。其中最关键的一个部件是掺铒石英光纤(EDF)。目前，EDF受到下述因素的限制：低浓度的铒原子，能够使光致发光熄灭的群集(clustering)，较窄的发射谱带，高波长依赖性的增益谱，不能以紧密的平面几何形状制作。有人尝试过在熔融石英玻璃基质和其它包括氟化玻璃、亚碲酸盐玻璃和磷酸盐玻璃的玻璃中使用其它稀土离子。在这一点上，这些尝试受制于这些玻璃介质在它们溶解稀土原子的能力、机械性能、热稳定性及其它关键性能方面的基本材料性能。

本发明的有益效果建立在开发了稀土氟次膦酸盐聚合物材料的基础上，该材料具有下述优越性能：

与宽范围的稀土元素的兼容性，在使用普通介质平台的情况下这些稀土元素就能够覆盖全部1500-1600nm的波长范围(并超出这一范围)；

非常高浓度的稀土元素，并且不会有相关的熄灭和上变频的代价，可以使用以厘米和更小单位计的非常短的光纤；

非常低的内在光损耗；

可以拉制成单模光纤；和

可以铸成用于平面型波导领域的膜。

节约成本的紧密集成光路是这一问题的优选解决方法，但是目前还没有这样的方法。

本发明的目的是提供用标准硅VLSI(超大规模集成)生产方法和光纤拉丝法易于加工的新型光波导材料。

本发明的另一目的是生产在短程和中程通讯网络系统中低损耗的光纤放大器及其使用的材料。

本发明的目的是生产集成光学部件，这是一种在保持高信噪比的同时将输入光信号放大和分光结合的低损耗分光器。

发明内容

本发明公开的是节约成本的、紧密的、光泵激的、高增益的稀土聚合物材料如氟亚膦酸铒(Er³⁺)，在数据通讯网络系统中运行的电信波长下低损耗的由该材料制成的光纤和由该材料制成的光学放大器。聚合物放大器是基于新型高性能稀土(RE)聚合物材料的应用。高度透明的RE聚合物材料是在高RE离子浓度下(约10²⁰-10²¹稀土离子/cm³，约10wt％)直接合成的，通过隔离共价结合的、全氟化磷酸根配位体而将每一个金属离子包覆和物理缓冲，然后所述全氟化磷酸根配位体形成高温稳定性的聚合物骨架基体。这明显不同于广泛研究的无机玻璃和单晶体，在无机玻璃和单晶体中，将RE离子盐直接掺在介质中，只是RE离子盐的含量较低(＜0.1wt％)。

图1所示的RE聚合物材料设计为使用在利用多个建模(modeling)和计算机模拟的集成光学电路部件中。利用这种RE聚合物材料，聚合物放大器的长度可以短至几厘米，这是因为其有＞5dB/cm的超高增益系数。与用节约成本的VLSI方法生产平面型波导结构互为补充的是，用标准廉价拉丝方法(fiber drawing methods)制造光纤放大器部件以进一步大大降低最终集成光学器件的成本。

使用RE聚合物材料使这些光学器件具有多种独特性能和优点。这些性能和优点包括均匀分布的高RE离子浓度，提高的光学跃迁距(opticaltransition moments)，可控的衰减率和分支比，新的能量转移效应，在近红外区较低的光损耗。这些关键特征的结合在标准掺RE的石英玻璃及无机晶体中是没有的。

RE聚合物体系具有许多突出的材料性能。这些性能包括：简单的通过标准有机方法的两步合成法；易于合成改性；易于用标准方法制造光纤和平面型波导；和各种包覆材料的相容性；高的热稳定性、机械稳定性和光稳定性；在室温可以作业。另外，用简单铸造和标准旋涂方法易于将这种新RE聚合物制成高度透明的薄膜。对于紧密光学放大器件来说，石英玻璃和无机晶体系统的工艺性能不如RE聚合物材料。

含RE的聚合物的成功实现并不简单，其原因是基本而内在的。普通的有机聚合物含有高频光学声子，如O-H拉伸(约3600cm^-1)和C-H拉伸(约3200cm^-1)振动。这些振动在声子帮助的非辐射性除去光激发的RE离子中的电子激发能中起着决定性的作用。RE亚稳状态的这种非辐射性衰减能够显著降低含RE的材料的辐射效率，因此将严重降低放大器器件的性能。这种现象在使用Er³⁺的情况下表现得特别强烈，因为基态和亚稳电子状态之间的能域较小。另外，同样的O-H和C-H振动的高阶泛音也是在标准聚合物光纤和波导中观察到的在全部近红外区不可接受的高光吸收损耗的原因。因此，同样的解决声子帮助的非辐射性衰减问题的方法自然也适用于解决光学聚合物中有害的吸收损耗问题。

为了得到超高增益聚合物光纤放大器和解决这些基本问题的方法，我们用新型RE氟亚膦酸盐聚合物作为活性波导芯材料。在这些材料中，通常为高频的所有O-H和C-H键都被频率振动大大降低(约1000-1200cm^-1)的C-F键取代。本发明公开几种普通种类的用于光学放大领域的高光学透明度的RE全氟聚合物。在这些聚合物中，RE离子浓度较高，为10²⁰-10²¹RE离子/cm³数量级。同时，我们发现很多可以与我们的新型RE全氟聚合物一起使用的作为包覆材料(cladding materials)的其它含氟聚合物。除Er³⁺外，所有的RE金属离子都可以以这种方式高浓度地被包覆起来。

附图说明

图1是氟亚膦酸铒聚合物的示意性聚合物链结构；

图2是铒发色团3级模型的能级图；

图3示出RE全氟聚合物中的光能转移机理；

图4是皮秒荧光和辐射寿命的测试装置；和

图5示出用标准硅VLSI加工步骤制造聚合物信道波导。

具体实施方式

稀土聚合物组合物的优选材料的一个通式为

                         {X(OOPRR′)₃}_n

其中，X是稀土元素。合适的稀土元素包括铒、铕、钐、镝、钕、镨、铥和镱。也可以考虑这些材料的混合物。其它所有的稀土离子也在本发明的考虑范围内。R优选为全卤代的有机基团，R′是另一个全卤代的有机基团，与R相同或不同。

R和R可以是通式为C_mF_2m+1的氟烷基链，其中，m≥1，R＝R′或R≠R′。另一个特殊基团是分子式为C₆F₅O的六氟代苯氧基。

该聚合物的组成还可以包括商购的含氟聚合物，包括氟化聚酰亚胺、聚四氟乙烯、氟化丙烯酸酯、氟化硅氧烷和带有商标的含氟聚合物如CYTOP(Asashi玻璃)和THV(3M)。

上述组合物用于生产光纤芯。可以用折射率比芯低的合适材料包覆芯。芯/覆层折射率的差值很小，足以生产光波长为1200-1700nm的单光模。

另外，上述组合物用于生产含基片、缓冲膜、导向层和上部包覆膜的光学放大膜，使缓冲膜和上部包覆膜的折射率低于导向层膜的折射率，得到的波导能够为光波长为1200-1700nm的单光模导向。

RE波导放大器在基本的3级和4级激光跃迁原理下运行。波导放大器的单程增益值是要计算的基本参数。和大多数类型的激光系统一样，RE聚合物波导中的放大倍数可以用3级模型描述。图2示出Er³⁺离子的这样的模型的能级图。

在放大器中，RE离子以其基态即从能级1启动。然后用泵激光子束将电子激发到能级2，光子束的能量hω_p等于1→2的跃迁能。这些离子随后快速非辐射性衰减到能级3，这是系统的亚稳态。与非辐射性衰减相比，该亚稳态的寿命很长。结果在能级3中产生粒子数反转。然后，当信号束经过这些离子时，将激发带有同样信号能hω_s的光子发射。该受激衰减从能级3回到能级1，即回到基态。

包覆RE离子作为发色团的最大的优点之一是能够控制电子激发状态的倍数。条件是在发色团单元周围的有机配位体和中心RE离子之间存在光能转移机理，其中，RE激发状态可通过发色团配位体的选择性吸收(“聚光”)，然后将能量转移到RE位上而布居(populated)。这种转换可达到机组效率(unitefficiency)，结果是能够非常大地增加吸收截面，其吸收界面是裸RE离子的10⁴-10⁵倍。

该过程示于图3，图3示出发色团配位体单频带是如何首先被泵激光激发然后通过系统间过渡态(IC)非辐射性衰减到其瓶颈三重态的。辐射跃迁回基态是自旋禁阻的，因此，发色团配位体可以通过将能量转移到包覆的RE离子上而弛豫。再次通过发色团结构调节配位体三重态和RE荧光跃迁的上一能级之间的能域能够使这种能量转换最大化。

光波导的光衰减系数决定了发送信号的输出强度。在光聚合物中造成光损耗的各种因素可以分成内在损耗和外在损耗。内在损耗包括聚合物材料的振动吸收、电子跃迁吸收和瑞利散射。外在损耗包括由于杂质引起的吸收、来自灰尘和微孔(microviods)的散射、光纤参数的缺陷。外在损耗与材料的加工和光纤的制造有关，因此，通过完善每一个工序可以降低外在损耗。内在损耗与材料有关，如果材料组成没有大的改变，就不能降低内在损耗。

标准光聚合物材料是基于碳氢(C-H)结构的。原型的例子是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其在由C-H振动泛音模产生的吸收最大值之间有三个主要损耗窗口，其波长为570、650和780nm。在高光学性能的样品中，波长为650nm的主窗口处测定的最小损耗为110dB/km，非常接近理论极限值106dB/km。在光聚合物波导中，PMMA中的脂肪烃的分子振动是主要的内在损耗因素。基本的CH振动发生在3.2μm处。在可见光波长范围内的衰减损耗主要受到CH吸收的第五至第七个高谐波的影响。在650nm的窗口中，CH吸收造成的损耗在全部损耗中约占90dB/km。在近红外区，最小损耗超过10⁴-10⁵dB/km，因此，在850、1300和1550nm的三个电信波长处不能使用标准光聚合物和基于这些聚合物的RE发色团结构。

谐波吸收带的强度随每一个连续谐波下降一个数量级。如果用更重的原子取代氢，则基本振动和下一个谐波的波长将移至更长的波长区。影响近红外区的高次谐波的等级将更高，这将大大降低振动吸收。

事实上，当用在10μm处有非常长的基本拉伸振动的C-F键取代短波长的O-H和C-H键时，得到的含氟聚合物波导在近红外区上有几乎平坦的色散(flat dispersion)，其损耗降至10dB/km。造成含氟聚合物损耗的主要因素是不依赖于波长的结构化波导的缺陷和瑞利散射，α_R＝9.5(568/λ)⁴dB/km，这是基于对氟化聚合物波导的测定。由于电子吸收造成的损耗和由于分子振动吸收造成的损耗一样通常忽略不计。在可见光区C-F振动泛音基本上不存在，在近红外区甚至最高到约1500nm处C-F振动泛音的强度都远低于1dB/km。因此，全氟化聚合物波导的全部理论损耗在近红外区中接近10dB/km，在大部分可见光谱上小于25dB/km。

人们已经开发了多种直接用于无源光波导的含氟聚合物，例如，包括醚-、全氟甲基-和氯-取代的(聚四氟乙烯)；丙烯酸酯；硅氧烷；聚酰亚胺；聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏氟乙烯(PVDF)的共聚物和三元共聚物。

在聚合物光纤波导芯材料中用C-F键取代O-H和C-H键对于RE系统的所有辐射效率非常重要。O-H拉伸(约3600cm^-1)和C-H拉伸(约3200cm^-1)振动在声子帮助的非辐射性除去激发的RE离子中的电子激发能中起着决定性的作用。RE亚稳状态的这种非辐射性衰减显著降低了辐射效率，因此将恶化放大器器件的性能。声子帮助的衰减随跨跃亚稳态和基态之间的能域所需要的声子数目的增加而呈指数规律地降低。在新型RE全氟聚合物中，高频O-H和C-H键被频率振动大大降低(约1000-1200cm^-1)的C-F键取代，因此，RE位具有长的亚稳态寿命(约1-10ms)。

本发明公开了两种普通种类的用于光学放大领域的高光学透明度的RE全氟聚合物的设计与合成方法(图1)。基本的全氟磷酸盐结构避免引入O-H和C-H键且利用C-F键。在这些新型聚合物中，Er³⁺离子浓度较高，其数量级为10²¹离子/cm³。本发明还公开了与新型RE全氟聚合物一起使用的用于包覆材料的商购含氟聚合物。除Er³⁺外，单一RE金属离子及多种RE金属离子的组合都可以高浓度地被包覆在基本聚合物结构中。

测定和表征这些新型材料的辐射性能。这些RE发色团的基本结构由隔离的被分子“配位壳”(coordination shell)包覆的单一RE离子构成。为了生成这种壳，用全氟化有机次膦酸根配位体和配位供电子原子化学键合在RE离子上，这不仅能够隔离RE离子，还能为RE离子形成物理-化学阻挡层(barrier)。这些RE聚合物与适用作无源包覆材料的高温全氟化聚合物高度相容。RE浓度可达到约10²⁰-10²¹离子/cm³，约10wt％的RE离子，并且没有副作用，如群集和寿命熄灭。这些较高浓度值是与石英玻璃及无机晶体中一般的上限0.1％相比较而言。

重要的是用Judd-Ofelt分析法评价Er³⁺全氟聚合物的光学性能，以便得到重要的跃迁到亚稳态的辐射寿命和发射截面。简而言之，评价结果证明，几厘米长的聚合物波导在性能上可以与一般用在40米长的商用EDFA中的掺Er³⁺的石英玻璃相比。这些结果为选择使用RE全氟聚合物材料提供了进一步的依据。

下面是基于铒的实施例。所述方法与用其它所有稀土离子如铕、钐、钕、镝、镨、镱等的方法相同。

实施例1 二氟次膦酸铒聚合物

将二(六氟代苯氧基)次膦酸[(C₆F₅O)₂POOH](1.97gm；0.00458mol)加入氯化铒(ErCl₃ 6H₂O)(0.8736gm；0.00229mol)在11ml四氢呋喃的溶液中。铒溶液显得很浑浊，将其回流加热30分钟。在搅拌的同时滴加溶解在2.74ml水中的碳酸钾(K₂CO₃)(0.475gm；0.0034mol)。然后将溶液加热至沸腾以蒸发掉四氢呋喃。补加水以保持溶液的总体积。当蒸发接近完成时，将出现大量固体二氟次膦酸铒聚合物(Er[O₂P(OC₆F₅)₂]₂(OH)(H₂O)。将该固体残渣过滤后用水多次洗涤。在室温下风干后，在110℃的真空炉中将带点粉红色的白色粉末干燥24小时。干燥后产量为1.84gm。分析：ErC₂₄F₂₀H₃₀O₁₀P₂的计算值：C27.16；F35.84；P5.85；H0.28；Er15.78；实际值：C26.90；F35.39；P5.63；H0.20；和Er15.85。

实施例2 三氟次膦酸铒聚合物

将二(六氟代苯氧基)次膦酸[(C₆F₅O)₂POOH](0.057gm；0.13mmol)加入溶解在3ml邻二氯苯中的二氟次膦酸铒聚合物(Er[O₂P(OC₆F₅)₂]₂(OH)(H₂O)(0.140gm；0.13mmol)中。在氮气下在油浴中将溶液加热到100℃，约10分钟。得到透明而略呈粉红的溶液。一停止加热，溶液就变得粘稠。将粘稠混合物置于氮气中，慢慢去除溶剂。将得到的略带粉红的白色固体收集后置于40℃的真空炉中过夜。干燥后产量为130mg。分析：ErC₃₆F₃₀O₁₂P₃的计算值：C29.73；F39.18；P6.39；H0.0；和Er11.5；实际值：C28.52；F38.94；P6.61；H0.16；和Er11.4。

实施例3 氟烷基次膦酸铒聚合物

将6ml无水丙酮中的(C₇F₁₅)₂POONa(0.618gm，0.77mmol)加入0.5ml无水丙酮中的无水氯化铒(ErCl₃)(0.070gm；0.257mmol)溶液中。得到的溶液在室温下搅拌约72小时，搅拌后从溶液中析出略呈粉红色的固体，通过用丙酮的传递将溶液过滤。干燥前的总产量为0.581gm。用水搅拌211mg的产品，过滤后在65℃的真空炉中干燥，产量为190mg。分析：Er[OOP(C₇F₁₅)₂]₃的计算值：C18.91，F63.63，Er5.49；实际值：C17.26，F60.26，Er5.69。

实施例4 氟烷基次膦酸铒聚合物

将11ml无水丙酮中的(C₈F₁₇)₂POONa(1.256gm，1.36mmol)加入0.82ml无水丙酮中的无水氯化铒(ErCl₃)(0.124gm；0.45mmol)溶液中。将形成的固体搅拌约72小时，搅拌后过滤略呈粉红色的固体，并用丙酮洗涤。过滤后的固体在70℃的真空炉中干燥两天，得到1.15gm的干燥固体。Er[OOP(C₈F₁₇)₂]₃的计算值：C18.91，F63.63，Er5.49；实际值：C17.49，F62.94，Er6.51。

实施例5 氟烷基次膦酸铒聚合物

将5ml无水丙酮中的(C₈F₁₇)₂POONa(0.615gm，0.665mmol)加入0.4ml无水丙酮中的无水氯化铒(ErCl₃)(0.060gm；0.222mmol)溶液中。将反应混合物搅拌约72小时，得到的过滤后略呈粉红色的固体用丙酮洗涤，并在65℃的真空炉中过夜，得到520mg的干燥固体。

实施例6 荧光寿命

将实施例5的干燥粉末在100℃的真空炉中进一步干燥，将得到的粉末置于两个玻璃显微镜载片之间。然后将该样品置于图4所示的装置中，但是用980nm激光取代Nd：YAG激光，用长程滤波器取代单色器，用光电二极管取代光电倍增管(PMT)。将长程滤波器设计为堵塞980nm的散射光，但是用光电二极管捕获1500-1600nm的荧光。确认滤波器正常工作，不使980nm的光产生信号。在50Hz重复率下用矩形调制波(square wave modulationprofile)调制980nm激光。这种980nm光激励Er³⁺氟次膦酸盐聚合物发出荧光，用示波器观察荧光寿命。得到的数据符合单指数衰减，其寿命测定为2.57毫秒。

实施例7 制备薄膜

在室温下将实施例5的干燥粉末以浓度为10wt％溶解在N，N-二甲基乙酰胺中。然后将得到的溶液浇铸在显微镜载片上，在115℃的炉中干燥，得到Er³⁺氟次膦酸盐聚合物薄膜。用明暗场显微镜检查该膜，证实该膜由无定形薄膜材料组成，适用于光波导。

实施例8

公开了一种使用RE聚合物材料的放大器系统。在通讯系统中使用的主要波长为1550nm。这里公开和分析用980nm光泵激并在1550nm下工作的Er³⁺全氟聚合物波导。

表征放大器的重要量化性能是其单程增益值(single pass gain)。1550nm的Er跃迁进行3级激光跃迁(图2)。如上所述，能级2是发色团配位体的吸收带，因此，能够使吸收增强。从实验中常常发现：能级2的寿命比亚稳态(能级3)的寿命短得多，因此，能级2的稳定态布居可忽略不计。因此，离子的总数密度由N＝N1+N3给出，其中，Ni表示状态i的布居。然后解稳定态方程，得到 $\frac{N_1}{N}=\frac{W_{31}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_3}}{W_{31}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_3}+W_{12}},\frac{N_3}{N}=\frac{W_{12}}{W_{31}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_3}+W_{12}}$

其中，W12和W31分别是受激吸收和受激发射率。τ3是亚稳态寿命。下面给出受激跃迁率 $W_{12}=\frac{{\mathrm{\σ}}_p{I}_p}{{\mathrm{h\ν}}_p};W_{31}=\frac{{\mathrm{\σ}}_e{I}_s}{{\mathrm{h\ν}}_s}$

其中，σ_p是泵激波长下的吸收截面，hυ_p是泵激光子能，Ip是泵激光子强度。类似地，σ_e是发射截面，hυ_s是信号光子能，I_s是信号光子强度。由稳定态布居(方程1)，可以导出泵激和信号束强度沿波导长度(Z向)的变化。忽略受激态的吸收，下面给出强度方程 $\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\frac{{\mathrm{dI}}_p}{\mathrm{dz}}\mathrm{rdrd\φ}=-\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}(n(r,\mathrm{\φ},z){\mathrm{\σ}}_p{N}_1+{\mathrm{\α}}_p)I_p\mathrm{rdrd\φ}$ $\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}\frac{{\mathrm{dI}}_s}{\mathrm{dz}}\mathrm{rdrd\φ}=-\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\∫}}(n(r,\mathrm{\φ},z){\mathrm{\σ}}_e{N}_3-{\mathrm{\α}}_s)I_s\mathrm{rdrd\φ}$

其中，n(r，φ，z)是RE离子分布，α_p和α_s分别是未掺杂聚合物在泵激波长和信号波长上的吸收系数。这些一阶微分方程通过稳定态布居密度进行结合，通过在波导截面上对信号和泵激波函数积分并用四阶Runge Kutta法可以解这些方程。

直径为6μm的Er³⁺全氟聚合物波导放大器的测试结果显示：对于长度为3cm的波导来说，相对于波导宽度的放大器增益有约30dB的最大增益。对于宽4μm的波导来说，单程增益与长度的相关性表示最大增益为34dB时的最佳长度约为5cm，比一般的石英玻璃EDFA短三个数量级。这一特性是与石英玻璃EDFA(＜0.1wt％)相比的高RE浓度(约10²⁰-10²¹离子/cm³，约10wt％)的直接结果。因此，我们的RE全氟聚合物系统的一个突出优点是它们有助于制备只有几厘米和更小数量级的非常短的光波导器件。

如上所述，很多商用含氟聚合物可以与我们的新型RE全氟磷酸盐聚合物一起用作包覆材料。近来已经开发了新型低熔点氟磷酸盐玻璃及其制造方法。这些玻璃在从近紫外到近红外区是透明的。它们致密、耐化学腐蚀、硬度较大、易于制成各种形状和大小。有机发色团和聚合物粉末在280℃下易于掺入这些玻璃中，使其成为许多荧光有机物的合适基质。我们已经得到了氟磷酸盐玻璃中掺有高光学性能的有机发色团的混合材料。Er³⁺氟次膦酸盐聚合物可高浓度地掺入这种低熔点氟次膦酸盐玻璃中，形成光纤波导芯材料。较低折射率的未掺杂的氟次磷酸盐玻璃可以用作光纤包覆材料。这意味着该材料不用致密化就可拉成光纤。

用图4所示的装置测试RE聚合物的光学性能。该装置可用于测试激光跃迁和发射光谱的亚稳态寿命。该试验使用激光泵源和计算机辅助检测系统，计算机辅助检测系统包括PMT、数字示波器和单色器。通过皮秒Nd：YAG激光利用能量转换天线效应泵激RE聚合物样品。因为泵激脉冲比受激亚稳态的寿命短得多，所以可简单地通过监测荧光信号的动态衰减测定这些寿命。为了使泵激散射最小化，以垂直于入射泵激光束的方向检测荧光信号。光集中在选择波长的单色器上并用PMT检测。用数字示波器记录信号，将数据传到计算机上进行分析。单色器在波长范围内扫描并记录相应强度即可得到完全的荧光光谱。

用标准熔融拉丝方法和用于集成无源聚合物光波导器件的硅VLSI技术可以生产Er³⁺全氟聚合物光纤放大器/分光器。RE聚合物光纤放大器可以在V型凹槽内对齐，并通过光纤输出线连接到聚合物光电路上，光电路由用于1550nm信号和980nm泵激的2信道波导光纤耦合器和用标准光学平版印刷技术制成的N信道分光器组成。与光纤放大器耦合的每一个聚合物波导都是通过活性离子蚀刻然后用合适的聚合物外覆层(over cladding)进行外涂(overcoated)后制成的。

通过在波导输出端面处引入合适的Bragg反射器过滤光泵激光。在旋涂前，用周期划线技术(periodic rulings)蚀刻硅基片，在RE聚合物材料沉积时形成所需要的Bragg反射器。用另一个Bragg光栅作为输入耦合器可以将输入和输出波导的光耦合。另外，简单的端射耦合(end fire c oupling)、滤波和检测都是容易的可供选择的方案。

Claims (11)

1、一种由至少一种通式为{X(OOPRR′)₃}_n的聚合物制成的光学材料，其中：

X是稀土元素；

R是全卤代的有机基团；和

R′是第二个全卤代的有机基团。

2、根据权利要求1的材料，其中，X选自铒、铕、钐、镝、钕、镨、铥和镱。

3、根据权利要求1的材料，其中，R和R′是通式为C_mF_2m+1的氟烷基链，其中，m≥1，R≠R′。

4、根据权利要求1的材料，其中，R和R′是通式为C_mF_2m+1的氟烷基链，其中，m≥1，R＝R′。

5、根据权利要求1的材料，其中，R＝R′，二者都是分子式为C₆F₅O的六氟代苯氧基。

6、根据权利要求1的材料，其还包括含氟聚合物。

7、根据权利要求6的材料，其中，含氟聚合物是氟化聚酰亚胺、聚四氟乙烯、或聚四氟乙烯、氟化丙烯酸酯或氟化硅氧烷的衍生物。

8、根据权利要求1的材料，其还包括至少一种卤代聚合物。

9、根据权利要求1的材料，其还包括至少一种氟磷酸盐玻璃。

10、一种光学放大光纤，其包括由权利要求1的材料构成的光纤芯和由较低折射率材料构成的光纤覆层，芯-覆层折射率的差值很小，足以得到光波长为1200-1700nm的单光模。

11、一种光学放大膜，其包括基片、缓冲膜、由权利要求1的材料构成的导向层膜、上部包覆层膜，结果是缓冲膜和上部包覆膜的折射率低于导向层膜的折射率，得到的波导为光波长为1200-1700nm的单光模导向。

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