DE60106122T2

DE60106122T2 - Quarzglaszusammensetzung mit Lasereigenschaften, optischer Wellenreiter und Verstärkungsverfahren für optische Signale

Info

Publication number: DE60106122T2
Application number: DE60106122T
Authority: DE
Inventors: Richard Woodbridge Wyatt; Robert Michael Ipswich Percival
Original assignee: British Telecommunications PLC
Current assignee: British Telecommunications PLC
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: ATE279037T1; DE60106122D1; US6628883B2; US20020021882A1; CA2339391C; CA2339391A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Quarzglaszusammensetzung, und insbesondere bezieht sie sich auf eine Quarzglaszusammensetzung, bei der die Laserspezie Thulium ist, z.B. das Ion Tm³⁺. Die Erfindung findet Anwendung im Bereich von Wellenleitern.
Derzeit ist eine Strategie zur Erhöhung der Datenmenge, die über ein Telekommunikationsnetzwerk übertragen wird, Wellenlängenmultiplex WDM. In diesem System wird jedem Wellenlängenkanal typischerweise ein Frequenzschlitz von 100 GHz (0,8nm) zugeordnet, in dem es arbeiten soll, und eine große Anzahl von diesen Kanälen wird dann zusammenmultiplexiert und über eine einzelne Übertragungsfaser gesendet.
Für Übertragungssysteme von weniger als 100km erstreckt sich der Wellenlängenbereich, über den Signale gesendet werden können, von etwa 1430 bis 1680nm. Mit anderen Worten wird dieser Bereich nur durch die Variation der grundlegenden Übertragungseigenschaften des optischen Fasermediums begrenzt. Für die Systeme von mehr als 100km wird die Abschwächung in der optischen Faser bedeutsam, sodass die Signale periodisch mit einem optischen Verstärker verstärkt werden müssen. Da der Verstärker der Wahl für aktuelle Systeme auf Erbium-dotierten Quarzfasern basiert, der eine Bandbreite von ungefähr 30 – 40nm hat, führt dies zu strengen Begrenzungen der Anzahl von Kanälen, die tatsächlich auf eine einzelne Faser multiplexiert werden können. Obwohl manche Verstärkerentwürfe ermöglichen, die Verstärkungsbandbreite um den Faktor 2 zu erhöhen, sind sie wegen einer viel höheren Anzahl von Komponenten viel weniger verlässlich, und typischerweise sehr kostspielig. Auf jeden Fall stellen die 80nm, die mit Verstärker mit erhöhter Bandbreite erreicht werden, immer noch nur einen kleinen Bruchteil der verfügbaren Bandbreite von optischen Fasern dar.
Um die Bandbreite von photonischen Verstärkern zu erhöhen, wurden andere Seltenerd-Elemente als Erbium betrachtet. Thulium ist ein solches Seltenerd-Element, das kürzlich Gegenstand einiger Untersuchungen war.
W. S: Bocklesby, J.E. Townsend, D.J.B. Brinck & R.S. Brown „Nonradiative Relaxation in a Ta-doped Silica Fibre", Opt. Mats, Vol. 3 pp205–208, 1994 beschreibt mit Tm³⁺ dotiertes Quarzglas mit einer Dotierungskonzentration von ungefähr 75 Teilen pro Million (parts per million, ppm). Manche der Eigenschaften von thuliumdotierten Tantalsilikatfasern, thuliumdotierten Germaniumsilikatfasern und thuliumdotierten Aluminiumsilikatfasern sind untersucht worden. Insbesondere Bocklesby et al. haben beobachtet, dass die Bestandteile des Abklingens der Fluoreszenz bei thuliumdotierten Tantalsilikatgläsern länger sind als die bei thuliumdotierten Germaniumsilikatfasern oder thuliumdotierten Aluminiumsilikatfasern. Obwohl die Zugabe von Tantal zu dem Quarzglas die Abklingzeit der Fluoreszenz in den thuliumdotierten Tantalsilikatfasern zu erhöhen scheint, erleidet die Faser große Verluste, die ihre Verwendung als optisches Verstärkermedium ausschließen.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine thuliumdotierte Faser zu schaffen, die gesteigerte Abklingzeiten der Fluoreszenz und verringerte Verluste aufweist (d.h. verringerte Abschwächung optischer Signale).
Diese Erfindung, die durch die Ansprüche 1 – 25 näher definiert ist, basiert auf der überraschenden Entdeckung, dass das Vorhandensein von Germanium in geringen Konzentrationen in einem thuliumdotierten Tantalsilikatglas den Wirkungsgrad des Glases verbessert, weil es die Abschwächung optischer Signale verringert.
Damit die Erfindung vollständiger verstanden werden kann, werden nun Ausführungen davon als Beispiele beschrieben, wobei sich auf die Zeichnungen im Anhang bezogen wird, von denen:
1 eine Faser zeigt, die mit dem MCVD-Prozess hergestellt wurde, und die einen Kern hat, der das Glas nach der vorliegenden Erfindung enthält;
2 einen Verstärker zeigt, der ein optisches Medium nach der vorliegenden Erfindung enthält;
3 ein Diagramm mit Energieniveaus von Thulium zeigt;
4 einen Graph zeigt, der die Variation der Einbettung von Tantal in Glas mit Germaniumkonzentration darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Die bevorzugte Ausführung, die ein Glas nach der Erfindung enthält, wie in 1 gezeigt ist, ist eine Faser. 1 zeigt einen Querschnitt einer optischen Faser mit einem Kernbereich 12 und einer Mantelregion 10. Der Kernbereich 12 ist von einer Mantelregion 10 umgeben, die aus einem Glas mit einer anderen Zusammensetzung gebildet wird, die einen geringeren Brechungsindex als die Kernregion 12 aufweist. Die bevorzugte Zusammensetzung des Mantelglases ist reines Quarzglas, das optional Schmelzpunkterniedriger wie etwa Phosphor oder Fluor enthält. Das Glas des Mantelbereichs 10 kann auch Verarbeitungshilfsstoffe enthalten, um das Ziehen von optischen Fasern zu erleichtern. Die Anwesenheit von z. B. Phosphor, Fluor und/oder Bor verringert die Viskosität des Glases, was es ermöglicht, bei geringeren Temperaturen zu arbeiten. Die Konzentration der Verarbeitungshilfsstoffe im Mantelbereich 10 ist nicht kritisch und kann variieren, vorausgesetzt, der Unterschied der Brechungsindizes zwischen dem Mantelbereich 10 und der Kernregion 12 ist ausreichend, um die Wellenleitung zu unterstützen. Die Kernregion 12 enthält Thulium als Laserspezie, die in eine Wirtsglasmischung eingebracht ist. Die Zusammensetzung des Wirtsglases enthält Oxide von Tantal, Germanium und Silizium. Oxide von Tantal steigern z. B. den Brechungsindex der Wirtsglasmischung und erhöhen die Abklingzeit der Fluoreszenz der Thuliumionen. Die Wirtsglasmischung enthält auch Germanium, das wie Tantal den Brechungsindex der Wirtsglasmischung erhöht, aber auch die Abschwächung optischer Signale bei optischen Signalwellenlängen, die sich in dem Glas fortpflanzen, verringert, d. h., das Hinzufügen von Germanium in geringen Konzentrationen verringert die Verluste. Die Zusammensetzung des Wirtsglases wird in den unten angegebenen Beispielen weiter spezifiziert.
Die Laserlänge der Faser hängt mit der verfügbaren Pumpleistung und der Konzentration von Thulium zusammen. Eine höhere Pumpleistung ermöglicht die Verwendung einer längere Laserlänge, und geringere Thuliumkonzentrationen hängen auch mit einer längeren Laserlänge zusammen. Für die meisten Zwecke werden Laserlängen von 1m – 200m, vorzugsweise 10m – 50m als geeignet betrachtet.
Die Erfindung schließt auch Telekommunikationssysteme ein, die einen Verstärker mit einem Eingang und einem Ausgang enthalten, wie in 2 gezeigt ist, wobei die Eingangs- und Ausgangsfasern funktionsfähig an Eingangs- und Ausgangsübertragungsfasern gekoppelt sind.
Es ist klar, dass ein Telekommunikationssystem kompliziert ist. Seine Komponenten sind für die speziellen Anforderungen des Systems individuell entworfen. Die Abmessungen der Faser, die in 1 gezeigt ist, für die Verwendung mit einem Telekommunikationssystem wird in großem Ausmaß durch die Tatsache bestimmt, dass die Ver stärkungsfaser, die in 1 gezeigt ist, so gut wie möglich mit den Übertragungseigenschaften der Übertragungsfaser übereinstimmen soll.
Diese Anforderung zeigt, dass der Kern der Verstärkungsfaser, wie in 1 gezeigt ist, eine ähnliche Größe wie der Kern der Übertragungsfaser haben soll. Es ist leicht zu verstehen, dass nicht übereinstimmende Größen des Kerns verursachen, dass Signale entweder am Eingangs- oder am Ausgangsende verloren gehen. Es ist auch vorteilhaft, dass die äußeren Durchmesser ungefähr gleich sind, was impliziert, dass die Mäntel die gleichen sind. Die Übereinstimmung der Abmessungen der Mäntel ist jedoch weniger wichtig als die Übereinstimmung der Abmessungen der Kerne. Wenn eine Einzelmoden-Übertragungsfaser gewählt wird, stimmen die Durchmesser der Faser, wie in 1 gezeigt ist, mit denen von herkömmlichen Einzelmodenfasern überein. Die Abmessungen einer Einzelmodenfaser variieren in Abhängigkeit der Wellenlänge der übertragenen Strahlung. Die Faser nach der vorliegenden Erfindung kann Strahlung in einem Fenster bei 1470nm oder in einem Fenster bei 1620nm verstärken. Der Wellenlängenbereich, der von dem Fenster bei 1470nm verstärkt wird, wird von der Atomstruktur von Thuliumionen bestimmt, und entspricht der Energiedifferenz zwischen dem ³F₄-Energieband und dem ³H₄-Energieband. Der von dem Fenster bei 1620nm verstärkte Wellenlängenbereich wird durch die Atomstruktur von Thuliumionen bestimmt, und entspricht der Energiedifferenz zwischen den ³H₄- und ³H₆-Energiebändern.
Für die Verwendung mit Einzelmoden-Übertragungsfasern hat die Faser, die in 1 gezeigt ist, typischerweise einen Kerndurchmesser von 5 bis 10 Mikrometern, typischerweise ungefähr 6–8 Mikrometern, d. h. etwas weniger als der Durchmesser der Übertragungsfaser, der ungefähr bei 8 bis 9 Mikrometern liegt, und einen Manteldurchmesser von typischerweise etwa 125 Mikrometern. Die numerische Apertur der Faser, die in 1 gezeigt ist, ist auch mit der Einzelmoden-Übertragungsfaser kompatibel, und liegt typischerweise zwischen 0,08 und 0,15, vorzugsweise um 0,10. Ein Fachmann wird verstehen, dass die genauen Abmessungen einer bestimmten Faser von jeder bestimmten Anwendung dieser Faser abhängen, und auch von jedem bestimmten Herstellungsprozess. Der Fachmann wird auch verstehen, dass Erfahrungen in der Herstellung und Anwendung von erbiumdotierten Faserverstärkern in mancher Hinsicht für thuliumdotierte Faserverstärker relevant sind.
Wenn die Faser, die in 1 gezeigt ist, mit Mulitmoden-Übertragungsfasern verwendet werden soll, sind die Abmessungen anders. Der Kerndurchmesser liegt typischerweise bei 30–100 Mikrometern, und der Manteldurchmesser liegt typischerweise zwischen 100 und 150 Mikrometern. Die numerische Apertur liegt typischerweise zwischen 0,2 und 0,3.
Die Faser, wie sie in 1 dargestellt ist, wurde durch einen im wesentlichen herkömmlichen MCVD-Prozess hergestellt.
Ein Verfahren zur Herstellung optischer Faserwellenleiter, die Glas nach der Erfindung enthalten, verwendet den modifizierten chemischen Dampfabscheidungsprozess (Modified Chemical Vapor Deposition), der üblicherweise als MCVD bezeichnet wird. MCVD ist manchmal als innerer Abscheidungsprozess bekannt, weil die Gläser, die letztendlich den aktiven Teil der Faser bilden, erzeugt werden, indem die äquivalenten Chloride in die gewünschten Oxide umgewandelt werden, die Schicht für Schicht auf der inneren Oberfläche eines Substratrohrs abgeschieden werden. Gewöhnlich werden insgesamt 10–30 Schichten abgeschieden. So, wie es anfänglich abgeschieden wurde, ist das Glas porös, aber das poröse Material wird sofort aufgeschmolzen, damit es eine feste Schicht ergibt, auf die nachfolgende Schichten abgeschieden werden können. Wenn alle Schichten abgeschieden worden sind, wird das Rohr zu einem Stab zusammengedrückt, der zu einer Faser gezogen wird. Um Fasern herzustellen, wird dieses Vorgehen für den Mantelbereich verfolgt. Das Glas nach der vorliegenden Erfindung wird jedoch im porösen Zustand belassen. Das Thulium wird als Lösung in die porösen Schichten eingebracht. Nach dem Entfernen des Lösungsmittels ist die Umwandlung in Thuliumoxid erforderlich. Die poröse Schicht wird verfestigt und die röhrenförmige Anordnung zu einem Vorformstab zusammengedrückt, der dann in eine Faser gezogen wird. Es wird angemerkt, dass das Einbringen von Zusatzstoffen durch Tränken der porösen Schichten eine wohlbekannte Modifikation des MCVD-Prozesses ist. Nachdem sie zu einer Faser gezogen wurde, wird die Faser getempert, bevor sie mit einer Schutzschicht beschichtet wird.
Andere Verfahren zum Herstellen der Faser schließen ein:

1) Axiales Dampfabscheidungsverfahren (VAD, Vapor Axial Deposition), bei der eine poröse Kugel aus dotiertem Quarzglas in eine thuliumdotierte Kugel umgeschmolzen wird, indem bei ungefähr 1200 bis 1400 Grad Celsius in einer Thuliumchloridathmosphäre umgeschmolzen wird. Alternativ kann die Kugel in einer alkoholischen Lösung wie bei dem oben beschriebenen MCVD-Verfahren getränkt werden. Die umgeschmolzene dotierte Kugel wird von einem Mantelglas umhüllt und zu einer Faser gezogen.
2) Von dem äußeren Dampfabscheidungsverfahren (OVD, Outside Vapor Deposition) ist auch berichtet worden, dass damit thuliumdotierte Fasern hergestellt werden können. Dieses ist dem VAD-Prozess ähnlich, aber das Thulium-Dotiermittel wird in die Kugel während des Abscheidungsprozesses aus einer metallorganischen Quelle eingebracht.

In dem MCVD-Prozess wurde ein Substratrohr in einer Glasblas-Drehmaschine gedreht, während ein reaktives Gas durch seine Bohrung geleitet wurde. Die Thuliumionen werden aus der Lösung in die Wirtsglasmischung eingebettet. Die Thulium, Tantal und Germanium-Vorprodukte werden in eine ungesinterte Quarzglasschicht eindiffundiert, die mit MCVD aus einer wäßrigen Lösung abgeschieden wurde. Zusätzliches Trocknen kann erforderlich sein, um sicherzustellen, dass die Kontaminierung durch Hydroxylgruppen minimal ist, aber das nachfolgende Ziehen der Faser verläuft herkömmlich. Um weiter den thermischen Schock zu kompensieren, der auftritt, wenn ein Vorformling zu einer Faser gezogen wird, kann es erforderlich sein, die Faser nach dem Ziehen und vor dem Beschichten mit einer Schutzschicht, z. B. aus einem Kunststoffmaterial, zu tempern. Man hat herausgefunden, dass Tempern der gezogenen Faser die Verluste verringert. Vorzugsweise wird die Faser bei einer Temperatur oberhalb von 900 Grad Celsius ungefähr eine Stunde lang getempert. Nach dem Tempern wird die Faser vorzugsweise wie herkömmlich mit einer Schutzschicht aus Kunststoff versehen.
Die Konzentration von Thuliumionen und Tantal wird festgelegt, indem die Konzentration von jedem Vorprodukt geregelt wird.
In bevorzugten Ausführungen hat man herausgefunden, dass ein Glas mit einer Konzentration von Silizium in dem Wirtsmaterial zwischen 15–25 Gewichtsprozent, einer Konzentration von Germanium in dem Wirtsmaterial zwischen 0,1 und 1 Gewichtsprozent, einer Konzentration von Tantal in dem Wirtsmaterial über 15 Gewichtsprozent oder einer Konzentration von Thuliumionen von ungefähr 500 bis 1000 Gewichts-ppm ein Glas mit einer ausreichenden Fluoreszenz-Abklingzeit liefert, um zu ermöglichen, dass vorherrschend Strahlungsemission auftritt, während es nicht an starken Verlusten leidet. In dem Wirtsglas sind die oben genannten Elemente als Oxide vorhanden, der Rest des Materials besteht aus Sauerstoff.
Als Vergleich wurde ein thuliumdotierter Standard-Al/Ge-Vorformling, Vorformling 208 hergestellt. Mit dem oben beschriebenen MVCD-Verfahren wurden sieben bestimmte Tantal-Germanium ko-dotierte Zusammensetzungen als Vorformen hergestellt. Die Details der Zusammensetzung dieser Vorformlinge sind in Tabelle 1 angegeben. Da es ziemlich signifikante Variationen in der Zusammensetzung entlang der Länge eines Vorformlings geben kann, wurden die Fasern aus den Vorformlingen 223 und 224 von beiden Enden des Vorformlings, dem Ende A und dem Ende B, gezogen. Diese sind mit 223A, 223B, 224A und 224B bezeichnet.
Die Analyse der Zusammensetzung der Vorformlinge, die in Tabelle 1 detailliert dargestellt ist, wurde mit zwei leicht verschiedenen Verfahren ausgeführt: SEM von Typ EDX (Energy Dispersive X-Ray ) und WDX (Wavelength Dispersive X-Ray). Das letztere Verfahren ermöglicht bessere absolute Genauigkeit und wurde deshalb verwendet, um eine Reihe von Vergleichsziffern für die Vorformlinge 208 und 209 zu erstellen. Die erstgenannte EDX-Methode hat eine gute relative Genauigkeit. Folglich wurde die EDX-Methode verwendet, um Vergleichsziffern für die Vorformlinge 220, 222, 223, 224, 225 und 226 in Bezug auf den bekannten Standard zu ermitteln. Die Tabelle enthält die Gewichtsprozente des Materials von Silizium, Germanium, Aluminium und Tantal. Der Rest des Materials der Vorformlinge, die in Tabelle 1 gezeigt sind, besteht aus Sauerstoff. Weil die Konzentration von Thulium zwischen 500 und 1000ppm liegt, ist der Anteil von Thulium an den Gewichtsprozenten der Zusammensetzung sehr klein. Folglich wird ein ungefährer Wert für die Gewichtsprozente von Sauerstoff gefunden, indem man von 100 die Summe der Gewichtsprozente der anderen Bestandteile (Silizium, Germanium, Aluminium und Tantal) abzieht. Ebenso können die Gewichtsprozente von Silizium, Germanium, Aluminium und Tantal mit deren chemische Formeln berechnet werden: SiO₂, GeO₂, Al₂O₃ und Ta₂O₅.
Über das Fluoreszenzspektrum und die Lebensdauer wurden Daten gesammelt, indem ein kurzes Stück der Faser mit einem Ti:Saphir-Laser bei 775nm oder ein Muster eines Vorformlings mit einem Kr⁺-Laser bei 676nm gepumpt wurde. In allen Fällen wurde das Muster in der Nähe des Eingangsspalts eines 0,25m-Monochromators angeordnet und die Emissionen wurden in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Pumpquelle von einem GaAs-PMT aufgenommen. Für Lebensdauermessungen wurde das System optimiert, sodass es eine Antwortzeit von 2–3μs liefert, indem ein Oszilloskop vom Typ Tek 7854 mit einem Differenzverstärker vom Typ 7A22 verwendet wurden. Die Lebensdauerdaten wurden dann zur weiteren Analyse auf einen PC heruntergeladen. Spektraldaten wurden auf einem LeCroy Digitaloszilloskop aufgenommen, bevor sie zu einem PC heruntergeladen wurden.
Man fand, dass Fasern, die entweder aus dem Vorformling 223A oder 223B gezogen wurden, erhöhte Abklingzeiten der Fluoreszenz und verringerte Verluste zeigten.
2 zeigt einen Verstärker, der die Faser, die zum Beispiel aus dem Vorformling 223 gezogen wurde, als Verstärkermedium 23 verwendet. Der Verstärker enthält einen Eingangsanschluss 21, der mit einem Stück eines Verstärkermediums 22 schmelzgespleißt ist, das ebenso mit dem Ausgangsanschluss 22 verbunden ist. Beide Anschlüsse 21 und 22 haben Mantelbereiche aus Quarzglas, und einen thuliumdotierten Kern, der in einer Wirtsglaszusammensetzung ausgeführt ist, die Tantal, Silizium und Germanium enthält. Eine Pumpe 26, die Pumpstrahlung bei 787nm liefert, ist optisch angekoppelt, um die Faser 28 anzuschließen, die einen wellenlängenselektiven Schmelzfaserkoppler 30, mit der ankommenden Übertragungsfaser 21 bildet. Der Koppler 30 leitet die Pumpstrahlung bei 787nm in die Verstärkerfaser 23, entfernt aber keine Signale bei 1470–1620nm. Wenn sie mit Pumpstrahlung bei 787nm gepumpt wird, verstärkt die thuliumdotierte Faser optische Signale in einem Fenster, dessen Zentrum bei 1470nm und bei 1620nm liegt. Der Verstärker enthält weiter eine zweite Pumpe 27, die Pumpstrahlung bei 1064nm liefert, wobei diese optisch angekoppelt ist, um die Faser 29 anzuschließen, die einen wellenlängenselektiven Schmelzfaserkoppler 31 mit der ankommenden Übertragungsfaser 21 bildet. Der Koppler 31 leitet die Pumpstrahlung bei 1064nm in die Verstärkerfaser 23, entfernt aber keine Signale bei 1470nm–1620nm. Wenn sie mit einer Pumpstrahlung von 1064nm gepumpt wird, verstärkt die thuliumdotierte Faser optische Signale in einem Fenster, dessen Zentrum bei 1620nm liegt. Das Vorhandensein von zwei Pumpen macht den Verstärker für die Verwendung in WDM-Systemen geeignet.
Automatische Verstärkungsregelung wird bevorzugt, und wird durch die Bereitstellung eines Detektors 25 erreicht, der ein Rückkopplungssignal an die Pumpen 26 und 27 entsprechend dem verstärkten Signal liefert, das in der Ausgangsübertragungsfaser 22 erfasst wird.
Der Effekt von Tantal-, Germanium- und Siliziumkonzentrationen wird durch die beobachteten Abklingzeiten der Fluoreszenz und der Verluste angezeigt, die die hergestellten Gläser aufweisen, da es die Leistungsfähigkeit des Glases ist, die in der Faser genutzt wird.
Viele Telekommunikationsnetzwerke verwenden Quarzglas/Germanium-Fasern, und es gibt deshalb eine Anforderung an Laserfasern auf Basis von Quarzglas/Germanium, Kompatibilität mit den Übertragungsfasern im Rest des Netzwerks zu erreichen. Da die Zusammensetzung des Glases nach der Erfindung auf Quarzglas basiert, werden jegliche Integrationsprobleme minimiert.
3 zeigt das Energieniveaudiagramm für Thulium. Thulium wurde als Laserspezie in dem Glas nach der vorliegenden Erfindung gewählt, weil es Übergänge liefert, die komplementär zu denen von Erbium sind. Die Übergänge in Thulium, z. B. der 1470nm-Übergang von dem ³F₄-Anregungszustand zu dem ³H₄-Anregungszustand und der 1620nm-Übergang von ³H₄ zu ³H₆, dem Grundzustand, werden genutzt. Dies ermöglicht, dass eine Anordnung für viel breitere Abdeckung der Wellenlängen in WDM-Systemen aufgebaut werden kann. Wenn Seltenerdelemente in Quarzfasern eingebettet werden, gibt es einen Nachteil, da Quarzgläser eine relativ hohe Phononenenergie von 1100cm^–1 haben. Folglich haben nur wenige Übergänge ausreichend hohe Energielücken zum nächsten Anregungszustand, um zu ermöglichen, dass Strahlungsemission über Nicht-Strahlungsemission dominiert. Bei Erbium ist der Spalt zwischen dem Grund- und dem ersten angeregten Zustand etwa 6600cm^–1 (1530nm), folglich wird das Abklingen durch Strahlungsprozesse dominiert, die zu einer metastabilen Lebensdauer von 10ms führen. Bei Thulium ist jedoch der Spalt von dem Grund- bis zu dem ersten angeregten Zustand leicht kleiner bei 6100cm^–1 (1620nm), in diesem Fall ist die nicht-strahlende Abklingrate nicht vernachlässigbar, folglich wird die metastabile Lebensdauer auf ungefähr 0,2–0,5 ms reduziert. Die beobachtete Lebensdauer ist eine Konsequenz der exponentiellen Abhängigkeit von der Energielücke der nicht-strahlenden Abklingrate. Die Zusammensetzung des Wirtsglases nach der vorliegenden Erfindung liefert eine Mikroumgebung um die Thulium³⁺-Ionen mit einer geringeren Phononenenergie als Wirtsglas, das auf reinem Quarzglas basiert.
Wie zuvor erwähnt wurde eine Untersuchung von Fasern, die aus diesen Vorformlingen gezogen wurde, ausgeführt, und entschlüsselt zwei wichtige Leistungsparameter: der Hintergundverlust und insbesondere die Fluoreszenz-Lebensdauer des ³F₄-Anregungszustands. Manche wichtigen Schlüsse konnten auch aus verschiedenen Fluoreszenzspektren gezogen werden, die für jeden Vorformling und jedes Fasermuster im Bereich von 800nm aufgenommen wurden. Eine Zusammenfassung der Lebensdauerdaten für die erste Reihe von vier Vorformlingen ist in Tabelle 2a angegeben und die entsprechenden Daten für die Fasern sind in Tabelle 2b unten dargestellt.
Es wird angemerkt, dass das Abklingen der Fluoreszenz des ³F₄-Anregungszustands sowohl der Vorformlinge als auch der Fasermuster nicht einem einzelnen Exponenten folgt. Der Grund dafür ist, dass Glas eine sehr ungeordnete Struktur hat, die Variationen im elektrischen Feld, das die Ionen umgibt, entstehen lässt. Dies bedeutet wiederum eine signifikante Variation der Energieseparation, d.h. des ΔE-Wertes, innerhalb eines Paares von Zuständen gibt. Für Thulium in herkömmlichem Quarzglas, zum Beispiel dem Vorformling 208, liegt die Separation zwischen dem ³F₄-Anregungszustand und dem ³H₅-Anregungszustand wie aus Absorptionsdaten bestimmt bei ungefähr 3700–4000cm^–1.
Tabelle 2a: Die Fluoreszenzlebensdauer des ³F₄-Anregungszustands, τ, für die Mustervorformlinge
Da die Gleichung, die die nicht-strahlende Abklingrate W_NR bestimmt, exponentielles Verhalten zeigt, gibt es in den W_NR-Werten eine große Streuung, entsprechend: WNR = W0 exp(–αΔE)wobei Wo und α Konstanten sind, die für das Wirtsglas spezifisch sind. Folglich sollte die erwartete Abklingrate für gewöhnliches Thulium in Quarzglas, Vorformling 208, zwischen 25 und 104μs liegen, was in der Nähe der beobachteten Werte liegt, siehe Tabelle 2a. In diesem Fall ist die Gesamtstrahlungsabklingrate A_r klein im Vergleich zu W_NR und kann deshalb vernachlässigt werden.
Tabelle 2b: Hintergrundverlust und die Fluoreszenzlebensdauer des ³F₄-Anregungszustands für Fasern, die aus den obigen Vorformlingen gezogen wurden.
Um die Analyse der beobachteten Abklingdaten zu analysieren, wurde eine bi-exponentielle Anpassung verwendet, siehe Gleichung unten, I = A exp(–t/τA)+B exp(–t/τB)was zu einer Besetzungsziffer für die Prozentsätze von A und B und zwei zugeordneten charakteristischen Abklingzeiten τ_A und τ_B führt, wie in den Tabellen 2a und 2b aufgelistet. Obwohl dies nur eine Näherung war, lieferte sie in den meisten Fällen eine gute Annäherung an die beobachtete Abklingkurve.
Es wird weiter angemerkt, dass es eine kleine, aber gleichbleibende Verkürzung der beobachteten Abklingzeiten zwischen einem konventionellen thuliumdotierten Al/Si-Silikat-Vorformling, der durch den Vorformling 208 exemplarisch ausgeführt wird, und der gezogenen Faser, die aus einem herkömmlichen Vorformling gezogen wurde, wie durch die Faser 3208-01 exemplarisch dargestellt ist. Dieser Effekt wurde zuvor beobachtet, siehe J.R. Lincoln, W.S. Bocklesby, F. Cusso, J.E. Townsend and A.C. Tropper: „Time resolved and site selective spectroscopy of thulium doped into germano- and alumino-silicate optical fibre and preforms", J. of Luminescence, Vol. 50, pp 297–308, 1991, und kann fast sicher dem schnellen Abkühlen des Glases während des Ziehprozesses zugeordnet werden, was die Verteilung des Thuliums oder seine Umgebung verändern kann. Um diese Vermutung zu betätigen wurden eine Anzahl von Fasermustern genommen und in einem Ofen 1 Stunde lang bei 1000 Grad Celsius getempert. Das Abklingen der Fluoreszenz wurde dann erneut gemessen. Die Ergebnisse 3208-01 H in Tabelle 2b zeigen, dass die angenäherte Abklingkurve nun fast identische Anpassungsparameter wie für die ursprüngliche Kurve von dem Vorformling aufweist.
Herkömmliche thuliumdotierte Quarzglasfaser, wie durch den Vorformling 208 und die gezogenen Fasern 3208-01 und 3208-01H exemplarisch dargestellt, wurde mit Vorformlingen einschließlich Glas nach der vorliegenden Erfindung verglichen.
Bei dem Vorformling 209 mit Bezug auf Tabelle 1 wurde Aluminium durch Tantal ersetzt. Dies ergab zwei sehr bemerkenswerte Veränderungen, der Hintergrundverlust der Faser stieg um den Faktor 2 und die Fluoreszenzlebensdauer stieg im Vorformling signifikant an. Die Verbesserung der Fluoreszenzlebensdauer wurde nicht in die gezogene Faser übertragen, die nur eine marginale Differenz zu den Ergebnissen der herkömmlichen thuliumdotierten Quarzglasmustern zeigt. Die Veränderung der Fluoreszenzlebensdauer in dem Vorformling läßt zu der Annahme tendieren, dass eine Umgebung mit geringerer Phononenenergie aufgetreten ist. Es ist zum Beispiel aus W.S. Bocklesby, J.E. Townsend, D.J.B. Brinck & R.S. Brown „Non-radiative Relaxation in Ta-doped Silica Fibre", Opt. Mats. Vol 3. pp205–208, 1994 bekannt, dass Raman-Spektren von dem tantaldotierten Glas eine neue Spitze bei ungefähr 950cm^–1 zeigen, ähnlich wie ein Germanat-Glas.
Wenn die selbe Annahme für das Glas nach dieser Erfindung herangezogen wird, dann liegt die vorhergesagte Nicht-Strahlungsabklingrate WNR basierend auf der zuvor zitierten Energieverteilung um 183–783 Mikrosekunden für ein Germanat-Glas. Behält man im Kopf, dass diese Ziffern die Strahlungsverteilung für die Gesamtrate nicht berücksichtigen, gibt es eine ziemlich gute Übereinstimmung mit den beobachteten Abklingraten. Außerdem sind die in dieser Arbeit beobachteten Abklingraten eine große Verbesserung gegenüber den in W.S. Bocklesby, J.E. Townsend, D.J.B. Brinck & R.S. Brown „Non radiative Relaxation in Ta-doped Silica Fibre", Opt. Mats. Vol 3. pp205–208, 1994 beobachteten, was zu der Annahme neigen lässt, dass ein größerer Teil der Eigenschaften von Germanat in die letztendliche Glasstruktur integriert wurden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung versuchten herauszufinden, wie weit die Lebensdauer durch Einbetten von Tantal in das Glas weiter verbessert werden kann.
In einem Beispiel, das durch die Vorformlinge 220 und 222 dargestellt wird, die nur als Beispiel gezeigt sind und nicht in den Bereich der Ansprüche fallen, wurde Germanium aus der Zusammensetzung entfernt. Diese Gläser zeigten weitere Verbesserungen der beobachteten Lebensdauer. Experimente zur Fluoreszenzlebensdauer mit diesen Vorformlingen zeigten, dass es zwei spezifische Stellen gibt, an denen das aktive Thuliumion sitzen kann, und dass sie ziemlich verschiedene Eigenschaften haben. Die wurde durch Messungen zum Abklingen der Fluoreszenz, die bei jeder der Spitzen aufgenommen wurden, bestätigt. Die Anpassungsparameter für die Lebensdauer für die Spitze bei der langen Wellenlänge zeigen, dass sich für 220 die Mehrheit der Besetzung in den langlebigen Zustand mit einer Lebensdauer von 750μs verschoben hat, während die Spitze bei der kürzeren Wellenlänge eine gleichmäßigere Verteilung zwischen den beiden Zuständen aufweist. Der Trend wiederholt sich für 222, außer, dass die zweite Spitze nun einen dominanten Anteil an der Verteilung zurück zu dem kurzlebigeren Zustand zeigt.
Der Nachteil war, dass die Fasern, die aus den Vorformlingen 220 und 222 gezogen wurden, sehr hohe Hintergrundverluste zeigten, siehe Tabelle 2b, und damit verbunden nur die Faser mit den höchs ten Verlusten tatsächlich Anzeichen einer signifikanten Verbesserung der charakteristischen Anpassparameter der Lebensdauer zeigten.
Tabelle 2c: Hintergrundverluste und die Fluoreszenzlebensdauer des ³F₄-Anregungszustands für die übrigen Fasern
Die Erfinder gingen das Problem der Herstellung eines Vorformlings an, woraus nachfolgend eine Faser gezogen werden kann, die eine verbesserte Lebensdauer in Verbindung mit einem verringerten Hintergrundverlust aufweist, d.h. eine Verringerung der Abschwächung von optischen Signalen, die durch das Medium laufen, und die zur Verwendung als optisches Verstärkermedium in einem Verstärker geeignet ist. Die Leistungsfähigkeit als Laser kann eingeschätzt werden, indem man die Fluoreszenzlebensdauer und die Verluste, d.h. die Abschwächung betrachtet. Die Ergebnisse bestätigen, dass eine thuliumdotierte Tantalsilikatfaser eine verbesserte Fluoreszenzlebensdauer ergibt, aber an großen Verlusten leidet. Hinzufügen von Tantal zu einem Glas erhöht den Brechungsindex des Glases. Wenn der Brechungsindex in Bezug auf einen Mantelbereich zu weit erhöht wird, werden die Wellenleitungseigenschaften eines Wellenleiters, der Tantalsilikatglas enthält, kompromittiert. Die Ergebnisse bestätigen jedoch sehr unerwartet, dass durch Hinzufügen von kleinen Mengen Germanium, das auch den Brechungsindex erhöht, zu dem thuliumdotierten Tantalsilikatglas der Verlust optischer Signale, d.h. die Abschwächung, in dem Glas signifikant verringert wird, ohne dass der Brechungsindex signifikant beeinflusst wird.
Die Ergebnisse bestätigen, dass durch das Einbetten von Germanium in ein thuliumdotiertes Tantalsilikatglas, vorzugsweise mit einem Gewichtsprozentsatz von 0,1 bis 1 Prozent, die Fluoreszenzlebensdauer von dem Thulium erhöht wird. Diese Ergebnisse des Strahlungsabklingens dominieren über Nicht-Strahlungsabklingen. Weiter wird die Abschwächung (Verluste) auf ein Niveau verringert, bei dem Verstärkung optischer Signale auftritt.
Es wurde herausgefunden, dass durch Einbetten von Germanium zusätzlich zu Tantal und Silizium in ein thuliumdotiertes Glas innerhalb dieses Bereichs die Abschwächung (Verlust) verringert wurde. Weiter wurde durch Erhöhen der Tantalkonzentration in einen Bereich von 15–25 Gewichtsprozent die Verbesserung der Lebensdauer in den gezogenen Fasern gesteigert. Das geregelte Niveau der Konzentration der MCVD-Lösung, dessen Erreichen erforderlich ist, erfordert Regelung. Es wird durch die Tatsache kompliziert, dass Germanium dazu tendiert, in dem Prozess sich selbst und die Tantallösung auszuwaschen. Vier weitere Vorformlinge und sechs weitere Fasern wurden hergestellt, siehe Tabelle 2c. Wegen der Variation der Zusammensetzung entlang der Länge war es möglich, zwei völlig verschiedene Fasern aus jedem Ende des Vorformlings zu ziehen. (A und B in Tabelle 1 zeigen die Zusammensetzung von jedem Ende des selben Vorformlings).
Als Hilfe bei der Visualisierung des erforderlichen Ausgleichs zwischen Germanium- und Tantalkonzentration in der Zusammensetzung in den Vorformlingen/Fasern wurde 4 gezeichnet. Die Informationen über die Zusammensetzung für diese Fasern sind in Tabelle 1 oben angegeben, und die beobachteten Hintergrundverluste und Informationen zur Lebensdauer sind in Tabelle 2c angegeben. Wie man in der Tabelle oben sehen kann, zeigen die Fasern, die aus dem Vorformling 223 hergestellt sind, verbesserte Fluoreszenzlebensdauer und eine geringe Hintergrundverlustziffer, die für einen Verstärker geeignet sind.
Es wird angemerkt, dass die Faser mit höheren Verlusten bei weitem die besten Lebensdauereigenschaften hat, aber aus diesem Grund ausgeschlossen werden kann. Man kann in 4 sehen, dass die Germaniumkonzentration unter 1% liegen sollte, um eine Faser mit geringem Verlust zu erhalten, und für eine Verbesserung der Lebensdauer in der Faser wird eine Tantalkonzentration über 15% bevorzugt.
Das Hinzufügen von Tantal zu einem standardmäßigen thuliumdotierten Quarzglasmaterial scheint eine neue Mikro-Umgebung mit einer typischen Phononenenergie von 950cm^–1 um eine durch die Zusammensetzung einstellbare Fraktion des optisch aktiven Seltenerdions herum zu schaffen. Dies hat besonders vorteilhafte Eigenschaften für den ³F₄-Anregungszustand in Thulium, weil die neue Mikro-Umgebung das Emissionsgleichgewicht von gänzlich Nicht-Strahlungseffekten in Quarzglas zu einem Gleichgewicht zwischen Strahlungs- und Nicht-Strahlungseffekten verschiebt.
Das Glas nach der vorliegenden Erfindung zeigt erhöhte Fluoreszenzabklingzeiten und verringerte Abschwächung optischer Signale. Das Problem des schnellen thermischen Schocks, der auftritt, wenn der Vorformling zu einer Faser gezogen wird, wurde ausgemacht. Weiter scheint die thermische Vergangenheit der Faser signifikante Auswirkungen auf das Abklingen der Emission zu haben. Das Problem wurde gelöst, zum Beispiel wurde ein Muster der Faser 3209-01H bei 1000°C 1 Stunde lang getempert und dann langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Abklingen der Fluoreszenz wurde dann erneut gemessen, siehe Tabelle 2c, und die Kurve auf herkömmliche Weise angepasst. Die erforderlichen Anpassungsparameter wiesen, wenn überhaupt, eine leichte Verbesserung gegenüber denen auf, die für den Vorformling verwendet wurden. Es wurde herausgefunden, dass Tempern für etwa 1 Stunde bei 1200°C auch gut funktioniert, aber eine Faser ergibt, die zarter ist als die, die bei 1000°C getempert wurde. Es wurde herausgefunden, dass 1 Stunde Tempern bei 800°C die Lebensdauereigenschaften der gezogenen Faser bezüglich dem Vorformling nicht verbessert hat. Vorzugsweise wird die Faser bei einer Temperatur über 900°C gezogen.

Claims

Quarzglaszusammensetzung, die Laseraktivität bei einer Signalwellenlänge unterstützen kann, wobei die Zusammensetzung aus einer Laserspezie in einem Wirtsglas besteht, bei der die Laserspezie Tm³⁺ -Ionen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirtsglas im Wesentlichen aus Quarz, Germanium, um die optische Abschwächung der Glaszusammensetzung bei der Signalwellenlänge zu verringern, und Tantaloxid, um den angeregten Zustand der Tm³⁺-Ionen zu stabilisieren, besteht.
Glas nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration von Thulium-Ionen in dem Wirtsglas zwischen 500 und 1000ppm, bezogen auf das Gewicht, liegt.
Glas nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Konzentration von Silizium in dem Wirtsglas zwischen 15 und 25 Gewichtsprozent liegt.
Glas nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Konzentration von Germanium in der Wirtszusammensetzung zwischen 0,1 und 1 Gewichtsprozent liegt.
Glas nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Konzentration von Tantal in der Wirtszusammensetzung größer als 15 Gewichtsprozent ist.
Glas nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Laseraktivität bei einer Signalwellenlänge von entweder 1470nm oder 1620nm unterstützt wird.
Optischer Wellenleiter für die Verwendung in einem optischen Verstärker, wobei der Wellenleiter folgendes umfasst: einen Mantel, der aus einem Mantelglas mit einem Brechungsindex n1 gebildet wird; einen Kern mit einem Brechungsindex n2, wobei n2 größer als n1 ist; wobei der Mantel den Kern umgibt, bei dem der Kern aus einem Glas nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche gebildet wird.
Optischer Wellenleiter nach Anspruch 7, bei dem der Wellenleiter eine optische Faser ist.
Optischer Wellenleiter nach entweder Anspruch 7 oder Anspruch 8, bei dem das Mantelglas Quarzglas oder Quarzglas und ein oder mehrere Verarbeitungshilfsstoffe ist, wobei diese Verarbeitungshilfsstoffe Bor, Phosphor und Fluor einschließen.
Optischer Verstärker mit: i) einem Lasermedium, das Thulium-Ionen als Laserspezie enthält, ii) einem Eingangsanschluss zum Abschicken optischer Signale zur Verstärkung in das Lasermedium; iii) einer oder mehreren Pumpen zur Bereitstellung von Pumpstrahlung, die dazu eingerichtet sind, eine Besetzungsumkehr in der Laserspezie zu erzeugen, bei der das Lasermedium ein optisches Quarzglas ist, das im wesentlichen aus Quarz, Germanium, um die optische Abschwächung der Glaszusammensetzung bei der Wellenlänge der optischen Signale zu verringern, und Tantaloxid, um einen angeregten Zustand der Tm³⁺-Ionen zu stabilisieren, besteht, wobei Quarz, Germanium und Tantaloxid ein Wirt für die Laserspezie sind.
Optischer Verstärker nach Anspruch 10, bei dem die Pumpe oder eine der Pumpen Pumpstrahlung im Bereich von entweder 780nm bis 810nm oder 1050nm bis 1070nm liefert.
Optischer Verstärker nach Anspruch 10, der zwei Pumpen umfasst, wobei eine Pumpe Pumpstrahlung im Bereich 780nm bis 810nm liefert und die andere Pumpe Pumpstrahlung im Bereich von 1050nm bis 1070nm liefert.
Optischer Verstärker nach einem der Ansprüche 10, 11 oder 12, bei dem das optische Quarzglas der Kern einer optischen Faser ist.
System mit einem optischen Verstärker nach Anspruch 10, bei dem die Pumpe Pumpstrahlung derart liefert, dass Verstärkung von optischen Signalen bei 1470nm bereitgestellt wird.
System nach Anspruch 14, bei dem die Verstärkung bei 1470nm der Energiedifferenz in einem Thulium-Ion zwischen einem ³F₄-Energieband und einem ³H₄-Energieband entspricht.
System mit einem optischen Verstärker nach Anspruch 10, bei dem die Pumpe Pumpstrahlung derart liefert, dass Verstärkung von optischen Signalen bei 1620nm bereitgestellt wird.
System nach Anspruch 16, bei dem die Verstärkung bei 1620nm der Energiedifferenz in einem Thulium-Ion zwischen einem ³H₄-Energieband und einem ³H₆-Energieband entspricht.
Verfahren zur Verstärkung von optischen Signalen, wobei das Verfahren folgendes enthält: Absenden von optischen Signalen in ein quarzbasiertes Verstärkungsmedium, das im wesentlich aus Thulium-Ionen als Laserspezie, und Quarz, Germanium, um die optische Abschwächung der Glaszusammensetzung bei der Wellenlänge der optischen Signale zu verringern, und Tantaloxid, um einen angeregten Zustand der Tm³⁺-Ionen zu stabilisieren, besteht, wobei Quarz, Germanium und Tantaloxid ein Wirt für das Lasermaterial sind, Gleichzeitiges Absenden von Pumpstrahlung in das Lasermedium, sodass Fotonen der Pumpstrahlung von den Tm³⁺-Ionen absorbiert werden, um eine Besetzungsumkehr zu erzeugen, die die stimulierte Emission von Signalfotonen aufrechterhält, um die optischen Signale zu verstärken.
Verfahren zur Verstärkung von optischen Signalen nach Anspruch 18, bei dem die Pumpstrahlung entweder im Bereich von 780nm bis 810nm oder im Bereich von 1050nm bis 1070nm liegt, oder in beiden Bereichen liegt.
Verfahren nach entweder Anspruch 18 oder Anspruch 19, bei dem die optischen Signale eine Wellenlänge nahe 1470nm oder nahe 1620nm oder sowohl 1470nm als auch 1620nm haben.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die optischen Signale wellenlängenmultiplexiert sind.
Verwendung eines Quarzglases für die Verstärkung von optischen Signalen, das im wesentlichen aus Thulium-Ionen als Laserspezie, und Quarz, Germanium, um die optische Abschwächung der Glaszusammensetzung bei der Wellenlänge der optischen Signale verringern, und Tantaloxid, um einen angeregten Zustand der Tm³⁺-Ionen zu stabilisieren, wobei Quarz, Germanium und Tantaloxid ein Wirt für die Laserspezie sind.
Verfahren zur Herstellung eines Wellenleiters nach Anspruch 7, oder Anspruch 8, oder Anspruch 9, das die folgenden Schritte enthält: Ziehen eines Vorformlings aus optischem Glas in eine optische Faser, Beschichten der Faser, und Tempern der beschichteten Faser, wobei die Beschichtung durch das Tempern zerstört wird, und erneutes Beschichten der gehärteten Faser.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Faser oberhalb von 900 Grad Celsius getempert wird.
Verfahren nach Anspruch 23 oder Anspruch 24, bei dem die Faser ungefähr eine Stunde lang getempert wird.