DE69608455T2

DE69608455T2 - Optischer wellenleiter,wellenleiterverstärker und -laser

Info

Publication number: DE69608455T2
Application number: DE69608455T
Authority: DE
Inventors: Simon Brocklesby; William Hewak; Ian Laming; Neil Payne; Neilson Samson
Original assignee: Pirelli Cavi e Sistemi SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1995-08-25
Filing date: 1996-08-23
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2016-08-24
Also published as: CA2230439C; JPH11511591A; GB9517490D0; ES2150689T3; EP0846353A1; US6226308B1; WO1997008790A1; DE69608455D1; GB2304978A; CA2230439A1; AU6827796A; EP0846353B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Wellenleiter, optische Wellenleiterverstärker und Laser.
Optische Wellenleiterverstärker und Laser, und insbesondere faseroptische Verstärker werden weit verbreitet in der Telekommunikationsindustrie verwendet.
Ein Beispiel für einen bekannten faseroptischen Verstärker ist der erbiumdotierte Faserverstärker (EDFA), der im sogenannten dritten Telecom-Fenster betrieben wird (Wellenlängen um 1500 Nanometer (nm)). Diese Vorrichtungen sind gekennzeichnet durch ihre hohe Verstärkung (um 30 Dezibel (dB)), die mit begrenzter Pumpleistung (weniger als 50 Milliwatt (mW)) erreicht wird, was bedeutet, dass das Pumpen unter Verwendung einer einzelnen Laserdiodeneinheit durchgeführt werden kann.
In dem bedeutsamen zweiten Telecom-Fenster (Wellenlängen um 1,3 Mikrometer (um)) läuft der Betrieb von bekannten faseroptischen Verstärkern mit weitaus geringerer Effizienz. Der beste bisher berichtete Wirkungsgrad wurde unter Verwendung von mit trivalentem Praseodym (Pr³&spplus;) dotierten Fluoridfaserverstärkern (PDFFAs) erzielt, die eine geringe Signalverstärkung von ungefähr 23 dB mit ungefähr 120 mW Pumpleistung aus einer einzelnen Halbleiter- Laserdiodeneinheit erreichen. Der Betrieb der Pumpdiode mit hoher Antriebsstromstärke zur Erzielung dieser Pumpenleistung kann die Lebensdauer der Diode erheblich verkürzen. Dieses Problem hat die Anwendung dieser Verstärkereinheit begrenzt.
Es wurde vorgeschlagen, Chalcogenidglas als Träger für Seltenerden-Dotiermittel Praseodym oder Dysprosium zur Bereitstellung einer effizienteren Verstärkung bei 1,3 um zu verwenden. "Chalcogenid" bedeutet im Sinne der vorliegenden Beschreibung, dass das Glas Schwefel (S), Tellur oder Selen enthält, und Beispiele für diesen Glastyp können Arsentrisulfid, Arsenselenid, Germaniumsulfid, Galliumsulfid, Lanthansulfid und/oder andere Elemente enthalten. Chalcogenidgläser haben typischerweise Eigenschaften, die sie als Trägerglas für seltenerdendotierte Verstärker für optische Signale im 1,3 um Wellenlängenbereich geeeignet machen, insbesondere besitzt das Glas typischerweise eine maximale Phononenenergie von weniger als 450 cm&supmin;¹. Die niedrige Phononenenergie verringert die Wahrscheinlichkeit der strahlungsfreien Abregung des angeregten Zustands des Seltenerden-Dotiermittels, wodurch eine effizientere Nutzung der Pumpleistung für die Signalverstärkung ermöglicht wird. Anhand von Modellrechnungen wurde vorhergesagt, dass ein optimierter Chalcogenidglaswellenleiter, der mit Praseodym dotiert ist, und mit ungefähr 50 mW bei einer geeigneten Wellenlänge gepumpt wird, eine geringfügige über 20 dE hinausgehende Signalverstärkung bereitstellt. Ein ähnlicher Wellenleiter, der mit Dysprosium dotiert ist, wird ebenfalls eine geringfügige über 20 dE hinausgehende Signalverstärkung bei 50 mW Pumpleistung bereitstellen.
Eine verlustarme Faser aus einem geeigneten Chalcogenidglas ist jedoch extrem schwierig herzustellen, da das Glas zur Kristallisation neigt, wodurch die Fasertransmission und -festigkeit erheblich eingeschränkt wird. Die Schwierigkeiten beim Faserziehen beschränken derzeit die Nutzung von optischen Fasern auf Chalcogenidbasis. Ähnliche Schwierigkeiten werden bei der Herstellung planarer optischer Wellenleiter festgestellt.
Zur Verbesserung der Verstärkerleistung wurden vorzugsweise im wesentlichen alle Verunreinigungen vor der Wellenleiterherstellung aus dem Glas entfernt. Von besonderer Bedeutung sind oxidische Verunreinigungen in Form von Hydroxiden, Sulfaten und Metalloxiden. Unter diesen sind Metalloxide ein bekanntes Nebenprodukt aus der Bildung von Metallsulfiden, die bei der Chalcogenidglasherstellung verwendet werden, und sind schwierig zu entfernen.
Die bisherige Kenntnis über nicht gesteuerte Oxidverunreinigungen war, dass sie die Effizienz des Gerätes verringern, wenn ein optischer Wellenleiterverstärker oder Laser in herkömmlicher Weise gepumpt wird. Der Wirkungsverlust resultiert aus der verringerten Lebensdauer der Seltenerdenionen in der Umgebung einer Oxidverunreinigung. Die Verunreinigung führt zu einer lokalen Anhebung der maximalen Phononenenergie, wodurch die Wahrscheinlichkeit der stahlungsfreien Abregung des lons zunimmt, und die Emission bei der bevorzugten Wellenlänge verhindert wird. Dementsprechend wurden in bisherigen Chalcogenidglasverstärkern vor oder während der Herstellung des Wellenleiters im wesentlichen alle Oxide entfernt.
US-A-5251062 offenbart einen optischen Wellenleiterverstärker, der einen Chalcogenidglaswellenleiter umfasst, der ein Seltenerdenoxid enthält, sowie Mittel zur Einkopplung von Pumpstrahlung in den Wellenleiter.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen 1, 32, 34, 35, 36 und 37 definiert. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird ein optischer Wellenleiterverstärker bereitgestellt, der folgendes umfasst:
Einen Chalcogenidglaswellenleiter, der mindestens teilweise mit
(a) einem Seltenerdendotiermittel; und
(b) Sauerstoff in Form eines Metalloxids
dotiert ist, worin der Gesamtmetalloxidgehalt ungefähr 0,01 bis 50% des Gesamtgewichts des Glases beträgt; und
Mittel zur Einkopplung von Pumpstrahlung in den Wellenleiter.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die beabsichtigte Dotierung von Chalcogenidglas mit einem Metalloxid, das dann zur Ausbildung eines optischen Wellenleiterverstärkers oder Lasers verwendet wird, zu verschiedenen signifikanten Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik führen kann.
Die Dotierung mit Metalloxiden bei der Verstärkerherstellung widerspricht der herkömmlichen Kenntnis und Lehre in diesem technischen Bereich. Beispielsweise lehrt US 5 378 664 extensive Techniken unter Anwendung von Wärme in Gegenwart eines Wasserstoffsulfidflusses zur Umwandlung von Oxiden in Sulfide vor oder während der Verwendung der Materialien als Dotiermittel. Bisher wurden Oxide als Verunreinigungen angesehen, die entfernt werden mussten, und nicht als Dotiermittel mit irgendeinem vorteilhaften Effekt (außer auf die Glasstabilität), und daher wurden oxidhaltige Fasern nicht zur Verwendung als Verstärker in Betracht gezogen. Insbesondere war ein beobachteter Nachteil der absichtlichen Dotierung von Chalcogenidglas mit einem Metalloxid, das dies zu einer möglichen Verringerung der Kleinsignaleffizienz des Geräts führt (insbesondere im Fall von praseodymdotierten Verstärkern). Durch die erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist dieses seit langem bestehende technische Vorurteil jedoch überwunden, und es werden oxiddotierte Chalcogenidwellenleiter zur Verwendung in optischen Verstärkern vorgeschlagen.
Die Vorteile von oxiddotierten Chalcogenidgläsern in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen können folgendes einschließen:
(i) Eine mögliche Zunahme der Glasstabilität durch die Verringerung der Kristallisationstendenz dieser Gläser;
(ii) eine Modifikation der Glasviskosität während des Faserziehens, wodurch Schwierigkeiten bei der Faserherstellung verringert werden;
(iii) eine Verbreiterung des Emissionswellenlängenbereichs um 1,3 um von ungefähr 90 nm auf mehr als 120 nm;
(iv) eine mögliche Zunahme des Wirkungsgrads beim Betrieb als Verstärker hoher Ausgangsleistung durch Verringerung der Lebensdauer der unteren Übergangsniveaus aufgrund der Verringerung des Flaschenhalseffekts;
(v) eine Zunahme der Breite des Grundzustand- Absorptionsspektrums, der einen weiteren Bereich an Pumpwellenlängen ermöglicht.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen zeigen, dass die gesteuerte Zugabe eines vorherbestimmten Niveaus an Oxid die Güte der Leistungsverstärkungsvorrichtung verbessern kann (z. B. beim Betrieb mit Ausgangsleistungen von mehr als ungefähr 1 mW), und dass beliebige nachteilige Auswirkungen auf die Güte der Kleinsignalverstärkung (z. B. beim Betrieb mit Signalniveaus von weniger als ungefähr -10 dBm (dB bezogen auf 1 mW) und einer Verstärkung von mehr als ungefähr 15 dB) durch Auswahl geeigneter Pumpwellenlängen verringert werden können.
Ferner wurde festgestellt, dass die Pumpwellenlänge eine starke Auswirkung auf die Eignung der Materialien zur Verstärkung besitzen kann. Bisher neigte man dazu, Pumpwellenlängen im Bereich der Maximalabsorption der Seltenen Erde in dem zu pumpenden Glas auszuwählen. Bei den in dieser Beschreibung vorgestellten neuen oxiddotierten Gläser wurde gefunden, dass Seltenerden-Dotiermittel "Oxid"- Plätze oder "Nichtoxid"-Plätze in dem Glas besetzen können. Die Nichtoxidplätze können durch Pumpwellenlängen bei oder nahe der Maximalabsorption angeregt werden, wodurch ein Kleinsignalverstärker bereitgestellt wird. Wenn die Pumpwellenlänge jedoch von der Maximalabsorption verschoben und das Gerät mit kürzeren Wellenlängen gepumpt wird, so dass Dotiermittelionen an den Oxidorten angeregt werden, kann mit der resultierenden Vorrichtung eine bessere Güte als Leistungsverstärker erzielt werden.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterverstärkers bereit gestellt, das Verfahren umfasst die Zugabe von Sauerstoff in Form eines Metalloxids während der Herstellung eines seltenerdendotierten optischen Chalcogenidglas-Wellenleiters, und der resultierende Wellenleiter besitzt einen Gesamtmetalloxidgehalt von zwischen ungefähr 0,01 und 50 Gew.-%.
Erfindungsgemäß wird ferner ein optischer Wellenleiter bereitgestellt, der zumindest teilweise aus einem Chalcognidglas gebildet wird, das dotiert ist mit
(a) einem Seltenerdendotiermittel; und
(b) Sauerstoff in Form eines Metalloxids, worin der Gesamtmetalloxidgehalt ungefähr 5 bis 50% des Gesamtgewichts des Glases beträgt.
Zusätzliche Aspekte und bevorzugte erfindungsgemäße Merkmale sind in den anliegenden Patentansprüchen definiert. Es ist einleuchtend, dass ein bevorzugtes Merkmal, das unter Bezugnahme auf einen erfindungsgemäßen Aspekt beschrieben oder definiert wird, in gleicher Weise auf andere erfindunsgemäße Aspekte anwendbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend durch Beispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren beschrieben, in denen durchgehend gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind, und worin:
Fig. 1 einen schematischen Graphen darstellt, der die Stabilität in GLS (Gallium-Lanthan-Schwefel)-Glas als Funktion des Oxidgehalts darstellt;
Fig. 2 ist ein schematischer Graph, der ein normiertes PR³&supmin;:GLS 1,02 um-Absorptionsspektrum für 0% und 5% Lanthanoxidproben darstellt;
Fig. 3 ist ein schematischer Graph, der ein normiertes PR³&supmin;:GLS 1,3 um ¹G&sub4;→³H&sub5;-Emissionsspektrum bei 300K als Funktion des Lanthanoxidgehalts in dem Glas darstellt;
Fig. 4 ist ein schematischer Graph, der eine Zusammenfassung der PR³&supmin;-¹G&sub4;→³H&sub5;-Fluoreszenz als Funktion des zu dem Glas zugegebenen Lanthanoxids darstellt;
Fig. 5 ist ein schematischer Graph, der die Leistungsverstärkergüte bei 1,3 um für Pr³&spplus; dotierte Chalcogenidgläser mit und ohne Lanthanoxid darstellt;
Fig. 6 ist ein schematischer Graph, der eine Zusammenfassung der Leistungsverstärkergüte (Flankeneffizienz) als Funktion des zu dem Chalcogenidglas hinzugegebenen Lanthanoxids angibt;
Fig. 7 ist ein schematischer Graph, der eine einfach exponentielle Pr³&spplus;:GLS 1,3 um-Lebensdauer bei 300 K als Funktion der Pumpwellenlänge darstellt;
Fig. 8 ist ein schematischer Graph, der die Kleinsignalverstärkungsgüte als Funktion des Lanthanoxidgehalts in dem Glas darstellt;
Fig. 9a bis 9d sind schematische Verstärkerkonfigurationen unter Anwendung verschiedener Pumptechniken;
Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm eines Lasers;
Fig. 11a und 11b sind schematische Diagramme von Superlumineszenzquellen; und
Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm einer Telekommunikationsvorrichtung.
Die Eigenschaften verschiedener Glastypen, die verschiedene Mengen an Metalloxid enthalten, werden nachfolgend beschrieben. Alle bis auf eines dieser Gläser werden als erfindungsgemäße Ausführungsformen angesehen, wobei gegen das verbleibende Glas (Glas, das im wesentlichen 0% Oxid enthält) zum Zwecke des Vergleichs der Eigenschaften beschrieben wird.
Die noch zu beschreibenden Glasproben wurden in einem Mol- Verhältnis von 70Ga&sub2;S&sub3; : 30La&sub2;S&sub3; durch Aufschmelzen in einem glasartigen Kohlenstofftiegel hergestellt. Dies entspricht einem Gewichtsverhältnis von 60Ga&sub2;S&sub3; : 40La&sub2;S&sub3;.
Die Proben wurden mit Praseodym durch Zugabe von Pr&sub2;S&sub3;, gemessen in Gewicht, dotiert, wodurch eine Pr³&spplus;-Konzentration von ungefähr 500 ppm (Teile pro Million) erreicht wurde (in anderen Ausführungsformen werden jedoch Pr³&spplus;-Konzentrationen von zwischen ungefähr 10 ppm und ungefähr 20000 ppm verwendet). Das niedrige Dotiermittelniveau stellte sicher, dass Konzentrationseffekte bei den durchzuführenden Messungen ignoriert werden konnten.
Zusätzlich wurden die Proben mit verschiedenen Mengen an La&sub2;O&sub3;, ebenfalls in Gewichtsprozent abgemessen, dotiert, wodurch Gewichtsprozente von 0, 1, 5 bzw. 10% erzielt wurden. Dadurch konnte der Effekt von Lanthanoxid auf die optischen Eigenschaften von mit Pr³&spplus; dotiertem GLS-Glas untersucht werden. Die Oxidniveaus der Proben wurden streng kontrolliert, wobei das Oxidrückstandsniveau in der 0%-Probe 0,2% betrug, gemessen durch chemische Dampfanalyse mittels Verbrennen der Probe.
In anderen Ausführungsformen wird ein anderes Metalloxid verwendet, das vorzugsweise ausgewählt ist aus Yttriumoxid, Ytterbiumoxid, Lutetiumoxid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Bariumoxid, Cäsiumoxid, Arsenoxid, Ceroxid, Praseodymoxid, Neodymoxid, Samariumoxid, Terbiumoxid, Dysprosiumoxid, Holmiumoxid, Erbiumoxid und Thuliumoxid.
Gegebenenfalls kann zur Erhöhung der Absorption bei der Pumpwellenlänge ein Sensibilisierungsmittel wie beispielsweise Ytterbium zu dem Glas hinzugegeben werden.
Alternativ konnte das Seltenerdendotiermittel (wie oben Praseodym) ausgewählt werden aus Cer, Neodym, Samarium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Thulium.
Ferner konnten auch (zusätzliche) Dotiermittel verwendet werden, wie beispielsweise Metalle aus der Gruppe 3A des Periodensystems. Wie oben beschrieben ist Gallium ein bevorzugtes Dotiermittel, jedoch werden in anderen Ausführungsformen Germanium, Barium, Cäsium und/oder Arsen verwendet.
Wie oben festgestellt, konnte ein anderes Dotiermittel zugegeben werden, vorzugsweise ausgewählt aus Lanthan, Yttrium, Ytterbium und Lutetium.
In weiteren Ausführungsformen wurden andere prozentuale Gehalte (nach Gewicht) des Metalloxids verwendet. Besonders bevorzugte Ergebnisse werden in den folgenden ungefähren Gewichtsteilen an Metalloxidgehalt erzielt:
0,01% bis 50%
1% bis 50%
2% bis 50%
5% bis 50%
10% bis 50%
20% bis 50%
Im allgemeinen umfassen die erfindungsgemäßen Ausführungsformen jedoch einen weiten Bereich möglicher Metalloxidgehalte bis zu ungefähr 50%, wobei die vorteilhaften Effekte dazu neigen, mit zunehmendem Oxidgehalt zuzunehmen. Entsprechend haben weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen die folgenden ungefähren gewichtsprozentualen Oxidgehalte:
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 59.
In den nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 8 beschriebenen Ergebnissen wird gezeigt, dass die absichtliche Oxiddotierung von Chalcogenidglas optische Fasern (oder andere Wellenleiter) mit geeigneten Eigenschaften zur Verwendung als Verstärker und in Lasern und Superlumineszenzquellen bereitstellen kann. Beispiele für Anwendungen des Materials werden dann unter Bezugnahme auf die Fig. 9 bis 12 beschrieben.
Es wird ferner gezeigt, dass die Pumpwellenlänge einen starken Einfluss auf die Eignung des Materials zur Verstärkung besitzen kann. Bisher neigte man dazu, die Pumpwellenlängen im Bereich der Maximalabsorption des zu pumpenden Glases auszuwählen. In den neuen oxiddotierten Gläser der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass Seltenerden-Dotiermittel "Oxid"-Plätze oder "Nichtoxid"- Plätze in dem Glas besetzen können. Die Nichtoxidplätze können durch Pumpwellenlängen bei oder nahe der Maximalabsorption angeregt werden, wodurch ein Kleinsignalverstärker bereitgestellt wird. Wenn die Pumpwellenlänge jedoch von der Maximalabsorption entfernt wird, und das Gerät mit kürzeren Wellenlängen gepumpt wird, so dass Dotiermittelionen an den Oxidorten angeregt werden, kann mit der resultierenden Vorrichtung eine bessere Güte als Leistungsverstärker erzielt werden.
Beispielsweise wird bei einer praseodymdotierten GLS-Faser das Pumpen normalerweise bei der Maximalabsorptionswellenlänge von ungefähr 1020 nm durchgeführt. Bei einer wie hierin beschriebenen oxiddotierten Faser kann jedoch eine bessere Leistungsverstärkergüte (z. B. für Ausgangsleistungen von mehr als 1 mW) durch Pumpen des Verstärkers bei Wellenlängen von mehr als ungefähr 900 nm und weniger als 1100 nm, vorzugsweise kürzer als ungefähr 1010 nm (z. B. 980 nm) erzielt werden. Diese Vorrichtung und die beschriebene Pumpanordnung führt zu einer bevorzugten Anregung oder Ausnutzung der Dotiermittelionen in den "Oxid"-Plätzen des Glases.
Im Fall eines Kleinsignalverstärkers (z. B. wenn die Eingangsleistung weniger als -10 dBm und die Verstärkung mehr als ungefähr 15 dB beträgt) ist es jedoch bevorzugt, mit längeren Wellenlängen als ungefähr 1000 nm zu pumpen. In diesem Bereich nutzt die Pumpanordnung Dotiermittelionen in den "Nicht-Oxid"-Plätzen des Glases.
Eine entsprechende Pumpwellenlängenverbesserung für einen dysposiumdotierten Verstärker wird bereitgestellt, indem eine beliebige der Absorptionsbanden um 800 nm, 910 nm, 1070 nm und 1260 nm ausgenutzt wird.
Absorptionsspektren der Glasproben wurden unter Verwendung eines Perkin-Elmer-Zweistrahl-Spektrophotometers aufgezeichnet. Die Anregung des Pr³&spplus; ¹G&sub4;-Niveaus wurde unter Verwendung eines cw (continous wave)-Titan : Saphir-Lasers durchgeführt, dessen Ausgangsstrahlung unter Verwendung einer mechanischen Chopperscheibe zerhackt wurde. Seitenlicht- Fluoreszenz bei 1,3 um wurde durch Fokussierung auf einen kleinen peltiergekühlten InGaAs (Indium-Gallium-Arsenid)- Detektor nachgewiesen, der über einen Vorverstärker an einen Stanford-Lock-in-Verstärker angeschlossen war. Der Detektor war hinter einem 0,25 m Spektrometer angebracht, und der Eingangsschlitz war stets mit einem 1,2 um Langpassfilter abgedeckt, so dass der Durchtritt von Laserstreulicht auf den Detektor verhindert wurde. Zur Aufzeichnung der Fluroeszenzspektren wurde ein herkömmlicher PC zum Scannen des Spektrometers und zur Aufnahme der Daten verwendet. Lebensdauerdaten wurden durch Austausch des Lock-in- Verstärkers mit einem Digital-Oszilloskop und bei geeigneter Mittelung des Signals aufgenommen. Die Laserabschaltzeit betrug typischweise weniger als 5 us (Mikrosekunden) und die gemessene Detektoransprechzeit lag im Bereich von 30 us. Die Fluoreszenzspektren und Lebensdauern wurden bei Raumtemperatur und bei 15 K (Grad Kelvin) unter Verwendung eines Helium-Cryostaten mit geschlossenem Kreislauf aufgezeichnet. Zusätzlich wurde zum Nachweis von Fluoreszenz im sichtbaren Bereich der InGaAs-Detektor hinter dem Spektrometer durch eine Photomultiplier-Röhre ausgetauscht.
Die durch diese Techniken erhaltenen Spektren und weiteren Informationen werden nachfolgend im Detail diskutiert.
Fig. 1 ist ein schematischer Graph, der die Stabilität von GLS-Glas als Funktion des Oxidgehalts darstellt, die die Verbesserung der sogenannten "Tx-Tg-Lücke" mit zunehmendem Lanthanoxidgehalt zeigt. Es ist bekannt, dass das Faserziehen durch eine größere Temperaturdifferenz zwischen Tx und Tg erleichtert wird. Die Temperaturdifferenz Tx-Tg ist die Differenz zwischen Einsetzen der Kristallisationstemperatur (Tx) und der Glasübergangstemperatur (Tg). Diese Differenz ist ein Indikator für die Glasstabilität, und das Faserziehen dieser Chalcogenidgläser findet normalerweise bei einer Temperatur oberhalb von Tg und unterhalb von Tx statt. Folglich erleichtert eine größere Temperaturdifferenz oder -Lücke das Faserziehen.
Fig. 2 ist ein schematischer Graph, der ein normiertes Pr³&spplus;:GLS 1,02 um-Absorptionsspektrum für die 0% und 5% Lanthanoxidproben darstellt. Auf der Seite der kurzen Wellenlängen ist bei der 5% Probe eine Verbreiterung der Absorption zu erkennen. Im unteren Teil des Diagramms ist die Differenz der beiden Spektren gezeigt, durch das das mit der Addition von Lanthanoxid verbundene Absorptionsprofil dargestellt wird.
Fig. 3 ist ein schematischer Graph, der ein normiertes Pr³&spplus;:GLS 1,3 um ¹G&sub4;→³H&sub5;-Emissionsspektrum bei 300 K als Funktion des Lanthanoxidgehalts des Glases darstellt.
Die Spektren sind bei zwei Pumpwellenlängen von 979 nm und 1010 nm dargestellt. Bei 979 nm ist eine Verbreiterung der Spektren mit zunehmendem Lanthanoxid anhand der relativen Zunahme der Höhe der Peaks A und C erkennbar. Bei 1010 nm sind die Spektren unabhängig vom Lanthanoxid.
Diese Figur zeigt, wie die 1,3 um Emission als Funktion des Lanthanoxidgehalts in der Probe variiert. Wenn das inhomogene ¹G&sub4;-Profil bei 979 nm gepumpt wird, sind drei Emissionspeaks bei ~ 1,27, 1,35 und 1,37 um erkennbar, die als A, B und C gekennzeichnet sind. Die Spektren sind auf den 1,35 um Peak normalisiert. Es ist ersichtlich, dass die Peaks A und C mit zunehmendem Lanthanoxid an relativer Intensität zunehmen, wodurch das Emissionsspektrum verbreitert wird, insbesondere auf der Niederenergieseite. Wenn jedoch nur ein Teil des inhomogenen Profils bei 1010 nm gepumpt wird, ist erkennbar, dass die Emission nicht nur auf einen einzelnen Peak bei ~ 1,35 eingeengt wird, sondern darüber hinaus vom Lanthanoxidgehalt nahezu unabhängig wird.
Diese Raumtemperaturergebnisse zeigen eine Korrelation zwischen dem Tunen des Pumplasers zu höherer Energie und der Erhöhung der relativen Menge an Lanthanoxid in der Probe, wonach beide wirksam das Emissionsspektrum durch eine Zunahme der Peaks A und C verbreitern. Daher bestätigt dies, dass zwei Pr³&spplus;-Orte innerhalb des Glases vorliegen, wobei der Hochenergieort vom Lanthanoxidgehalt des Glases abhängt. Kombiniert man die Fluoreszenzergebnisse mit den früheren Absorptionsergebnissen, so wird bestätigt, dass bei einer Verschiebung der Pumpenergie von hohen zu niedrigen Energien ein Übergang von einem Bereich der Anregung von sowohl den Oxid- als auch den Sulfidplätzen zu einem Bereich, in dem ausschließlich die Sulfidplätze angeregt werden, stattfindet. Es wird daher angenommen, dass Lanthanoxid die inhomogene Breite des Pr³&spplus; ¹G&sub4;→H&sub5;-Ubergangs beim Pumpen mit hoher Energie erhöht.
Fig. 4 ist schematischer Graph, der die Pr³&spplus; ¹G&sub4;→³H&sub5;- Fluoreszenz als Funktion des zu dem Glas hinzugegebenen Lanthanoxids zusammenfasst. Dieser Graph zeigt, dass die Erhöhung des Oxidgehalts des Glases die verfügbare Bandbreite um 1300 nm im Betrieb als Verstärker, der mit Wellenlängen von weniger als ungefähr 1010 nm (z. B. 980 nm) gepumpt wird, erhöhen kann. Anwendungen für einen Verstärker großer Bandbreite sind solche, bei denen mehrere Signalkanäle verwendet werden (z. B. beim Wellenwellen-Divisions- Multiplexing).
Fig. 5 ist ein schematischer Graph, der die Leistungsverstärkergüte bei 1,3 um für Pr³&spplus;-dotiertes Chalcogenidglas mit und ohne 10 Gew.-% Lanthanoxid zeigt. Die Pumpwellenlänge beträgt 980 nm und die Eingangsleistung ist 0 dBm. Diese Figur zeigt, dass ein Leistungsverstärker mit 10% Oxidgehalt bei Pumpenleistungen oberhalb von ungefähr 200 mW eine höhere Ausgangsleistung (vertikale Achse) bei gleicher Pumpleistung (horizontale Achse) im Vergleich zu einer Vorrichtung mit im wesentlichen 0% Oxidgehalt zeigt. Diese Verbesserung wird über eine Verringerung der Lebensdauer des ³H&sub5;-Energieniveaus in den "Oxid"orten erreicht. Die kürzere Lebensdauer dieses Energieniveaus verringert die Flaschenhalseffekte im unteren Energieniveau des 1300 nm Übergangs.
Fig. 6 ist ein schematischer Graph, der eine Zusammenfassung der Leistungsverstärkergüte (Flankenwirksamkeit) als Funktion der gewichtsprozentualen Menge an zu dem Chalcogenidglas hinzugegebenem Lanthanoxid darstellt. Die Pumpwellenlänge beträgt 980 nm und die Eingangsleistung ist 0 dBm.
Fig. 7 ein schematischer Graph, der einen einfache exponentielle Pr³&spplus;:GLS 1,3 um Lebensdauer bei 300 K als Funktion der Pumpwellenlänge zeigt. Es ist ersichtlich, dass die Lebensdauern mit zunehmender Pumpwellenlänge zunehmen. Bei kurzen Pumpwellenlängen nehmen die Lebensdauern mit zunehmendem Lanthanoxidgehalt des Glases ab; bei längeren Pumpwellenlängen (d. h. mehr als ungefähr 1000 nm) wird die Lebensdauer jedoch vom Oxidgehalt des Glases unabhängig.
Fig. 8 ist ein schematischer Graph, der die Kleinsignalverstärkergüte (d. h. Eingangssignalleistung von weniger als ungefähr -10 dBm und Verstärkung von mehr als ungefähr 15 dB) als Funktion des Lanthanoxidgehalts des Glases darstellt. Bei kürzeren Pumpwellenlängen als ungefähr 1010 nm (z. B. 980 nm) nutzt der Verstärker die "Oxid"orte, und die kürzere ¹G&sub4;-Lebensdauer verringert die Verstärkerwirksamkeit, wenn mehr Oxid zu dem Glas hinzugegeben wird. Bei Pumpwellenlängen von mehr als ungefähr 1000 nm (z. B. 1020 nm) werden jedoch die Nichtoxidorte ausgenutzt, und die Effizienz der Vorrichtung hängt nicht stark von dem Oxidgehalt des Glases ab.
Anwendungen des Glases werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 9a bis 12 beschrieben. In diesen Figuren ist das Glas als optische Faser dargestellt. Es ist jedoch verständlich, dass auch andere Wellenleiter (beispielsweise ein planarer Wellenleiter) verwendet werden können.
Die vorliegenden spezifischen Beispiele betreffen optische Single-mode-Fasern, deren Faserkern wie oben beschrieben dotiert ist. Es ist jedoch ersichtlich, dass (auch oder sogar stattdessen) die Umhüllung dotiert sein kann, und dass ähnliche Prizipien auf optische Multimode-Fasern anwendbar sind.
Fig. 9a bis 9d sind schematische Diagramme oxiddotierter Glasfaserverstärker, in denen verschiedene Pumpkonfigurationen genutzt werden. In jeder dieser Figurationen wird eine gewinkelte Verbindungsstelle zwischen einer Glasfaser mit hoher NA (numerische Apertur), die wie oben beschrieben dotiert ist, und einer konisch verjüngten Silicafaser mit hoher NA verwendet. Die in den Fig. 9a bis 9d gezeigten Konfigurationen werden als "co-direktionales", "gegendirektionales", "Doppelpass-" bzw. "bidirektionales" Pumpen bezeichnet.
In jeder der Fig. 9a bis 9d wird das Signallicht über eine Glasöffnung 10 eingekoppelt und aus einer Auslassöffnung 20 ausgekoppelt. Das Pumpsignal wird von einer Pumpquelle 35 (wie beispielsweise einem Diodenlaser (der bei verschiedenen der oben beschriebenen Wellenlängen oder anderen, wie beispielsweise 1280 nm betrieben wird), einem Neodym-Yttrium- Aluminium-Granatlaser zum Pumpen des Verstärkers bei einer Pumpwellenlänge von ungefähr 1064 nm oder einem Neodym- Yttrium-Lanthan-Fluorid-Laser zum Pumpen des Verstärkers bei einer Pumpwellenlänge von ungefähr 1047 nm) über eine Pumpeinkoppelöffnung 30 eingeführt. Fig. 9a bis 9d zeigen ferner eine Anzahl miteinander verschalteter optischer Fasereinheiten, die durch die folgenden Referenzzeichen gekennzeichnet sind:
Referenzzeichen Einheit
40 Pumpsignalmultiplexer
50 konisch zugespitzte Silicafaser
60 gewinkelte Verbindungsstelle
70 metalloxiddotierte Glasfaser
80 Spiegel mit hoher Reflektivität bei den Pump- und Signalwellenlängen
90 optischer Zirkulator
100 50 : 50-Koppler
Fig. 10 ist ein schematisches Diagramm eines faseroptischen Lasers, in dem ein wie oben beschriebener Verstärker verwendet wird. In dem Laser werden Fasergitter 110 an jedem Ende der Verstärkerfaser 112 (mit oder ohne weiterer nichtverstärkender Faser zur Bereitstellung eines externen Resonators) zur Bereitstellung reflektierender Mittel zur Unterstützung der Lasertätigkeit innerhalb der Verstärkerfaser verwendet. Der Verstärker kann unter Verwendung einer beliebigen, der in den Fig. 9a bis 9d dargestellten allgemeinen Techniken gepumpt werden.
Fig. 11a und 11b sind schematische Diagramme von "Single pass"- bzw. "Double pass"-Superlumineszenzquellen.
Superlumineszenzquellen nutzen die Faserverstärker- Charakteristiken des wie oben beschriebenen dotierten Chalcogenidglases, im Gegensatz zu Faserlasern benötigen sie jedoch kein Feedback von den beiden Faserenden.
In Fig. 11a wird ein Verstärker 130 direkt durch eine Pumpquelle 120 mit Licht gespeist, das aus einer Öffnung 135 austritt. In Fig. 11b ist eine Doppelpass-Anordnung gezeigt, bei der ein Gitter 125 zwischen der Pumpquelle und dem Verstärker eingefügt ist. Von dem Verstärkerausgang 135 reflektiertes Licht wird dann über das Gitter 125 zum Ausgang 135 zurückgeschickt.
Schließlich ist Fig. 12 ein schematisches Diagramm eines optischen Kommunikationssystem, bei dem die oben beschriebenen Vorrichtungen verwendet werden. Genauer wird Licht von einem optischen Übertragungssystem 200 (das einen Laser wie in Fig. 10 gezeigt einschließen kann) in einen Leistungsverstärker 210 (z. B. einen Verstärker gemäß einer beliebigen der Fig. 9a bis 9d) eingeführt, bevor es entlang der Länge der optischen Faser 220 zu einem Empfänger 230 übertragen wird.
Zusammenfassend stellen die erfindungsgemäßen Ausführungsformen einen faseroptischen Verstärker, einen Laser oder eine Superlumineszenzquelle bereit, die aus einer Chalcogenidglasmatrix bestehen, die als Träger für trivalente Seltenerderionen dient, und die mit Oxid in Form eines Metalloxids dotiert ist. Die Vorrichtung nutzt die Eigenschaften des zugegebenen Oxids zur Verbesserung der Herstellung und der Effizienz optischer Wellenleiterquellen, insbesondere für Anwendungen um 1,3 um. Insbesondere kann die Anwesenheit des Oxids in einigen Fällen den Wellenlängenbereich der Pumpabsorption verbreitern, den Wellenlängenbereich für Lichtemission verbreitern, die Effizienz der Vorrichtung durch eine Veränderung der Lebensdauer bestimmter Laserniveaus erhöhen und Eigenschaften des Glases so modifizieren, dass die Kristallisation während der Faserherstellung verhindert wird. Die Vorrichtung nutzt die absichtliche Zugabe von Oxid zur Verbesserung der Eigenschaften von Verstärker, Laser, Glas und Faser.

Claims

1. Optischer Wellenleiter-Verstärker mit einem Chalcogenidglas-Wellenleiter (70, 112), der wenigstens teilweise mit

a) einem Seltenen Erddotiermittel und

b) Sauerstoff in der Form eines Metalloxids dotiert ist,

worin der gesamte Metalloxidgehalt etwa 0,01 bis etwa 50% des Gesamtgewichtes des Glases beträgt, und mit einer Einrichtung für die Zuführung von Pumpstrahlung (35) zu dem Wellenleiter.

2. Verstärker nach Anspruch 1, bei dem das Chalcogenidglas ein Sulfidglas ist.

3. Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Seltene Erddotiermittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Thulium besteht.

4. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Pumpstrahlung eine Wellenlänge besitzt, welche bevorzugt Dotiermittelionen anregt, die in Oxidstellen in dem Glas angeordnet sind.

5. Verstärker nach Anspruch 3 oder 4, bei welchem das Seltene Erddotiermittel Praseodym in einem Mengenverhältnis zwischen etwa 10 und etwa 20000 Teilen je Million ist.

6. Verstärker nach Anspruch 5 in Abhängigkeit von Anspruch 4, worin die Pumpstrahlung eine Wellenlänge größer als 900 nm und kürzer als 1100 nm hat.

7. Verstärker nach Anspruch 6, der betätigbar ist, eine Ausgangssignalstärke größer als 1 mW zu liefern, worin die Pumpwellenlänge kleiner als etwa 1010 nm ist.

8. Verstärker nach Anspruch 7, worin die Pumpwellenlänge etwa 980 nm ist.

9. Verstärker nach Anspruch 5, der betätigbar ist, einen Verstärkungsgrad größer als etwa 15 dB mit einer Eingangssignalstärke von weniger als etwa -10 d8 m zu ergeben, worin die Pumpwellenlänge größer als etwa 1000 nm ist.

10. Verstärker nach Anspruch 3 oder 4, worin das Seltene Erddotiermittel Dysprosium ist.

11. Verstärker nach Anspruch 10 in Abhängigkeit von Anspruch 4, worin die Pumpstrahlung eine Wellenlänge von etwa 800 nm, 910 nm, 1070 nm oder 1260 nm hat.

12. Verstärker nach einem der vorausgehenden Ansprüche, worin der Glaswellenleiter mit einem weiteren Dotiermittel dotiert ist, das aus den Metallen der Gruppe 3A des Priodensystems ausgewählt ist.

13. Verstärker nach Anspruch 12, worin das weitere Dotiermittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Gallium, Germanium, Barium, Caesium und Arsen besteht.

14. Verstärker nach Anspruch 13, worin das weitere Dotiermittel Gallium ist.

15. Verstärker nach Anspruch 14, worin der Glaswellenleiter mit einem zweiten weiteren Dotiermittel dotiert ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Germanium, Barium, Caesium und Arsen besteht.

16. Verstärker nach Anspruch 14, worin der Glaswellenleiter mit einem zweiten weiteren Dotiermittel dotiert ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lanthan, Yttrium, Ytterbium und Lutecium besteht.

17. Verstärker nach Anspruch 16, worin das zweite weitere Dotiermittel Lanthan ist.

18. Verstärker nach einem der vorausgehenden Ansprüche, worin das Metalloxid aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lanthanoxid, Yttriumoxid, Ytterbiumoxid, Luteciumoxid, Galliumoxid, Germaniumoxid, Bariumoxid, Caesiumoxid, Arsenoxid, Ceroxid, Praseodymoxid, Neodymoxid, Samariumoxid, Terbiumoxid, Dysprosiumoxid, Holmiumoxid, Erbiumoxid und Thuliumoxid besteht.

19. Verstärker nach Anspruch 16, worin das Metalloxid Lanthanoxid ist.

20. Verstärker nach einem der vorausgehenden Ansprüche, worin der Wellenleiter eine optische Faser ist.

21. Verstärker nach Anspruch 20, worin die optische Faser eine optische Einzelfaser ist, wobei wenigstens ein Kernbereich der Faser mit dem Seltenen Erddotiermittel und dem Metalloxid dotiert ist.

22. Verstärker nach Anspruch 1 mit einer Halbleiterdiode, die betätigbar ist, den Verstärker bei einer Pumpwellenlänge zu pumpen, die aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus etwa 800 nm, etwa 980 nm und etwa 1280 nm besteht.

23. Verstärker nach Anspruch 1 mit einem Neodym-Yttrium-Aluminium-Granatlaser zum Pumpen des Verstärkers bei einer Pumpwellenlänge von etwa 1064 nm oder einem Neodym-Yttrium-Lanthanfluoridlaser zum Pumpen des Verstärkers bei einer Pumpwellenlänge von etwa 1047 nm umfaßt.

24. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 23, worin der Metalloxidgehalt des Glases zwischen etwa 1 und etwa 50% liegt.

25. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 23, worin der Metalloxidgehalt des Glases zwischen etwa 2 und etwa 50% liegt.

26. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 23, worin der Metalloxidgehalt des Glases zwischen etwa 5 und etwa 50% liegt.

27. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 23, worin der Metalloxidgehalt des Glases zwischen etwa 10 und etwa 50% liegt.

28. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 23, worin der Metalloxidgehalt des Glases zwischen etwa 20 und etwa 50% liegt.

29. Verstärker nach einem der vorausgehenden Ansprüche, worin der Glaswellenleiter mit einem Sensibilisiermittel dotiert ist, um die Absorption bei der Pumpwellenlänge zu erhöhen.

30. Verstärker nach Anspruch 29, worin das Sensibilisiermittel Ytterbium ist.

31. Verstärker nach Anspruch 30 mit einer Einrichtung zum Pumpen des Verstärkers bei einer Pumpwellenlänge von etwa 800 oder 980 nm.

32. Optischer Wellenleiter-Laseroszillator mit einem optischen Wellenleiterverstärker (112) nach einem der vorausgehenden Ansprüche und einer Reflektoreinrichtung (110) zur Förderung der Lasertätigkeit in dem Verstärker.

33. Laseroszillator nach Anspruch 32, worin die Reflektoreinrichtung Gitter umfaßt, die an jedem Ende des Wellenleiterverstärkers angeordnet sind.

34. Superlumineszenzquelle mit einem optischen Wellenleiterverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 31.

35. Telekommunikationsvorrichtung mit einem optischen Wellenleiterverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 31, einem Laseroszillator nach Anspruch 32 oder 33 und/oder einer Superlumineszenzquelle nach Anspruch 34.

36. Verfahren zur Herstellung eines optischen Wellenleiterverstärkers unter Zugabe von Sauerstoff in der Form eines Metalloxids während der Bildung eines optischen Wellenleiters aus mit Seltener Erde dotiertem Chalcogenidglas, wobei der resultierende Wellenleiter einen Gesamtmetalloxidgehalt zwischen etwa 0,01 und etwa 50 Gew.-% hat.

37. Optischer Wellenleiter, wenigstens teilweise aus einem Chalcogenidglas gebildet, welches mit

a) Seltenem Erddotiermittel und

b) Sauerstoff in der Form eines Metalloxids dotiert ist, worin der gesamte Metalloxidgehalt etwa 5 bis etwa 50% des Gesamtgewichtes des Glases beträgt.

38. Optischer Wellenleiter nach Anspruch 37, worin das Chalcogenidglas ein Suflidglas ist.