專利名稱：用于光放大器的光纖的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在光放大器中使用的光纖，更具體地說，涉及一種可在1.3微米和1.55微米波長下使用的光放大器中使用的光纖。
背景技術：
在光通信中使用的光的波長已經(jīng)從1.3微米波長轉移到1.55微米波長。通常，用于摻入光纖的鐠離子(Pr+3)用于放大波長為1.3微米的光信號，而用于摻入光纖的鉺離子(Er+3)用于放大波長為1.55微米的光信號。
5486947號美國專利公開了一種在光放大器中使用的光纖，其能夠在1.3微米波長下以足夠的光增益工作。該光纖是含有稀土金屬離子的硫化玻璃光纖，其中在纖芯和包層之間的折射系數(shù)約為1.4％，以及該玻璃包含二氟化鉛(PbF2)，以形成該玻璃的總成分為基準，其所占比例為25％摩爾或其以下。
現(xiàn)在，在很多光通信的相關領域采用1.3微米和1.55微米兩種波長。因此，需要適合于每種波長的不同部件來構成光回路，使得除了用于切換波長的切換用耗費之外，還要增加開發(fā)費用。
本發(fā)明的公開本發(fā)明的目的是提供一種在光放大器中使用的光纖，其可在1.3微米和1.55微米兩個頻帶使用。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種在光放大器中使用的光纖，該光纖由摻有稀土離子的玻璃構成，其中將鐠離子(Pr+3)和鉺離子(Er+3)兩者用作稀土離子，以及該玻璃是一種氟化玻璃或硫化玻璃。
最好，Pr+3的含量為百萬分之100-1000，Er+3的含量為百萬分之100-5000。如果Pr+3和Er+3的含量超出上述范圍，光放大器的效率會不適當降低。此外，Pr+3對Er+3的混合重量比可以在1∶1到1∶3之間。如果Pr+3對Er+3的混合重量比超出上述范圍，在1.55微米波長下的熒光發(fā)光量會降低。相反，如pr+3對Er+3的比小于上述范圍，則在1.3微米波長下的放大系數(shù)會不適當降低。
附圖的簡要說明

圖1表示當波長為980納米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62構成且摻有Pr+3和Er+3的光纖上時，按照光纖中Er+3的含量在1.3微米和1.55微米波長下的熒光發(fā)光頻譜，其中通過在摻有Pr+3的光纖中從1G4能級到3H5能級的電子躍遷，引起在1.3微米波長下的熒光發(fā)光；以及在摻有Er+3的光纖中從4I13/2能級到4I15/2能級的電子躍遷，引起在1.55微米波長下的熒光發(fā)光。
圖2是一曲線圖，表示當波長為980納米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62構成且摻有Pr+3和Er+3的光纖上時，按照光纖中該Er+3的含量，在1G4能級時的Pr+3的熒光壽命以及在4I13/2能級和4I11/2能級時的Er+3的熒光壽命。
圖3是一示意圖，表示在Pr+3和Er+3離子之間的能量轉移。
圖4表示當波長為1020納米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62構成且摻有Er+3的光纖上時，由Pr+3的從1G4能級到3H5能級的電子躍遷引起的在1.3微米波長下的熒光發(fā)光頻譜。
圖5表示當波長為980納米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62構成且摻有Pr+3的光纖上時，由于Er+3的從4I13/2能級到4I15/2能級的電子躍遷引起的在1.55微米波長下的熒光發(fā)光頻譜。
圖6表示當波長為980納米的激光束照射到一由Ge29As8Ga1S62構成且摻有Pr+3和Er+3的光纖上時，按照光纖中該Pr+3的含量在1.3微米和1.55微米波長下的熒光發(fā)光頻譜，由于Pr+3的從1G4能級到3H5能級的電子躍遷引起在1.3微米波長下的熒光發(fā)光；以及由于Er+3的從4I13/2能級到4I15/2能級的電子躍遷引起在1.55微米波長下的熒光發(fā)光。
實施本發(fā)明的最佳方式本發(fā)明的目的是提供一種在光放大器中使用的光纖，其可在1.3微米和1.55微米兩個波長使用，通過利用波長為980納米的激光束作為光源激勵含有Pr+3和Er+3構成的光纖。在本發(fā)明中，術語“光纖”指直徑范圍很寬的類型的光纖，不僅僅是細的光纖。例如，光纖可為直徑5-100毫米。在本發(fā)明中，該光纖包含Pr+3和Er+3，其中波長為980納米的激光束中Er+3最大吸收峰值處在4I11/2能級。在這種情況下，同時將兩種離子激勵，使得Pr+3在1.3微米波長下發(fā)出熒光和Er+3在1.55微米波長下發(fā)出熒光。特別是如在圖3中所示，由于從Er+3能量轉移，在1G4下Pr+3的熒光壽命延長，使得與僅包含pr+3的常規(guī)光纖相比較，光放大效率可以提高。
最好，在本發(fā)明中，使用氟化玻璃或硫化玻璃，以便將Pr+3從1G4能級到3F4能級的晶格振動馳張(lattice vibration relaxtion)降到最小。氟化玻璃可以是包含鋯(Zr)、鋇(Ba)、鑭(La)、鋁(Al)和鈉(Na)的氟化物的ZBLAN玻璃，該硫化玻璃可以是鍺-砷-鎵-硫(Ge-As-Ga-S)玻璃或Ge-As-S玻璃。其中與使用氟化玻璃相比較，使用硫化玻璃可以進一步降低Pr+3從1G4能級到3F4能級的晶格振動馳張。然而，使用氟化玻璃而不是硫化玻璃，通常使光纖的制造更容易。
為了將在1.3微米和1.55微米波長下的光放大效率最大限度地提高，Pr+3對Er+3的混合重量比在1∶1到1∶3之間。
下面將利用如下實例介紹本發(fā)明。然而這些實例僅是說明性的，本發(fā)明并不局限于這些實例。
比較實例1將純度為99.999％或其以上的Ge、As、Ga和S在一干燥箱中按照29∶8∶1∶62稱重，其中氫氧(OH)基的含量維持在百萬分之10(10ppm)或其以下，并添加Pr金屬粉末數(shù)量為百萬分之300，以便提供Pr+3。
在將上述成分放入一SiO2試管之后，將該試管置于0.1毫乇的真空條件下持續(xù)預定的時間。然后，通過利用含氧-丙烷火焰密封，使該試管形成氣密封。
接著此項操作，將該試管置入一搖擺式加熱爐，以使試管中包含的各成分完全混合，并將反應產(chǎn)物在950℃下保持12小時。然后，將該試管在空氣中冷卻，并且在一設置在400℃的加熱爐中加熱持續(xù)1小時。在加熱過程之后，將該試管緩慢冷卻至室溫并將其破碎成碎塊，最終形成摻有Pr+3且由Ge29As8Ga1S62硫化玻璃構成的光纖，其中晶格振動馳張量是微小的。將光纖切成圓盤形(直徑為10毫米，厚度為3毫米)并拋光。
然后，利用波長為1070納米的激光束作為光激勵源測量該產(chǎn)物的熒光頻譜和熒光壽命。在這一波長下，處于1G4能級的Pr+3呈現(xiàn)最大光吸收率。
結果是，可以觀察到由從1G4能級到3H5能級的Pr+3的電子躍遷引起在1.3微米波長下的熒光發(fā)光；其熒光壽命為305微秒(見圖2)。
比較實例2除了用Er+3替代Pr+3以及將Er2S3用作Er+3源以外，按照與比較實例1相同的方式制造光纖。然后，將光纖切成圓盤形(直徑為10毫米，厚度為3毫米)并拋光。然后，利用波長為980納米的激光束作為光激勵源測量該產(chǎn)物的熒光頻譜和熒光壽命。在這一波長下，處于4I11/2能級的Er+3呈現(xiàn)最大光吸收率。
結果是，可以觀察到由從4I13/2能級到4I15/2能級的Er+3的電子躍遷引起在1.55微米波長下的熒光發(fā)光(見圖5)；4I11/2能級和4I13/2能級時的熒光壽命分別為2100微秒和3400微秒(見圖2)。
實例1除了進一步添加含量為百萬分之300的Er+3及含量為百萬分之300的Pr+3以外，按照與比較實例1相同的方式制造光纖。然后，將光纖切成圓盤形(直徑為10毫米，厚度為3毫米)并拋光。然后，利用波長為980納米的激光束作為光激勵源測量該產(chǎn)物的熒光頻譜和熒光壽命。在這一波長下，處于4I11/2能級的Er+3呈現(xiàn)最大光吸收率。
結果是，可以同時觀察到分別在1.3微米和1.55微米波長下由從1G4能級到3H5能級的電子躍遷引起的pr+3熒光發(fā)光(見圖5)；和從4I13/2到4I15/2能級的電子躍遷引起的Er+3熒光發(fā)光(見圖1(a))。與比較實例1-2相比較，在每種波長下的熒光光強增加。此外，分別在1G4能級時的Pr+3熒光壽命為605微秒，在4I11/2能級和4I13/2能級時的Er+3熒光壽命分別為824微秒和3120微秒(見圖2)。
根據(jù)實例1，如圖3中所示，在1.3微米和1.55微米波長下的同時熒光發(fā)光是由于用“b”表示的有效能量轉移。因此，在實例1中得到的光纖可以在1.3微米和1.55微米波長下使用。
此外，與比較實例1相比較，在1G4能級時的Pr+3熒光壽命明顯延長到605微秒，以及通過添加Pr+3和Er+3進一步提高在1.3微米波長下的光放大效率。然而，在4I11/2能級時的Er+3熒光壽命為3120微秒，低于比較實例2，因此降低光放大效率。這是由于用“e”表示的能量轉移。
實例2除了進一步添加含量為百萬分之500的Er+3及含量為百萬分之300的Pr+3以外，按照與比較實例1相同的方式制造光纖。然后，將光纖切成圓盤形(直徑為10毫米，厚度為3毫米)并拋光。然后，利用波長為980納米的激光束作為光激勵源測量該產(chǎn)物的熒光頻譜和熒光壽命。在這一波長下，處于4I11/2能級的Er+3呈現(xiàn)最大光吸收率。
結果是，可以同時觀察到分別在1.3微米和1.55微米波長下由從1G4能級到3H5能級的電子躍遷引起的Pr+3熒光發(fā)光；和從4I13/2到4I15/2能級的電子躍遷引起的Er+3熒光發(fā)光(見圖1(b))。與比較實例1-2相比較，在每種波長下的熒光光強增加。此外，分別在1G4能級時的Pr+3熒光壽命為760微秒，在4I11/2能級和4I13/2能級時的Er+3熒光壽命分別為1740微秒和2910微秒(見圖2)。
根據(jù)實例2，如圖3中所示，在1.3微米和1.55微米波長下的同時熒光發(fā)光是由于用“b”表示的有效能量轉移。此外，與比較實例1及實例1相比較，在1G4能級時的Pr+3熒光壽命明顯延長到760微秒，與比較實例2及實例1相比較，在4I13/2能級時的Er+3熒光壽命降低到2910微秒。
根據(jù)以上結果，可以理解，當Er+3的含量增加時，更有效地發(fā)生用“b”和“e”表示的能量轉移。然而，與比較實例1相比較，在4I11/2能級時的Er+3熒光壽命增加到1740微秒。因此，可以得出結論，不包含在用“b”表示的能量轉移的Er+3增加，用“b”表示的方向上的能量轉移度降低。
實例3除了進一步添加含量為百萬分之700的Er+3及含量為百萬分之300的Pr+3以外，按照與比較實例1相同的方式制造光纖。然后，將光纖切成圓盤形(直徑為10毫米，厚度為3毫米)并拋光。然后，利用波長為980納米的激光束作為光激勵源測量該產(chǎn)物的熒光頻譜和熒光壽命。在這一波長下，處于4I11/2能級的Er+3呈現(xiàn)最大光吸收率。
結果是，可以同時觀察到分別在1.3微米和1.55微米波長下由從1G4能級到3H5能級的電子躍遷引起的Pr+3熒光發(fā)光；和從4I13/2到4I15/2能級的電子躍遷引起的Er+3熒光發(fā)光(見圖1(c))。與實例1-2相比較，在每種波長下的熒光光強增加。此外，分別在1G4能級時的Pr+3熒光壽命為769微秒，在4I11/2能級和4I13/2能級時的Er+3熒光壽命分別為1760微秒和2920微秒(見圖2)。
根據(jù)實例3，當Er+3的含量增加時，在1G4能級時的Pr+3熒光壽命稍微增加。如圖3中所示，這是由于用“b”表示的能量轉移增加。然而，由于Er+3有益于在4I11/2和4I13/2能級時的Er+3熒光壽命，與用“b”和“e”表示的能量轉移相關聯(lián)的Er+3的比率降低，因此導致在1G4能級時的Pr+3熒光壽命稍微增加。即，隨在4I13/2能級時的Er+3熒光壽命的增加，表明在1.55微米波長下的光放大效率趨向于增加。
實例4除了進一步添加含量為百萬分之1000的Er+3及含量為百萬分之300的Pr+3以外，按照與比較實例1相同的方式制造光纖。然后，將光纖切成圓盤形(直徑為10毫米，厚度為3毫米)并拋光。然后，利用波長為980納米的激光束作為光激勵源測量該產(chǎn)物的熒光頻譜和熒光壽命。在這一波長下，處于4I11/2能級的Er+3呈現(xiàn)最大光吸收率。
結果是，可以同時觀察到分別在1.3微米和1.55微米波長下由從1G4能級到3H5能級的電子躍遷引起的Pr+3熒光發(fā)光；和從4I13/2到4I15/2能級的電子躍遷引起的Er+3熒光發(fā)光(見圖1(d))。與實例1-3相比較，熒光光強增加。此外，在1G4能級時的Pr+3熒光壽命為881微秒，在4I11/2能級和4I13/2能級時的Er+3熒光壽命分別為2030微秒和3340微秒(見圖2)。
根據(jù)實例4，如圖3中所示，在1.3微米波長下在1G4能級時由Pr+3和在1.55微米波長下在4I13/2能級時由Er+3的同時熒光發(fā)光是由于用“b”表示的有效能量轉移。此外，表明在4I11/2和4I13/2能級時Er+3的熒光壽命有最大值。即，可以理解，在這一實施例中按Pr+3對Er+3的混合重量比在1.3微米和1.55微米波長下呈現(xiàn)最大光放大效率。
實例5除了進一步添加含量為百萬分之1500的Er+3及含量為百萬分之300的Pr+3以外，按照與比較實例1相同的方式制造光纖。然后，將光纖切成圓盤形(直徑為10毫米，厚度為3毫米)并拋光。然后，利用波長為980納米的激光束作為光激勵源測量該產(chǎn)物的熒光頻譜和熒光壽命。在這一波長下，處于4I11/2能級的Er+3呈現(xiàn)最大光吸收率。
結果是，可以同時觀察到分別在1.3微米和1.55微米波長下由從1G4能級到3H5能級的電子躍遷引起的Pr+3熒光發(fā)光；和從4I13/2到4I15/2能級的電子躍遷引起的Er+3熒光發(fā)光(見圖1(e))。在每種波長下熒光光強出現(xiàn)飽和即在最大值下。此外，分別在1G4能級時的Pr+3熒光壽命為794微秒，在4I11/2能級和4I13/2能級時的Er+3熒光壽命分別為1870微秒和3240微秒(見圖2)。
根據(jù)實例5，如圖3中所示，在1.3微米波長下在1G4能級時由Pr+3和在1.55微米波長下在4I13/2能級時由Er+3同時熒光發(fā)光是由于用“b”表示的有效能量轉移。與實例4相比較，在4I11/2能級和4I13/2能級時的Er+3熒光壽命稍微降低，這是因為用“b”和“e”表示的能量轉移出現(xiàn)飽和。
實例6將純度為99.999％或其以上的Ge、Ga和S在一干燥箱中按照25∶5∶70稱重，其中氫氧(OH)基和氧的含量維持在百萬分之10或其以下，并添加百萬分之300的Pr+3以及百萬分之300的Er+3。
在將上述成分放入一SiO2試管之后，將該試管置于0.1毫乇的真空條件下持續(xù)預定的時間。然后，通過利用含氧-丙烷火焰密封，使該試管形成氣密封。
接著此項操作，將該試管置入一搖擺式加熱爐，以使試管中包含的各成分完全混合，并將反應產(chǎn)物在950℃下保持12小時。然后，將該試管在空氣中冷卻，并且在一設置在260℃的加熱爐中加熱持續(xù)1小時。在加熱過程之后，將該試管緩慢冷卻至室溫并將其破碎成碎塊，最終形成摻有Pr+3和Er+3且由Ge25Ga5S70硫化玻璃構成的光纖，其中晶格振動馳張量是微小的。
將光纖切成圓盤形(直徑為10毫米，厚度為3毫米)并拋光。然后，利用波長為980納米的激光束作為光激勵源測量該產(chǎn)物的熒光頻譜和熒光壽命。在這一波長下，處于4I11/2能級的Er+3呈現(xiàn)最大光吸收率。
結果是，可以同時觀察到分別在1.3微米和1.55微米波長下由從1G4能級到3H5能級的電子躍遷引起的Pr+3熒光發(fā)光；和從4I13/2到4I15/2能級的電子躍遷引起的Er+3熒光發(fā)光(見圖6(a))。
根據(jù)實例6，可以理解，可以使用摻有Pr+3和Er+3的Ge-Ga-S玻璃以及摻有Pr+3和Er+3的Ge-As-Ga-S玻璃用作在1.3微米和在1.55微米波長下工作的光放大器的材料。
實例7除了將Pr+3含量增加到百萬分之500以外，按照與實例6相同的方式制造光纖。然后，將光纖切成圓盤形(直徑為10毫米，厚度為3毫米)并拋光。然后，利用波長為980納米的激光束作為光激勵源測量該產(chǎn)物的熒光頻譜和熒光壽命。在這一波長下，處于4I11/2能級的Er+3呈現(xiàn)最大光吸收率。
結果是，可以同時觀察到分別在1.3微米和1.55微米波長下由從1G4能級到3H5能級的電子躍遷引起的Pr+3熒光發(fā)光；和從4I13/2到4I15/2能級的電子躍遷引起的Er+3熒光發(fā)光(見圖6(b))。此外，隨著Pr+3含量增加，在圖3中用“b”和“e”表示的方向上的能量轉移增加。因此，在1.3微米波長下在1G4能級時的Pr+3熒光發(fā)光增加，而在1.55微米波長下在1G4能級時的Er+3熒光發(fā)光降低。然而，在1.3微米波長下熒光光強增加的速率慢于在1.55微米波長下熒光光強增加的速率，并因此，能夠推斷用“e”表示的能量轉移比用“b”表示的能量轉移更快。
概括上述結果，可以理解，Pr+3的增加是不希望的。
工業(yè)應用如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的光放大器中使用的光纖可以應用于1.3微米和1.55微米波長，與常規(guī)的使用僅包含Pr+3的光纖的光放大器的光放大相比較效率有所提高。
權利要求
1．一種用于光放大器的光纖，該光纖由摻有稀土離子的玻璃構成，其中將鐠離子(Pr+3)和鉺離子(Er+3)兩者用作稀土離子，以及該玻璃是一種氟化玻璃或硫化玻璃。
2．根據(jù)權利要求1所述的光纖，其中該硫化玻璃是鍺-砷-鎵-硫(Ge-As-Ga-S)玻璃或Ge-As-S玻璃。
3．根據(jù)權利要求1所述的光纖，其中該氟化玻璃是一種包含鋯(Zr)、鋇(Ba)、鑭(La)、鋁(A1)和鈉(Na)的ZBLAN玻璃。
4．根據(jù)權利要求1所述的光纖，其中Pr+3對Er+3的混合重量比在1∶1到1∶3之間。
5．根據(jù)權利要求1所述的光纖，其中將具有能夠吸收Er+3的波長的激光用作激勵光纖的光源。
6．根據(jù)權利要求1所述的光纖，其中Pr+3的含量為百萬分之100-1000,Er+3的含量為百萬分之100-5000。
全文摘要
一種用于光放大器的光纖,該光纖由摻有稀土離子的玻璃構成。將鐠離子(Pr
文檔編號H01S3/06GK1323282SQ99812045
公開日2001年11月21日 申請日期1999年10月11日 優(yōu)先權日1998年10月13日
發(fā)明者許鐘, 李東振, 樸世鎬, 鄭善太, 金賢洙 申請人:三星電子株式會社