具有磷硅酸盐玻璃的发光器件的制作方法
【专利说明】具有磷硅酸盐玻璃的发光器件
[0001] 本申请是基于申请日为2008年7月15日，优先权日为2007年7月16日，申请 号为200880105830. 3,发明名称为："具有磷硅酸盐玻璃的发光器件"的专利申请的分案申 请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请包括的主题与在2007年7月3日由Morasse等提交的题目为"具有降 低的光子暗化的光学活性玻璃和光纤以及用于降低光子暗化的方法（Opticallyactive glassandopticalfiberwithreducedphotodarkeningandmethodforreducing photodarkening) "的共同转让美国专利申请的主题相关，所述美国专利申请通过引用整个 结合在此。 发明领域
[0004] 本发明总体涉及光学活性玻璃和包括这种玻璃的发光器件。更具体地，本发明涉 及磷硅酸盐光波导和包括其的高输出功率放大器或激光器。
[0005] 发明背景
[0006] 用于光的放大的光纤激光器和放大器通常包括具有光学活性波导芯的光纤，所述 光学活性波导芯掺杂有稀土活性离子，例如铥、铒、镱和钕。放大是通过来自掺杂光纤中的 掺杂剂离子的光子的受激发射实现的，因此光纤的组成影响发射的放大光的性质。同样，设 计（tailor)光纤的组成以优化用于给定应用的期望性质。然而，还重要的是，光纤的优化 的期望光学性质随着时间保持稳定。
[0007] 通常，光纤可以是多模或单模或几个模式（few-modedlike)的大模面积（LMA)光 纤。多模或LMA光纤允许将多个模的光波限定到所述芯并且沿光纤传导，其中每一个模以 不同的相速传播。单模光纤仅支持一种处于感兴趣的频率的横向空间模。假定充分小的芯 或充分小的数值孔径，可以将单模即基模限定到所述芯。基模对于许多应用是优选的，原因 在于，得到较高的光束质量和聚焦性质，并且从光纤出来的光波的强度分布不改变，而与光 纤的发射条件和任何干扰无关。
[0008] 实际的光纤衰减在其中传播的光，因此有利的是保持光纤长度尽可能短。重要的 是最大化储存在增益介质中的能量。增益介质的饱和能量是实现增益介质的有效饱和所需 的能量。还重要的是最大化从储存的能量取出的能量。对于在光纤内获得高峰值功率的主 要限制归因于小的模尺寸和大的传播长度，其可以产生非线性效果。具有高发射横截面的 一些增益介质的另一个问题是每单位面积的饱和能量低，因而限制可以取出的能量的量并 且引起脉冲变形。
[0009] 纵模脉动（beating)可能是高频噪音的重要来源，其因此导致脉冲调制放大器或 激光器的脉冲结构中的峰值功率波动。取决于它的振幅和频谱，此噪音可能严重限制产生 具有拥有精细结构的特别形状的稳定光学脉冲的能力。
[0010] 高能放大器和激光器遭遇的另一个问题是在高能出现的非线性效应。非线性效应 的开始可以严重降低光谱含量（spectralcontent)并且限制激光源的功率输出。
[0011] 对于一些稀土掺杂的芯组成，随着时间的光子暗化（即，光引起结构转变的形成） 引起光纤的掺杂玻璃芯中的损失，从而导致减小光纤输出功率效率。
[0012] 已经在稀土掺杂的二氧化硅光纤中观察到了光子暗化：M.M.Broer等（Opt. Lett. 1993, 18 (10)，第799-801页）描述了在铥掺杂光纤中的光子暗化，Μ·Μ·Broer 等（Opt.Lett. 1991，16(18)，第1391-1393页）描述了在铈掺杂光纤中的光子暗化，和 E.G.Behrens等（1990,JOSAB7(8)，第1437-1444页）描述了在铕和镨掺杂光纤中的光 子暗化。在镱掺杂二氧化娃光纤中的此现象的第一实验证据由R.Paschotta等在Opt. Commun.，1997, 136(5-6)，第 375-378 页中描述。
[0013] 美国专利5, 173, 456描述了用于高能激光器的磷酸盐玻璃。具体地，描述了用作 多通路（multiplepass)、高能激光器系统中的激光放大器的低含量或无二氧化娃、低含量 或无碱金属的磷酸盐玻璃，其具有高的热导率、低的热膨胀系数、低的发射横截面，和高的 荧光寿命。
[0014] 因此，需要这样的高能激光器和放大器，其具有增强的功率输出、较高的取出和饱 和能量、降低的非线性效应、降低的脉冲成形（pulse-shaping)需求、较高的光束质量和聚 焦性质，容易被栗浦（pump)和组装，并且随着时间稳定。
[0015] 发明概述
[0016] 因此，本发明的目的是提供一种包括磷硅酸盐光学活性玻璃的发光器件。
[0017] 根据本发明的一个方面，提供一种发光器件，所述发光器件包含增益介质，所述增 益介质包含光学活性磷硅酸盐玻璃，其中所述磷硅酸盐玻璃包含至少一种活性离子掺杂剂 和约1至30摩尔％的氧化磷。
[0018] 所述至少一种活性离子掺杂剂可以在光学活性玻璃的光学性质中引起光子暗化 效应，而所述氧化磷可以以用于降低所述光子暗化效应的有效量存在。
[0019] 活性离子掺杂剂可以是稀土掺杂剂。稀土掺杂剂可以包括镱、铥、铒、钕，它们的氧 化物，或它们的任何组合。
[0020] 该发光器件可以包括光波导，其中所述光波导包括所述增益介质。
[0021] 光波导可以具有芯和包围所述芯的至少一个包层。根据本发明的一个实施方案， 光波导可以是光纤。
[0022] 芯可以具有外部区域和内部区域，所述外部区域的折射率低于所述内部区域的折 射率。
[0023] 根据本发明的一个实施方案，增益介质包含波导的芯。根据另一个实施方案，增益 介质包含包围所述芯的包层中的至少一个。根据又一个实施方案，增益介质包含芯并且包 含包围所述芯的包层中的至少一个。
[0024] 光波导可以具有包围芯的两个以上的包层。它可以包括三包层基座设计光纤 (triple-clad pedestal-design optical fiber)〇
[0025] 发光器件可以是发射光的器件或备选和另外地放大光的器件。发光器件可以包括 放大器，其中所述放大器包括增益介质。发光器件可以包括激光器，其中所述激光器包括增 益介质。
[0026] 根据本发明的另一个方面，提供一种用于发光器件的光波导，所述光波导包含增 益介质，所述增益介质包含光学活性磷硅酸盐玻璃，其中所述磷硅酸盐玻璃包含至少一种 活性离子掺杂剂和约1至30摩尔％的氧化磷。
[0027] 该光波导可以包含芯和包围所述芯的至少一个包层，并且增益介质可以包括芯或 包括包层中的至少一个。
[0028] 在参考附图的情况下，通过阅读本发明的优选实施方案的下列非限制性描述，本 发明的目的、优点和其它特征将变得更加明显和更易理解。附图仅仅为了示例性目的给出， 并且绝不应当被解释为限制本发明的范围。
[0029] 附图简述
[0030] 图1A是根据本发明的一个实施方案的发光器件的光波导的横截面图。
[0031] 图1B是根据本发明的另一个实施方案的发光器件的光波导的横截面图。
[0032] 图1C是根据本发明的一个实施方案的发光器件的光波导的横截面图。
[0033] 图2是与栗浦能的波长相对的吸收的图示，其显示磷硅酸盐基光波导在910nm至 970nm范围内的平坦吸收（flatabsorption)。
[0034] 图3是与光的波长相对的固有损耗的增加的图示，其显示了归因于具有光学活性 磷娃酸盐玻璃芯的光波导中的光子暗化的可忽略的损耗。
[0035] 图4是产生的脉冲的振幅相对时间的图，其显示在饱和能量不需要脉冲成形和饱 和能量以后的增加的脉冲变形。
[0036] 图5A是显示将中继光纤（relayfiber)接合到光波导时的理论损耗的图。
[0037] 图5B是显示将中继光纤接合到根据本发明的光波导时的测量损耗的图。
[0038] 图6是根据本发明的实施方案沿双包层光波导的直径和沿三包层光波导的直径 的折射率分布的图，其显示了三包层光波导的减小的芯数值孔径。
[0039] 图7A是根据本发明的一个实施方案的光波导的芯的横截面图。
[0040] 图7B是沿根据本发明的一个实施方案的光波导的芯的直径的折射率分布的图， 其显示了折射率的阶跃式变化。
[0041] 图7C是沿根据本发明的一个实施方案的光波导的芯的直径的折射率分布的图， 其显示了折射率的逐渐变化。
[0042] 图8是矩形脉冲振幅相对时间的图，其显示了在包含光学活性磷硅酸盐玻璃增益 介质的光波导中输出脉冲遭受更小的变形并且更好地保持矩形。
[0043] 图9A是根据本发明的一个实施方案的发光器件的图。
[0044] 图9B是根据本发明的一个实施方案的包含增益介质的简单激光器的图。
[0045] 图9C