专利名称：具有光放大特性的Ge－Ga－S－基玻璃组合物及其用于光通信的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于光操作的玻璃组合物，特别涉及一种包含进行光放大和发光操作的活性物质的Ge-Ga-S-基玻璃组合物以及一种使用该Ge-Ga-S-基玻璃组合物进行光通信的装置。
对于象用于光纤通信的单波长激光振荡器这样的用作光源的光学器件材料，现在已经开发出超级发光源以及光放大器。但是，现在还没有成功地开发出适于放大石英玻璃的杨氏色散波段的1.31μm波长信号的光纤。
在对用于放大1.3μm波长信号的光纤的生产中，以两种稀土元素作为活性物质。即，在光纤中采用在玻璃基质中掺杂钕(Nd)和镨(Pr)的玻璃组合物作为材料。该稀土元素是以离子形式(如Nd3+或Pr3+)在玻璃基质(如石英玻璃)中掺杂的。在下文中，未掺杂活性物质的玻璃称为玻璃基质。而且，玻璃组合物表示掺杂活性物质的玻璃基质。
但是，当Pr3+离子受激并发光时，在玻璃组合物中的Pr3+的能量可以被玻璃基质(例如石英玻璃基质)的晶格振动所弛豫。由于当弛豫现象产生的机率变大时，光放大的效率降低。所以要求采用具有较低晶格振动能量的材料以降低弛豫的机率。
可以用由富含硫的由锗、镓、硫组成的三组分系统玻璃作为具有较低晶格振动能量的玻璃基质。上述玻璃基质被公开于美国专利第5,379,149号。但是，该玻璃基质光学增益分布的中值位于1330nm波长处。因此，在要用于作为光纤通信的波段的1310nm波段处的光学增益较低。相应地，光放大的效率极明显地降低。
光学增益分布的中心波长由作为Pr3+离子的受激态的1G4态与作为亚稳态的3H5态之间的能量差所决定。该能量差在硫化玻璃基质中比在硅化玻璃基质中小。因此，在硫化玻璃基质中，光学增益分布的中心波长接近于用于光纤通信波段的波长1310nm。
本发明目的是提供一种Ge-Ga-S-基玻璃组合物，通过采用这种Ge-Ga-S-基玻璃组合物可以把所放大光的中心波长移到1310nm波长带宽处，从而可以增加光放大的效率。
本发明的另一个目的是提供一种用于光纤通信的装置，通过该装置可以采用上述玻璃组合物增加光放大的效率。
相应地，为了实现第一个目的，在此提供一种玻璃组合物，其中包括一玻璃基质、一种添加到该玻璃基质中用于进行发光和光放大操作的活性物质以及一种添加到该玻璃基质中并改变光放大增益分布的过渡金属离子。
该玻璃基质为Ge-Ga-S-基玻璃。该活性物质为镧系稀土离子。该镧系稀土离子为Pr3+离子。最好该过渡金属离子不具有能够吸收1310nm波段的能级。并且如果该跃迁金属不具有能够吸收1017nm波段的能级则更好。该过渡金属离子为Pd4+离子、Ag+离子或Cu+离子。包含于金属基质中的过渡金属离子的浓度为从0.01mol％到0.2mol％。
为了实现第二个目的，在此提供一种用于光通信的装置，其中包括用于产生光信号和光泵激并它们提供到光纤中的装置，以及用于防止从光纤中放射出来的光被反射回光纤中的装置。其中该光纤包括一玻璃基质、一种添加到该玻璃基质中用于进行发光和光放大操作的活性物质以及一种添加到该玻璃基质中并改变光放大增益分布的过渡金属离子。
该玻璃基质为为Ge-Ga-S-基玻璃。该活性物质为镧系稀土离子。该镧系稀土离子为Pr3+离子。最好该过渡金属离子不具有能够吸收1310nm波段的能级。并且如果该跃迁金属不具有能够吸收1017nm波段的能级更好。该过渡金属离子为Pd4+离子、Ag+离子或Cu+离子。包含于金属基质中的过渡金属离子的浓度为从0.01mol％到0.2mol％。
用于产生光信号和光泵激并它们提供到光纤中的装置包括用于产生光信号和光泵激的子装置，以及用于把耦合光信号和光泵激的耦合器。该用于防止光被反射回光纤中的装置包括一个法拉弟隔离器。
根据本发明，有可能增加在1310nm波段的光增益截面积，并能提高在1310nn波段处光放大效率。
下面结合附图对最佳实施例进行具体说明可使本发明的上述目的和优点将变得更加清楚。
图1为Pr3+离子的能级示意图；图2为具有不同的过渡金属离子的玻璃组合物的对应于各波长的受激发射的截面积的坐标图；图3为具有不同的过渡金属离子的玻璃组合物的对应于各波长的受激态吸收的截面积的坐标图；图4为具有不同的过渡金属离子的玻璃组合物的对应于各波长的光增益的截面积的坐标图；图5为采用根据本发明的玻璃组合物作为光纤的光放大器。
在下文中，参照附图具体说明本发明实施例。但是，本发明不限这些实施例，对于本领域内的专业技术人员来说还可以在本发明的精神和范围之内作出各种改动但都属于本发明的保护范围。相同的附图标记表示相同的元素。
根据本发明的具有发光和光放大特性的玻璃组合物包括一玻璃基质、一种添加到该玻璃基质中用于进行发光和光放大操作的活性物质，以及一种添加到该玻璃基质中并且其浓度为从0.01mol％到0.2mol％的过渡金属离子。该玻璃基质为Ge-Ga-S-基玻璃。该活性物质为稀土离子，最好为镧系稀土离子(即，在元素周期表中从Ce3+离子到Yb3+离子)。最好采用具有较大半径的Pr3+离子，其跃迁金属的附加效果更加明显。可以用Pd4+离子和Ag+离子作为过渡金属离子。最好采用Cu+离子作为过渡金属离子。
如图1所示，当波长约为1310nm的光信号或波长约为1017nm的光泵激被射入包含Pr3+离子的Ge-Ga-S-基玻璃组合物中时，Pr3+离子中的电子被从3H4态激发到1G4态。波长约1310nm的光由从激发态1G4到低能态3H5之间的电子跃迁产生。
但是，由于掺杂有Pr3+离子的玻璃基质(即，Ge-Ga-S-基玻璃基质)的晶格振动和对从受激1G4态到更高的1D2态的受激态的吸收会产生晶格振动弛豫现象。为了采用包含Pr3+离子的Ge-Ga-S-基玻璃组合物，要求具有更高的光放大效率。
在本实施例中提供下述用于增加光放大效率的方法。即，通过在1G4态和3H5态之间的跃迁产生的波长的光增益分布的中值被移到1310nm波长处。通过添加过渡金属离子而使得光增益分布的中值移到1310nm波长处。
具体来说，Pr3+离子的电子轨道4f2的波函数集中于Pr3+离子的中央。并且，参与把Pr3+离子与配合基相结合的波函数主要分布在Pr3+离子的外层。因此，中央4f2轨道电子和成对电子被Pr3+离子的另一个闭合轨道的离子所屏蔽。因此，即使掺杂有Pr3+离子的玻璃基质的化学结合特性改变，它几乎不影响该Pr3+离子的波函数和4f2轨道电子的能态。即，如果在玻璃中添加碱或碱土金属离子(如Na+离子或Ca+离子)以作为玻璃的网状调节剂，它几乎不影响Pr3+离子的4f2轨道电子的能态。
但是，在本实施例中在玻璃基质内添加具有3dn或4dn的过渡金属离子。这时，3dn或4dn轨道电子的波函数大多延伸到该跃金属的外层。因此，该过渡金属离子能够明显的影响该Pr3+离子的4f2轨道电子。例如，由于过渡金属离子与Pr3+离子之间的相互作用，Pr3+离子的4f2轨道电子之间的斥力增加。并且，Pr3+离子与配合基之间的部分共价键减少。因此，Pr3+离子的受激态1G4与亚稳态3H5之间的能级差增加。
添加到掺杂有稀土离子的玻璃基质(例如Ge-Ga-S-基玻璃基质)中的过渡金属离子的量不大于其固体溶度。当所添加的过渡金属离子的量不小于包含于该基质中的过渡金属离子的固体溶度时所包含的过渡金属离子可能沉淀细晶体。所沉淀的细晶体使光信号分散，从而增加光损耗。因此，所添加的过渡金属离子的量被控制为小于该玻璃基质的固溶极限。
另外，最好不用具有能够吸收用于光通信的光放大装置的1310nm波长的波段的能态的过渡金属离子，因为它与本实施例的目的无关。另外，最好也采用能够吸收光泵激(即，波长为1017nm波段)的过渡金属离子。
Cu+离子、钯离子(Pd4+)、以及Ag+离子可以用作本发明的过渡金属离子，它们符合上述条件。最好，添加Cu+离子。此时，可以把达到固溶极限的Cu+离子添加到掺杂有稀土离子(例如Pr3+离子)的Ge-Ga-S-基玻璃基质中。例如，把Cu+离子添加到玻璃基质中使其浓度约为0.2mol％。所添加的过渡金属离子(例如Cu+离子)增加受激态1G4和亚稳态3H5之间的能级差。相应地，由跃迁放大的光的光增益分布被改变。即，光增益分布的中值被移到1310nm波段。相应地，有可能增加在1310nm波段处的光放大效率。
在下文中，参照下述实验示例具体说明本发明的玻璃基质的上述光放大效率。
具体来说，通过如下方法对本发明的玻璃组合物的光学特性进行检测和分析。另外，本发明的玻璃组合物是按如下方法形成的，并检测其光学特性。但是，下述方法并不是形成本发明的玻璃组合物的唯一方法，也可以用普通的玻璃制造技术进行制造。
在本实验示例里中采用掺杂有活性物质的Ge-Ga-S-基玻璃基质。例如，采用具有优良的透明特性和化学稳定性的玻璃基质Ge25Ga5S70作为Ge-Ga-S-基玻璃基质。尽管可以用任何稀土离子作为活性物质，但是，在要移动波段的代表性离子中采用Pr3+离子作为活性物质。此时，Pr3+离子可以添加到浓度约为20mol％。但是，对于光纤通信装置来说添加浓度约为0.1mol％的Pr3+离子比较合适。
可也有将过渡金属离子与稀土离子一同添加到玻璃基质中，例如，可以把Cu+离子添加到玻璃基质的固溶极限。但是，所添加的Cu+离子约为0.2mol％。此时，把分别添加0.05mol％、0.10mol％以及0.15mol％的Cu+离子的三种玻璃组合物的样品的光学特性与只添加0.1mol％的Pr3+离子的玻璃组合物的光学特性进行比较。
在图2、3和4中，带有■标志的曲线表示把0.1mol％的Pr3+离子添加到Ge25Ga5S70玻璃基质中的情况。带有●标志的曲线表示把0.1mol％的Pr3+离子和0.05mol％Cu+离子添加玻璃基质中的情况。带有▲标志的曲线表示把0.1mol％的Pr3+离子和0.1mol％Cu+离子添加玻璃基质中的情况。带有标志的曲线表示把0.1mol％的Pr3+离子和0.15mol％Cu+离子添加玻璃基质中的情况。
图2表示按照各玻璃基质组合物的波长测量受激发射的截面积的检测结果。请求意从图2的结果中可看出，受激发射的截面积分布的中心波长随着Cu+量的增加而减小。因此，随着受激发射载面区域中心波长的减小，有可能在1310nm波段增加受激发射的截面积。
图3表示按照各玻璃基质组合物的波长测量受激态吸收的截面积的检测结果。从图3可知，尽管Cu+添加量增加，受激态吸收的截面积的分布的中心波长几乎没有移动。因此，可以得到如下结论，由于添加过渡金属离子(即，Cu+离子)受激态吸收没有产生。即，这意味着，过渡金属离子没有增加非辐射性跃迁。
图4表示按照各玻璃基质组合物的波长计算光增益截面积的计算结果。从图2和图3的结果可以获得光增益截面积的波长分布。即，该光增益截面积可以通过计算如图2所示的受激发射截面积与受激态吸收截面积之间的差而求得。从图4的结果可知，随着Cu+的量增加，对应于光增益截面积的最大值的波长从1330nm波段移到1325nm波段。特别地，在被用作光通信波段的1310波段处的光增益截面积如表1中所示。表1对应于Cu+离子添加量的1310nm波段处的光增益截面积。
如图4和表1所示，在被用作光通信波段的1310波段处的各光增益截面积随着Cu+离子添加量的增加而增加。特别地，当添加0.15mol％的Cu+离子时，与不添加Cu+离子的情况相比在1310nm波段处的光增益截面积约增加25％。
从上述结果可知，在由Ge-Ga-S-基玻璃基质、过渡金属离子(例如，Cu+离子)和活性物质(如稀土离子)组成的玻璃组合物中，对应于光增益分布的中值的波段可被移到1325nm波段附近，而不会有入射光信号的光传输损耗。因此，有可能增加在1310nm波段处的光增益截面积并能有效提高在1310nm波段处的光放大效率。
图5为采用根据本发明的玻璃组合物的光放大装置示意图。
在下文中，具体说明用于光放大的光放大器作为运用本发明的玻璃组合物制成光学装置的一个实施例。但是，本发明不限于此。因此，根据本发明的玻璃组合物可以运用于如激光振荡器和发光装置这样的光源。
具体来说，在根据本发明的光放大器中，装置500、510、和520用于产生光泵激和光信号并向光纤530中提供这些光，光纤530由根据本发明的玻璃组合物构成，装置540用于防止从光纤530中发出的光被反射回光纤530中。
此时，从信号源500提供的光信号和从激光源510提供的光泵激(例如，具有波长约为1017nm波段的光泵激)被合并耦合于色散耦合器520中。所合并及耦合的光被提供到光纤530中。此时，一些在色散耦合器520中合并及耦合的光被分配给监测光的监测器535，这样可以检测光通量。约90％的剩余光被射入光纤530中。并且，法拉弟隔离器被用作防止从光纤530射出的光被反射回光纤530中的装置540。传输到光纤530和法拉弟隔离器540的光550在1310nm波段内。
根据上述本发明，通过把过渡金属离子(如Cu+离子)添加到已添加活性物质(如稀土离子)的Ge-Ga-S-基玻璃组合物中，有可能增加在1310nm波段处的光增益截面积。因此，有可能有效提高在用于光通信的1310nm波段处的光放大效率。
本发明不仅限于上述实施例，应当知道对于本领域的专业技术人员来说还可以在本发明的范围和精神之内作出各种变化，但都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种玻璃组合物，其特征在于，其中包括一种玻璃基质；一种添加到该玻璃基质中用来进行发光和光放大操作的活性物质；以及一种添加到玻璃基质中并改变光放大增益的分布的过渡金属离子。
2.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其特征在于，所述玻璃基质为Ge-Ga-S-基玻璃。
3.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其特征在于，所述活性物质为稀土离子。
4.根据权利要求3所述的玻璃组合物，其特征在于，所述稀土离子为Pr3+离子。
5.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其特征在于，所述过渡金属离子不具有吸收1310nm波段的能级。
6.根据权利要求5所述的玻璃组合物，其特征在于，所述过渡金属离子不具有吸收1017nm波段的能级。
7.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其特征在于，所述过渡金属离子为Pd4+离子、Ag+或Cu+离子。
8.根据权利要求1所述的玻璃组合物，其特征在于，所述过渡金属离子在玻璃基质中的含量为0.01mol％到0.2mol％。
9.一种用于光通信的装置，其特征在于，其中包括用于产生光信号和光泵激并把它们提供到光纤中的装置；由玻璃基质、添加到玻璃基质中用来执行发光和辐射操作的活性物质，以及添加到玻璃基质中并改变光放大增益的分布的过渡金属离子组成的光纤；以及用于防止从光纤中放出的辐射被反射回到光纤中的装置。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述玻璃基质为Ge-Ga-S-基玻璃。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，其中活性物质为镧系稀土离子。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述镧系稀土离子为Pr3+离子。
13.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述过渡金属离子不具有吸收1310nm波段的能级。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述过渡金属离子不具有吸收1017nm波段的能级。
15.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述过渡金属离子为Pd4+离子、Ag+或Cu+离子。
16.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述过渡金属离子在玻璃基质中的含量为0.01mol％到0.2mol％。
17.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述用于产生光信号和光泵激并把它们提供到光纤中的装置中包括用于产生光信号和光泵激的子装置；以及用于耦合光信号和光泵激的耦合器。
18.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述用于防止从光纤中放出的光被反射回光纤中的装置包含有一个法拉弟隔离器。
全文摘要
一种用于光放大的Ge－Ga－S基玻璃组合物以及一种使用该Ge－Ga－S－基玻璃组合物进行光通信的装置。在根据本发明的玻璃组合物中,把用于执行发光和光放大操作的活性物质添加Ge－Ga－S玻璃基质中,在该玻璃基质中其中所添加的用于把光放大增益分布改变的过渡金属离子的浓度为从0.01mol%到0.2mol%。
文档编号H01S3/17GK1216753SQ9812358
公开日1999年5月19日 申请日期1998年11月4日 优先权日1997年11月4日
发明者许钟, 林世镐, 申东彧, 金贤洙 申请人:三星电子株式会社