DE69825640T2 - Tellurit-Glas, optischer Verstärker und Lichtquelle - Google Patents

Tellurit-Glas, optischer Verstärker und Lichtquelle Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Tellurit-Glas als Glasmaterial für eine Lichtleitfaser und auf einen optischen Wellenleiter, und insbesondere auf ein Medium zur optischen Breitband-Verstärkung unter Verwendung des Tellurit-Glases, welches funktionsfähig ist sogar bei Wellenlängen von 1,5 μm bis 1,7 μm. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen optischen Breitband-Verstärker und eine Laser-Vorrichtung unter Verwendung des Mediums zur optischen Breitband-Verstärkung.
  • Die Technik der Wellenlängen-Multiplexierung (WDM) wurde untersucht und entwickelt zur Ausdehnung des Transmissions-Volumens optischer Kommunikationssysteme und für das funktionsgemäße Verbessern derartiger Systeme. Die WDM ist verantwortlich für das Kombinieren mehrerer optischer Signale und für das Aussenden eines kombinierten Signals durch eine einzelne Lichtleitfaser. Zusätzlich ist die WDM in umkehrbarer Weise verantwortlich für das Aufteilen eines kombinierten Signals, welches durch eine einzelne Lichtleitfaser hindurchgeht, in mehrere optische Signale für jede Wellenlänge. Diese Art von Sendetechnik erfordert eine Transit-Verstärkung, wie sie bei der konventionellen Sendetechnik der Fall ist, gemäss der Entfernung des Übermittelns mehrerer optischer Signale verschiedener Wellenlänge durch eine einzelne Lichtleitfaser. Folglich ergibt sich der Bedarf nach einem optischen Verstärker mit einem breiten Verstärkungs-Wellenbereich aus den Anforderungen, Wellenlänge und Transmissionsvolumen des optischen Signals zu erhöhen. Die Wellenlängen von 1,61 μm bis 1,66 μm wurden als angemessen betrachtet, um ein optisches System zu erhalten und zu überwachen, so dass es wünschenswert ist, eine optische Quelle und einen optischen Verstärker für ein solches System zu entwickeln.
  • In den letzten Jahren wurde beträchtliche Arbeit aufgewendet für die Forschung und Entwicklung eines Lichtleitfaser-Verstärkers mit Lichtleitfasern als Materialien zur optischen Verstärkung, wie mit Erbium (Er) dotierte Lichtleitfaser-Verstärker (EDFAs), mit steigenden Anwendungen im Feld der optischen Kommunikationssysteme. Der EDFA arbeitet bei einer Wellenlänge von 1,5 μm, wo sich ein Verlust der Lichtleitfaser auf Silika-Basis auf ein Minimum reduziert, und er ist ebenfalls bekannt für seine exzellenten Eigenschaften von hoher Verstärkung von 30 dB oder mehr, niedrigem Rauschen, breiter Verstärkungs-Bandbreite, keiner Abhängigkeit von polarisierten Wellen, und hoher Sättigungsleistung.
  • Wie obenstehend beschrieben, ist eine der bemerkenswerten Tatsachen, die für das Anwenden des obigen EDFA für die WDM-Transmission erforderlich sind, dass der Verstärkungs-Wellenbereich breit ist. Bisher wurde ein Fluorid-EDFA unter Verwendung eines Fluorid-Glases als Wirt eines Erbium-dotierten Lichtleitfaser-Verstärkers entwickelt als Breitverstärkungsband-EDFA.
  • In US-Patent Nr. 3,836,868, 3,836,871, und 3,883,357 offenbaren Cooley et al. die Möglichkeit, dass Laser-Oszillation erzeugt wird durch Tellurit-Glas, welches ein Seltenerd-Element enthält. Allerdings haben Cooley et al. in diesem Fall nicht die Idee, Tellurit-Glas in einer Lichtleitfaser zu bilden, weil es keine Beschreibung gibt, die befasst ist mit der Abstimmung des Brechungsindexes und der thermischen Stabilität von Tellurit-Glas, die erforderlich sind für eine solche Bildung.
  • In US-Patent Nr. 5,251,062 beharren Snitzer et al. darauf, dass Tellurit-Glas eine wichtige Rolle spielt bei der Ausweitung des Verstärkungsbandes des EDFA, und gebildet werden sollte in einer Faser, was absolut notwendig ist für die Induktion einer optischen Verstärkung. Somit offenbaren sie die zu erlaubenden Prozentbereiche der Bestandteile in einer Tellurit-Glas-Zusammensetzung auf konkrete Weise. Die Tellurit-Glas-Zusammensetzung beinhaltet ein Seltenerd-Element als ein optisch aktives Element und kann in einer Faser gebildet werden. Insbesondere ist die Tellurit-Glas-Zusammensetzung von Snitzer et al. eine ternäre Zusammensetzung mit TeO2, R2O und QO, wobei R ein einbindiges Metall außer Li bezeichnet, und Q ein zweibindiges Metall bezeichnet. Der Grund, warum Li ausgeschlossen ist als das einbindige Metall, ist der, dass Li die thermische Stabilität der Tellurit-Glas-Zusammensetzung herabsetzt.
  • In US-Patent Nr. 5,251,062 führen Snitzer et al. des Weiteren eine Vergleichsstudie durch über Fluoreszenz-Erbium-Spektren von Silika- und Tellurit-Glas, und entdecken, dass das Tellurit-Glas ein breiteres Erbium-Spektrum zeigt, verglichen mit dem des Silika-Glases. Sie schließen daraus, dass die ternäre Tellurit-Glas-Zusammensetzung eine Breitband-Verstärkung des EDFA zulassen könnte und ein optisch aktives Material wie Praseodym oder Neodym zu dieser Zusammensetzung hinzugefügt werden kann für das Induzieren einer optischen Verstärkung. In dieser Patentschrift gibt es allerdings keine konkrete Beschreibung der Eigenschaften von Verstärkung, Pump-Wellenlänge, Signal-Wellenlänge und dergleichen, was ein wichtiger Beweis dafür ist, dass die optische Verstärkung tatsächlich unten war.
  • Mit anderen Worten, U.S. Patent Nr. 5,251,062 gibt nur die Prozentbereiche von Bestandteilen der ternären Tellurit-Glas-Zusammensetzung an, die verwendet werden kann in einer Lichtleitfaser.
  • Des Weiteren beschreiben Snitzer et al. thermische und optische Merkmale verschiedener Arten von Tellurit-Glas, mit Ausnahme derjenigen, beschrieben in U.S. Patent Nr. 5,251,062 in einer technischen Veröffentlichung (Wang et al., Optical Materials, Vol. 3, Seiten 187–203, 1994; nachstehend einfach bezeichnet als "Optical Materials"). In dieser Veröffentlichung existiert allerdings auch keine konkrete Beschreibung der optischen Verstärkung und der Laser-Oszillation.
  • In einer weiteren technischen Veröffentlichung (J. S. Wang et al., Optics Letters, Vol. 19, Seiten 1448–1449, 1994; nachstehend einfach bezeichnet als "Optics Letters"), veröffentlicht kurz nach der oben erwähnten Veröffentlichung, beschreiben Snitzer et al., dass Laser-Oszillation zum ersten Mal verursacht wurde unter Verwendung einer Single-Mode-Lichtleitfaser aus Neodym-dotierten Tellurit-Glas. Die Single-Mode-Faser hat einen Kern mit der Zusammensetzung 76,9% TeO2-6,0% Na2O-15,5% ZnO-1,5% Bi2O3-0,1% Nd2O3 und einen Mantel mit der Zusammensetzung 75% TeO2-5,0% Na2O-20,0% ZnO und ermöglicht 1061 nm Laser-Oszillation durch 81 nm Pumpen. In dieser Veröffentlichung ist keine Beschreibung eines Faserverlusts vorhanden. In Optical Materials ist andererseits eine Beschreibung vorhanden über den Verlust für eine Lichtleitfaser mit einer Mantel-Zusammensetzung von Nd2O3-77% TeO2-6,0% Na2O-15,5% ZnO-1,5% Bi2O3 und einer Keramik-Zusammensetzung von 75% TeO2-5,0% Na2O-20,0% ZnO (sie wird erachtet als etwa die gleiche Zusammensetzung wie die von Optics Letters) von 1500 dB/km bei einer Wellenlänge von 1,55 μm (siehe 1, welche einen Vergleich zwischen 4I13/2 bis 4I15/2 Er3+-Emission in Tellurit-Glas und 9I13/2 bis 4I15/2 Er3+-Emission in Fluorid-Glas veranschaulicht). Die Kern-Zusammensetzung dieser Lichtleitfaser ist verschieden von der einer ternären Zusammensetzung, veröffentlicht in U.S. Patent Nr. 5,251,062, weil erstere Bi2O3 beinhaltet. Festzustellen ist, dass keine Beschreibung oder Lehre über die thermische Stabilität einer Bi2O3-enthaltenden Glas-Zusammensetzung in den oben erwähnten Beschreibungen von Optics Letters, Optical Materials und U.S. Patent Nr. 5,251,062 vorliegt.
  • Allerdings hat der Fluorid-basierende EDFA ein Verstärkungsband von etwa 30 nm, was nicht ausreicht, um ein Verstärkungsband des Lichtleitfaser-Verstärkers auszudehnen in der Absicht der Ausdehnung des Bandes der WDM.
  • Französische Patentanmeldung Nr. 2479180 offenbart eine Infrarotfaser-optische Vorrichtung, aufgebaut aus einem Glas mit TeO2, WO3 und Bi2O3 (oder Ta2O5) als essentielle Bestandteile.
  • Europäische Patentanmeldung Nr. 0430206 offenbart ein Verschluss-Glas mit TeO2, B2O3, PbO und CdO als essentielle Bestandteile. Wahlweise kann das Glas auch Bi2O3 enthalten, unter anderem.
  • U.S. Patent Nr. 3,661,600 offenbart ein Glas mit hohem Brechungsindex und hoher dispergierenden Fähigkeit, mit TeO2, WO3, Li2O und CdO als essentielle Bestandteile. Wahlweise kann das Glas auch Bi2O3 enthalten, unter anderem.
  • Patent Abstracts of Japan, Vol. 096, Nr. 008, 30. August, 1996, offenbart die Verwendung eines Tellurit-Glases der Zusammensetzung TeO2 (77 Mol-%)-Na2O (6 Mol%)- ZnO (15,5 Mol-%)-Bi2O3 (1,5 Mol-%) als Kernmaterial in einer verstärkenden Lichtleitfaser.
  • Wie obenstehend beschrieben, zeigt Tellurit-Glas eine vergleichsweise breite Fluoreszenz-spektrale Bandbreite, so dass es eine Möglichkeit gibt; das Verstärkungsband zu erweitern, wenn der EDFA das Tellurit-Glas als seinen Wirt verwendet. Zusätzlich wurde die Möglichkeit der Herstellung einer Lichtleitfaser eines ternären Systems unter Verwendung der Zusammensetzung TeO2, R2O und QO (wobei R ein einbindiges Metall außer Li ist, und Q ein zweibindiges Atom ist) realisiert, so dass Laser-Oszillation bei einer Wellenlänge von 1061 nm durch eine Neodym-dotierte Single-Mode-Lichtleitfaser, im Wesentlichen mit der obigen Zusammensetzung, erreicht wurde. Dagegen wurde ein EDFA unter Verwendung von Tellurit-Glas noch nicht realisiert.
  • Daher wird nachfolgend das Problem beschrieben, einen EDFA auf Tellurit-Basis zu realisieren.
  • Zunächst sollte der Unterschied zwischen dem objektiven EDFA und dem Neodym-dotierten Faser-Laser (d. h. der Unterschied zwischen 1,5 μm Band-Emission von Erbium und 1,06 μm Band-Emission von Neodym in Glas) ausführlich beschrieben werden.
  • Ein optischer Übergang des objektiven EDFA ist in 2 gezeigt, worin drei verschiedene Energieniveaus durch Niveau 1, Niveau 2 und Niveau 3 angezeigt sind. Für das Erreichen einer objektiv-induzierten Emission von Niveau 2 nach Niveau 1 wird eine Populations-Inversion zwischen Niveau 1 und Niveau 2 erreicht durch Pumpen von Niveau 1 nach Niveau 3 und darauffolgende Relaxation von Niveau 3 nach Niveau 2. Diese Art von induzierter Emission kann bezeichnet werden als Drei-Niveau-System.
  • Im Falle von Neodym, wie in 3 gezeigt, kann ein Vier-Niveau-System definiert werden, so dass ein finales Niveau der induzierten Emission nicht ein Basis-Niveau, sondern ein erstes Niveau (Niveau 1) ist, welches höher ist als das Basis-Niveau. Wenn man das Drei-Niveau-System mit dem Vier-Niveau-System vergleicht, so ist es bei dem ersteren schwer, eine Populations-Inversion zu erreichen, so dass ein endendes Niveau der induzierten Emission in einem Grundzustand ist.
  • Demgemäß erfordert der Drei-Niveau-System-EDFA verstärkte optisch pumpende Lichtintensität, und auch die Faser selbst sollte Eigenschaften von niedrigem Verlust und hohem Δn aufweisen. In diesem Fall steht das hohe Δn für effektives optisches Pumpen.
  • Zweitens werden wir kurz beschreiben, dass ein Verstärkungsband nicht ausgedehnt werden kann, auch wenn es möglich ist, eine optische Verstärkung durchzuführen, wenn ein Transmissionsverlust der Faser groß ist.
  • Wellenlängen-Abhängigkeiten des EDFA auf Silika-Basis und des EDFA auf Tellurit-Basis sind in 4 veranschaulicht. Wie in der Figur gezeigt, ist zu erwarten, dass der EDFA auf Tellurit-Basis eine optische Breitband-Verstärkung erreichen wird, die breiter ist als die des EDFA auf Silika-Basis. Verglichen mit dem Glas auf Silika-Basis und dem Glas auf Nicht-Silika-Basis ist der Transmissionsverlust bei einer Kommunikations-Wellenlänge des letzteren beträchtlich größer als der des ersteren. In dem Lichtleitfaser-Verstärker führt daher der Verlust zu einer beträchtlichen Abnahme der Verstärkung.
  • Wie in 5 schematisch gezeigt, ist, wenn der Verlust vergleichsweise gering ist, das Verstärkungsband des Tellurit-Glases nahe an dem in 4 gezeigten. Wenn der Verlust vergleichsweise groß ist, wird dagegen das Verstärkungsband des Tellurit-Glases verengt.
  • Nebenbei wurde in neuesten technischen Untersuchungen über WDM-Transmission der Versuch unternommen, Transmission über einen Kanal für das Erhöhen der Transmissions-Kapazität zu beschleunigen. Im Hinblick auf die Lösung dieses Problems ist es notwendig, die Farbdispersions-Eigenschaften der Er-dotierten Lichtleitfaser zu optimieren. Bisher wurde diesen Eigenschaften allerdings keine Aufmerksamkeit geschenkt.
  • Für das Tellurit-Glas ist eine Wellenlänge, bei welcher ein Farbdispersions-Wert den Wert 0 annimmt in den Wellenlängen länger als 2 μm. Im Falle, dass eine Faser von hoher NA (numerische Apertur) in dem EDFA verwendet wird, ist ein Farbdispersions-Wert im allgemeinen –100 ps/km/nm oder weniger bei 1,55 μm Band. Somit nimmt eine Farbdispersion einer kurzen Lichtleitfaser von etwa 10 m Länge ebenfalls den großen Wert von –1 ps/nm oder weniger an.
  • Für die Verwendung von Tellurit-EDFA in Langstrecken- und Hochgeschwindigkeits-WDM-Transmission ist es daher erforderlich, die Farbdispersion so weit wie möglich an null anzunähern. Wie oben beschrieben, nimmt allerdings der Material-Dispersionswert von Tellurit-Glas den Wert Null an bei Wellenlängen von 2 μm und mehr. Daher kann die Tellurit-basierende Lichtleitfaser nicht die Technik verwenden, die angepasst ist an die Silika-basierende Lichtleitfaser, die den Farbdispersions-Wert bei 1,55 μm Band an Null annähert durch Optimieren der Konstruktionsparameter der Faser.
  • Des Weiteren kann die Tellurit-basierende Lichtleitfaser verwendet werden als Wirt von Praseodym (Pr) für 1,3 μm Band-Verstärkung. Wie obenstehend beschrieben, hat die Tellurit-basierende Lichtleitfaser allerdings einen großen Farbdispersions-Wert als absoluten Wert. Im Falle des Verstärkens eines optischen Hochgeschwindigkeits-Signals unter Verwendung der Tellurit-basierenden Lichtleitfaser kann eine Verzerrung der Puls-Wellenlänge induziert werden und somit sollte der Farbdispersions-Wert korrigiert werden. Falls nicht, gerät die Verwendung von Tellurit-Glas in einem optischen Kommunikationssystem in Schwierigkeiten.
  • Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Tellurit-Glasfaser mit hohem Δn und niedrigem Faser-Verlust bereitzustellen.
  • Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Tellurit-Glasfaser bereitzustellen, welche dazu fähig ist, einen Breitband-EDFA zu realisieren, dotiert mit einem optisch aktiven Seltenerdelement, der nicht realisiert werden kann durch konventionelle Glas-Zusammensetzungen.
  • Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Medium zur optischen Breitband-Verstärkung bereitzustellen, welches dazu fähig ist, bei Wellenlängen, besonders von 1,5 μm bis 1,7 μm, zu funktionieren, und ebenfalls bereitzustellen einen optischen Verstärker und eine Laser-Vorrichtung, welche ein derartiges Medium verwenden und bei Wellenlängen in einem breiten Bereich arbeiten, und niedrige Rauschfaktoren aufweisen.
  • In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Tellurit-Glas als Glas-Material für eine Lichtleitfaser oder einen optischen Wellenleiter, mit einer Zusammensetzung: TeO2-ZnO-M2O-Bi2O3-Al2O3, wobei M mindestens ein Alkalielement ist. Gemäss einem bevorzugten Aspekt umfasst die Zusammensetzung:
    0 < Bi2O3 ≤ 10 (Mol-%);
    0 ≤ Li2O3 ≤ 30 (Mol-%);
    0 ≤ ZnO ≤ 4 (Mol-%);
    70 ≤ TeO2 ≤ 90 (Mol-%); und
    0 ≤ Al2O3 ≤ 3 (Mol-%).
  • Gemäss einem alternativen bevorzugten Aspekt umfasst die Glaszusammensetzung:
    0 < Bi2O3 ≤ 15 (Mol-%);
    0 ≤ Na2O ≤ 30 (Mol-%);
    0 ≤ ZnO ≤ 35 (Mol-%);
    60 ≤ TeO2 ≤ 90 (Mol-%); und
    0 ≤ Al2O3 ≤ 4 (Mol-%).
  • Hierbei kann eine Konzentration von Bi2O3 sein:
    4 < Bi2O3 < 7.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Medium zur optischen Verstärkung mit einem optischen Verstärker oder einem optischen Wellenleiter mit einem Kernglas und einem Mantelglas, wobei mindestens eines des Kernglases und des Mantelglases hergestellt ist aus dem Telluritglas eines des neuen, oben beschriebenen Telluritglases.
  • Hierbei können mindestens eines des Kern-Glases und des Mantel-Glases Erbium oder Erbium und Ytterbium enthalten.
  • Mindestens eines des Kern-Glases und des Mantel-Glases können enthalten mindestens eines, gewählt aus einer Gruppe bestehend aus Bor (B), Phosphor (P) und Hydroxylgruppe.
  • Mindestens eines des Kern-Glases und des Mantel-Glases können enthalten ein Element, gewählt aus einer Gruppe bestehend aus Ce, Pr, Nd, Sm, Tb, Gd, Eu, Dy, Ho, Tm und Yb.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein Medium zur optischen Verstärkung, mit einem optischen Verstärker oder einem optischen Wellenleiter mit einem Kern und einem Mantel, welche hergestellt sind aus einem Glasmaterial, und mindestens der Kern Erbium enthält, wobei
    das Glasmaterial besteht aus einer Tellurit-Zusammensetzung: TeO2-ZnO-M2O-Bi2O3-Al2O3, wobei M mindestens ein Alkalimetall ist. Hierbei kann eine Cut-Off-Wellenlänge im Bereich von 0,4 μm bis 2,5 μm sein. In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt eine Laser-Vorrichtung mit einem optischen Hohlraum und einer Erreger-Lichtquelle, wobei
    mindestens eines der Medien zur optischen Verstärkung im optischen Hohlraum eines der oben beschriebenen neuen Medien zur optischen Verstärkung ist.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt eine Laser-Vorrichtung mit einem Medium zur Verstärkung und einer Erreger-Lichtquelle, wobei das Medium zur Verstärkung eines der oben beschriebenen neuen Medien zur optischen Verstärkung ist.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein optischer Verstärker mit einem Medium zur optischen Verstärkung, einer Eingabe-Vorrichtung, welche ein Erreger-Licht und ein Signal-Licht für das Pumpen des Mediums zur optischen Verstärkung eingibt, wobei das Medium zur optischen Verstärkung eines der oben beschriebenen Medien zur optischen Verstärkung ist.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt ein optischer Verstärker mit mehreren Medien zur optischen Verstärkung mit Lichtleitfasern, welche enthalten Erbium in ihren Kernen und reihenweise angeordnet sind, wobei jedes der Medien zur optischen Verstärkung eines der neuen, oben beschriebenen Medien zur optischen Verstärkung ist.
  • Die obenstehenden und andere Aufgaben, Wirkungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der folgenden Beschreibung der Beispiele, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen.
  • 1 ist ein spektrales Diagramm, welches die 4I13/2-4I15/2-Emission von Erbium im Tellurit-Glas veranschaulicht;
  • 2 ist ein Energieniveau-Diagramm des 3-Niveau-Systems für Er3+ bei um 1,54 μm (N1 ≠ 0);
  • 3 ist ein Energieniveau-Diagramm des 4-Niveau-Systems für Nd3+ bei um 1,06 μm (N1 = 0);
  • 4 ist eine graphische Darstellung der Wellenlängenabhängigkeiten des Silika-basierenden EDFA (eine unterbrochene Linie) und des Tellurit-basierenden EDFA (eine feste Linie);
  • 5 ist eine graphische Darstellung des Unterschiedes der Verstärkungsbanden des Tellurit-EDFA in Bezug auf große und kleine Faser-Verluste;
  • 6 ist ein Energieniveau-Diagramm von Er3+;
  • 7 ist eine graphische Darstellung des 1,5 μm-Bandemission-Spektrums von jedem von TeO2-ZnO-Na2O-Bi2O3-Glas, TeO2-ZnO-Na2O-Bi2O3-Al2O3-Glas und TeO2-ZnO-Li2O-Bi2O3-Al2O3-Glas;
  • 8 ist eine schematische Darstellung des stabilen Glas-Bildungsbereiches für Glas mit fünf Bestandteilen als eine Zusammensetzung von TeO2-ZnO-Li2O-Al2O-Bi2O3-Glas, wenn Al2O3 = 2 Mol-% und Li2O3 = 12 Mol-%;
  • Eine Laser-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Medium zur optischen Verstärkung und eine Erregerlichtquelle, und ist hauptsächlich gekennzeichnet durch die effiziente Verwendung von induziertem Emissions-Übergang von Er vom 4I13/2-Niveau auf das 4I15/2-Niveau.
  • 6 ist ein Energieniveau-Diagramm von Er3+, welches veranschaulicht eine induzierte Emission von dem oberen Niveau 4I13/2 auf das Grund-Niveau 4I15/2 (nachstehend bezeichnet als 4I13/2 → 4I15/2 Emission).
  • Zusätzlich, wie in 1 gezeigt, ist bekannt, dass eine Bandbreite, welche 4I13/2 → 4I15/2 Emission von Er3+ in dem Fluorid-Glas erlaubt, breiter ist als jene von Er3+ in anderem Glas wie einem Silika-Glas. Bei einer Wellenlänge von über 1,6 μm wird allerdings eine Emissions-Intensität niedrig und auch das Auftreten von optischer Verstärkung und Laser-Oszillation wird schwierig.
  • Im Falle, dass ein vorher festgelegter Betrag von Er zu dem Tellurit-Glas hinzugefügt wird, empfängt das Er ein stärkeres elektrisches Feld als das herkömmliche. Als Folge kann ein akzeptabler Grad von Fluoreszenz-Intensität bei einer Wellenlänge von über 1,6 μm beobachtet werden wegen der zunehmenden Breite der Niveaus, verursacht durch Stokes-Effekte auf Niveaus wie 4I13/2 und 4I15/2.
  • Folglich kann ein bei Wellenlängen von 1,5 μm bis 1,7 μm funktionierender optischer Verstärker oder eine Laser-Vorrichtung realisiert werden, wenn dessen Medium zur optischen Verstärkung eine Tellurit-Glasfaser ist, bei der Erbium hinzugefügt wird in mindestens dem Kern-Abschnitt.
  • Wenn das Tellurit-Glas mindestens eines von Bor, Phosphor und Hydroxylgruppe enthält, können Verbesserungen der Eigenschaften des Verstärkungs-Koeffizienten und Rauschfaktors ebenfalls erreicht werden zur Zeit des Pumpens des 4I11/2-Niveaus durch Licht von 0,98 μm. Das heißt, Schwingungs-Energien von B-O, P-O und O-H, welche jeweils ungefähr 1400 cm–1, 1200 cm–1 und 3700 cm–1 sind, während Phonon-Energie des Tellurit-Glases frei von obigem Additiv 600 bis 700 cm–1 ist, so dass das Tellurit-Glas, welches mindestens eines von Bor, Phosphor und Hydroxylgruppe enthält, mehr als die doppelte Energie des Tellurit-Glases, das frei von dem Additiv ist, erzeugt. Wenn eine optische Verstärkung bei 1,5 μm Band verursacht wird durch einen Übergang 4I13/2 → 4I15/2 durch Pumpen 4I11/2-Niveau von Er durch Licht bei einer Wellenlänge nahe 0,98 μm, tritt folglich eine Relaxation vom 4I11/2-Niveau auf das 4I13/2-Niveau leichter auf, und eine Verringerung des Quantenwirkungsgrads ist relativ gering. Damit tritt eine Verringerung des Pump-Wirkungsgrads des 4I13/2-Niveaus kaum auf (6). Wenn eine Relaxation vom 4I11/2-Niveau auf das 4I13/2-Niveau leichter auftritt, wird bevorzugt, das 4I13/2-Niveau nach Pumpen des 4I11/2-Niveaus zu pumpen, besser als direktes Pumpen des 4I13/2-Niveaus durch Licht bei einer Wellenlänge nahe 1,48 μm, weil das erstere günstig ist, um eine Populationsinversion zwischen dem 4I13/2-Niveau und dem 4I15/2-Niveau zu erreichen. Deswegen besteht ein Vorteil, ausgezeichnete Rausch-Eigenschaften aufzuweisen.
  • Nachstehend werden bevorzugte Beispiele eines Mediums zur optischen Verstärkung, eines optischen Breitband-Verstärkers unter Verwendung eines derartigen Mediums, und eine Laser-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. In den folgenden Beispielen enthält das Tellurit-Glas oder die Tellurit-Lichtleitfaser Aluminium (Al) als Wirt. Es ist ebenfalls bekannt, dass wenn SiO2-basierendes Glas Al enthält, ein eingebeulter Abschnitt zwischen 1,53 μm und 1,56 μm eines Querschnitts der stimulierten Emission von Er im Glas verzweifelt, und auch das Verstärkungs-Spektrum abflacht bei Wellenlängen von 1,54 μm bis 1,56 μm (Emmanue Desurvire, „Erbium-Doped Fiber Amplifiers", John Wiley&Sons, 1994). Allerdings ist dies eine Wirkung von Al auf die Silika-basierenden Lichtleitfaser, so dass die Wirkung auf das Tellurit-Glas noch unbekannt ist.
  • Wie in den folgenden Beispielen beschrieben, haben die gegenwärtigen Erfinder schließlich die folgenden Tatsachen entdeckt. Das heißt, das Hinzufügen von Al im Tellurit-Glas führt zu den Effekten des Verschwindens eines eingebeulten Abschnitts zwischen 1,53 μm und 1,56 μm eines Querschnitts der stimulierten Emission von Er im Glas und zu ansteigenden Veränderungen im Querschnitt, resultierend in der Reduzierung des Verstärkungs-Unterschiedes zwischen 1,55 μm Band und 1,6 μm Band.
  • Beispiel 1
  • 7 ist ein Spektrum-Diagramm, welches veranschaulicht jedes 1,5 μm Emissions-Spektrum von Er in Gläsern mit ihren jeweiligen Zusammensetzungen:
    TeO2 (74 Mol-%)-ZnO (16 Mol-%)-Na2O (6 Mol-%)-Bi2O3 (4 Mol-%);
    TeO2 (73 Mol-%)-ZnO (15 Mol-%)-Na2O (6 Mol-%)-Bi2O3 (3 Mol-%)-Al2O3 (3 Mol-%); und
    TeO2 (79 Mol-%)-ZnO (3 Mol-%)-Li2O (12 Mol-%)-Bi2O3 (3 Mol-%)-Al2O3 (3 Mol-%).
  • Wie in der Figur gezeigt, ist eine Intensität des Emissions-Spektrums des Glases mit Al2O3 bei einer Wellenlänge von um 1,6 μm stärker als diejenige des Glases ohne Al2O3, und auch eine Tiefe der Beule zwischen 1,53 μm und 1,56 μm des ersteren verschwindet oder ist flacher als die des letzteren.
  • Eine Erbium-dotierte Tellurit-Lichtleitfaser wird hergestellt unter Verwendung des Al2O3-enthaltenden Glases (TeO2-ZnO-Na2O-Bi2o3-System-Glas). Die erhaltene Faser hat eine Cut-Off-Wellenlänge von 1,3 μm, Er-Gehalt von 4000 ppm und eine Länge von 0,9 m. Dann wird die Faser optisch gepumpt bei 1,48 μm mit der Leistung von 200 mW, resultierend in einem Verstärkungs-Unterschied von 10 dB oder weniger zwischen 1,56 μm und 1,60 μm.
  • Als nächstes wird ein EDFA konstruiert unter Verwendung der obigen Erbium-dotierten Lichtleitfaser als optischer Verstärker und eines Faser-Bragg-Gitters als eine Verstärkungs-ausgleichende Vorrichtung. Der erhaltene EDFA zeigt 1 dB oder weniger Verstärkungs-Unterschied zwischen 1,53 μm und 1,60 μm.
  • Andererseits zeigte ein EDFA unter Verwendung der Al2O3-abwesenden Faser einen Verstärkungs-Unterschied von 15 dB oder mehr zwischen 1,56 μm und 1,60 μm. Des Weiteren konnte in diesem Fall die Verstärkungs-Abweichung bei Wellenlängen von 1,56 μm bis 1,60 μm nicht reduziert werden auf 1 dB oder weniger gegenüber einer Breite von 70 nm, trotz der Verwendung der Verstärkungs-ausgleichenden Vorrichtung.
  • Die zusätzlichen Wirkungen von Al2O3 auf die Verstärkungs-Eigenschaften der Lichtleitfaser werden bestätigt für die Zusammensetzung von TeO2-ZnO-Li2O-Bi2O3 (55 ≤ TeO2 ≤ 90, 0 ≤ Zn0 ≤ 35, 0 ≤ Na2O ≤ 35, 0 < Bi2O3 ≤ 20, Einheit : Mol-%).
  • Beispiel 2
  • In diesem Beispiel bestätigen wir einen Einfluss des Hinzufügens von Al2O3 zu TeO2-ZnO-Li2O-Bi2O3 auf die Eigenschaften der Verstärkung.
  • Eine Vergleichsstudie von 1,5 μm Bandemissions-Spektren von Er in einem Glas ohne Al2O3 mit der Zusammensetzung (80)TeO2-(3)ZnO-(12)Li2O-(5)Bi2O3 und einem Al2O-enthaltendem glas mit der Zusammensetzung (79)TeO2-(3)ZnO-(3)Li2O-(12)Bi2O3-(3)Al2O3 wird durchgeführt. Als Folge stellen wir fest, dass das Al2O-enthaltende Glas eine grössere Emissionsstärke bei 1,6 μm hat und es keinen ausgebeulten Abschnitt zwischen 1,53 μm und 1,56 μm im Spektrum gibt, verglichen mit jenen des Glases ohne Al2O. Das Al2O-enthaltende Glas wird gebildet in einem Kern der Erbium-dotierten Tellurit-Lichtleitfaser (eine Cut-Off-Wellenlänge von 1,3 μm, ein Erbium-Gehalt von 4000 ppm, und eine Länge von 0,9 m) und optisch gepumpt bei 1,48 μm mit der Stärke von 200 mW, resultierend in einer Verstärkungs-Abweichung von 10 dB oder weniger bei Wellenlängen von 1,56 μm und 1,60 μm.
  • Als nächstes wird ein EDFA aufgebaut unter Verwendung der obigen Erbium-dotierten Lichtleitfaser als Lichtleitfaser und einem Mach-Zehnder-Typ-Filter (ein Medium für Licht-Verlust) als eine Verstärkungs-abgleichende Vorrichtung. Der erhaltene EDFA zeigte 1 dB oder weniger Spannungs-Abweichung bei Wellenlängen von 1,53 μm bis 1,60 μm.
  • Andererseits zeigte ein EDFA unter Verwendung der Faser ohne Al2O3 eine Spannungs-Abweichung von 15 dB oder mehr bei Wellenlängen von 1,56 μm bis 1,60 μm. Darüber hinaus konnte in diesem Fall die Spannungs-Abweichung bei Wellenlängen von 1,56 μm bis 1,60 μm nicht auf 1 dB oder weniger verringert werden gegenüber einer Breite von 70 nm, trotz Verwendung einer Verstärkungs-abgleichenden Vorrichtung.
  • Zusätzlich verschwanden Schwankungen der Verstärkung zwischen 1,53 μm und 1,56 μm zu der Zeit des Messens des Verstärkungs-Spektrums, wenn die Faser von 2 m Länge, dotiert mit 1000 ppm Er verwendet wird, resultierend in einer Gleichförmigkeit der Verstärkung bei 1,53 μm bis 1,56 μm. Daher konnte diese Faser nützlich sein bei der Verstärkung der WDM Transmission bei 1,53 μm bis 1,56 μm. Dieses Phänomen wird auch beobachtet, wenn die Faser mit der Zusammensetzung TeO2-ZnO-Na2O-Bi2O3-Al2O3 verwendet wird.
  • Die Effekte der Addition von Al2O3 auf die Eigenschaften der Verstärkung der Lichtleitfaser wird bestätigt für die Zusammensetzung TeO2-ZnO-Li2O-Bi2O3 (70 ≤ TeO2 ≤ 90, 0 ≤ ZnO ≤ 4, 0 ≤ Li2O ≤ 30, 0 < Bi2O3 ≤ 10, Einheit: Mol-%), die verwendet wird bei der Bildung der Faser mit Stabilität.
  • In Beispielen 1 und 2 werden 3 Mol-% Al2O3 verwendet. Allerdings besteht keine Beschränkung auf eine derartige Konzentration. Wir haben ebenfalls den Effekt des Hinzufügens von Al2O3 bei Konzentrationen von mehr als 0 Mol-% erhalten. Es ist nicht bevorzugt, mehr Al2O3 als nötig in die Faser einzufügen, weil eine überschüssige Konzentration dazu führt, die oben erwähnte Zusammensetzung zu übergehen, die die stabile Faser-Bildung ermöglicht.
  • Beispiel 3
  • In diesem Beispiel bestätigten wir einen Einfluss des Hinzufügens von Al2O3 zu TeO2-ZnO-M2O-Bi2O3 (M ist ein Alkalielement mit Ausnahme von Li und Na) auf die Eigenschaften der Verstärkung. Wie im Fall der Beispiele 1 und 2 wird eine Verstärkungs-Abweichung von 10 dB oder weniger bei Wellenlängen von 1,56 μm bis 1,60 μm erreicht durch Verwendung von K, Cs oder Rb als M in der obigen Zusammensetzung. Zusätzlich wird ein EDFA aufgebaut unter Verwendung der Verstärkungs-abgleichenden Vorrichtung. Als Folge zeigte der EDFA 1 dB oder weniger Verstärkung bei Wellenlängen von 1,53 μm bis 1,60 μm (d. h. über einer Bandbreite von 70 nm), und gewährleistete auch die einheitliche Verstärkung bei diesen Wellenlängen.
  • Beispiel 4
  • In diesem Beispiel bestätigten wir einen Einfluss des Hinzufügens von Al2O3 zu TeO2-ZnO-M2O-Bi2O3 (M sind mindestens zwei Alkalielemente, mit Ausnahme von Li und Na) auf die Eigenschaften der Verstärkung. Wie im Fall der Beispiele 2 und 3 wird eine Verstärkungs-Abweichung von 10 dB oder weniger bei Wellenlängen von 1,56 μm und 1,60 μm erreicht trotz des Enthaltens zweier Elemente in der Zusammensetzung. Zusätzlich wird ein EDFA aufgebaut unter Verwendung der Verstärkungs-abgleichenden Vorrichtung. Als Folge zeigte der EDFA 1 dB oder weniger Verstärkung bei Wellenlängen von 1,53 μm bis 1,60 μm (d. h. über einer Bandbreite von 70 nm), und gewährleistete die gleichförmige Verstärkung bei diesen Wellenlängen.
  • Beispiel 5
  • Wir haben oben beschrieben, dass ein Einfluss des Hinzufügens von Al2O3 zu TeO2-ZnO-R2O-Bi2O3 (R ist ein Alkalielement) auf die Eigenschaften der Verstärkung. In diesem Beispiel bestätigten wir auch, dass sich ein Hinzufügen von Al2O3 auswirkte auf die Verstärkungs-Abweichung eines weiteren Typs von Tellurit-Glas (nicht abhängig von der Zusammensetzung ausser TeO2 und Al2O3, wie TeO2-WO2 und TeO2-ZnO-La2O-Bi2O3-Al2O3 (R ist mindestens ein Alkalielement) Glas) für das Realisieren eines EDFA in der Art eines Breitbandes und Verstärkungs-Abflachung.
  • Beispiel 6
  • In diesem Beispiel werden 50 Glas-Proben hergestellt aus einer Glas-Zusammensetzung von TeO2-ZnO-Li2O-Al2O3-Bi2O3. Die Proben haben 2 mol Al2O3 und 12 Mol-% Li2O, mit der Ausnahme, dass jede Probe ihre eigenen Verhältnisse von anderen Bestandteilen hat. Dann wird jede der Glas-Proben in Stücke zerbrochen und in einer Achatreibschale pulverisiert. 30 mg des erhaltenen Pulvers wird in einen geschlossenen Behälter gegeben, der aus Silber gemacht ist, und dann einer DSC-Messung in einer Argon-Atmosphäre bei einer Erwärmungs-Geschwindigkeit von 10°C/min unterzogen, resultierend in einem wärmestabilen Glas mit 120°C oder mehr Tx-Tg, in einer Zone, die in 8 als A definiert ist. Das wärmestabile Glas erlaubt eine Faser mit einem niedrigeren Verlust von 0,1 dB/m oder weniger. Zusätzlich erlauben die Wirkungen des Hinzufügens von Al2O3 in die Glas-Zusammensetzung eine breitere Fläche des Querschnittes der induzierten Emission, so dass eine Verstärkungs-Bandbreite des EDFA verbreitert werden kann. Als nächstes wird ein Medium zur optischen Verstärkung hergestellt als Faser mit einer Cut-Off-Wellenlänge von 1,1 μm und einem Kern/Mantel relativen Brechungsindex-Unterschied von 1,6%. Ein Kern der Faser wird gebildet aus einer Glas-Zusammensetzung der Glas-Zusammensetzung, gewählt aus der Zone in 8, d. h. TeO2 (82 Mol-%)-ZnO (1 Mol-%)-Li2O (12 Mol-%)-Al2O3 (2 Mol-%)-Bi2O3 (3 Mol-%), dotiert mit 2000 ppm Erbium. Ebenfalls wird ein Mantel der Faser gebildet aus einer Glas-Zusammensetzung von TeO2 (75 Mol-%)-ZnO (3 Mol-%)-Li2O (18 Mol-%)-Bi2O3 (4 Mol%). Ein Faser-Verlust bei 1,2 μm beträgt 0,07 dB/m.
  • Das erhaltene Medium wird geschnitten zu einer Faser von 3 m Länge, um einen optischen Verstärker zu konstruieren. Der optische Verstärker wird unterzogen einem Verstärkungs-Test.
  • In dem Verstärkungs-Test wird eine bidirektionale Pump-Prozedur mit einer Vorwärts-Pump-Wellenlänge von 0,98 μm und einer Rückwärts-Pump-Wellenlänge von 1,48 μm verwendet. Zusätzlich wird ein Wellenlängen-abstimmbarer Laser, der 1,5 μm bis 1,7 μm Band abdeckt, verwendet als eine optische Signal-Quelle. Als Folge wird eine kleine Signal-Verstärkung von 20 dB oder mehr erhalten bei einer Bandbreite von 80 nm, die von 1530 bis 1610 μm reicht. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Rauschfaktor (NF) 5 dB oder weniger.
  • Beispiel 7
  • Ein Wellenlängen-abstimmbarer Ring-Laser wird konstruiert unter Verwendung der gleichen Faser (4 m Länge) wie in Beispiel 6, und auch ein Wellen-abstimmbarer Filter für Wellenlängen von 1,5 μm bis 1,7 μm wird verwendet als ein Filter. Zusätzlich wird eine bidirektionale Pump-Prozedur, bei welcher die Vorwärts- und die Rückwärts-Wellenlängen identisch sind, verwendet. Bei einer einfallenden Pump-Stärke von 300 mW zeigte der Laser seine Breitband-Laser-Eigenschaften von 5 mW oder mehr bei einer Bandbreite von 135 nm, die von 1500 bis 1635 nm reicht, was nicht erreicht werden konnte mit der Silika-basierenden und Fluorid-basierenden Lichtleitfaser.

Claims (14)

  1. Tellurit-Glas als Glasmaterial für eine optische Faser oder einen optischen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial hat eine Zusammensetzung: TeO2-ZnO-M2O-Bi2O3-Al2O3, wobei M mindestens ein Alkalielement ist.
  2. Tellurit-Glas nach Anspruch 1, wobei M ist Li, und wobei der Bi2O3-, Li2O-, ZnO-, TeO2- und Al2O3-Gehalt gegeben ist durch: 0 < Bi2O3 ≤ 10 (Mol-%); 0 < Li2O ≤ 30 (Mol-%); 0 < ZnO ≤ 4 (Mol-%); und 70 < TeO2 ≤ 90 (Mol-%); und 0 < Al2O3 ≤ 3 (Mol-%).
  3. Tellurit-Glas nach Anspruch 1, wobei M ist Na und wobei die Bi2O3-, Na2O-, ZnO-, TeO2- und Al2O3-Gehalte gegeben sind durch: 0 < Bi2O3 ≤ 15 (Mol-%); 0 < Na2O ≤ 30 (Mol-%); 0 < ZnO ≤ 35 (Mol-%); 60 ≤ TeO2 ≤ 90 (Mol-%); und 0 < Al2O3 ≤ 4 (Mol-%).
  4. Tellurit-Glas nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bi2O3-Gehalt gegeben ist durch: 4 < Bi2O3 < 7 (Mol-%).
  5. Medium zur optischen Verstärkung mit einem optischen Verstärker oder einem optischen Wellenleiter mit einem Kernglas und einem Mantelglas, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines des Kernglases und des Mantelglases aus dem Tellurit-Glas nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt ist.
  6. Medium zur optischen Verstärkung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines des Kernglases und des Mantelglases Erbium oder Erbium und Ytterbium enthält.
  7. Medium zur optischen Verstärkung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines des Kernglases und des Mantelglases mindestens eines, gewählt aus einer Gruppe bestehend aus Bor (B), Phosphor (P) und Hydroxylgruppe enthält.
  8. Medium zur optischen Verstärkung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines des Kernglases und des Mantelglases ein Element, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Ce, Pr, Nd, Sm, Tb, Gd, Eu, Dy, Ho, Tm und Yb, enthält.
  9. Medium zur optischen Verstärkung mit einem optischen Verstärker oder einem optischen Wellenleiter mit einem Kern und einem Mantel, welche hergestellt sind aus Glasmaterial, und wobei mindestens der Kern Erbium enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial aus einer Tellurit-Zusammensetzung besteht von: TeO2-ZnO-M2O-Bi2O3-Al2O3 wobei M mindestens ein Alkalielement ist.
  10. Medium zur optischen Verstärkung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Cut-Off-Wellenlänge im Bereich von 0,4 μm bis 2,5 μm ist.
  11. Laser-Vorrichtung mit einem optischen Hohlraum und einer Erregerlichtquelle, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Medien zur optischen Verstärkung im optischen Hohlraum das Medium zur optischen Verstärkung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 ist.
  12. Laser-Vorrichtung mit einem Medium zur Verstärkung und einer Erregerlichtquelle, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium zur Verstärkung das Medium zur optischen Verstärkung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 ist.
  13. Optischer Verstärker mit einem Medium zur optischen Verstärkung, einer Eingabevorrichtung, die ein Erregerlicht und ein Signallicht zum Pumpen des Mediums zur optischen Verstärkung eingibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium zur optischen Verstärkung das Medium zur optischen Verstärkung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 ist.
  14. Optischer Verstärker mit einer Vielzahl von Medien zur optischen Verstärkung mit optischen Fasern, die Erbium in ihren Kernen enthalten und reihenweise angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Medien zur optischen Verstärkung das Medium zur optischen Verstärkung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 ist.
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