专利名称：用于光学放大器纤维的玻璃的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤，特别涉及用于放大光信号的光纤放大器的玻璃组成。
背景技术：
今天的电信网络一般使用光纤来传送信号。光信号靠光学载波被远距离传输，例如长腿(long legs)和功率分裂(power splitting)的特征使得对微弱信号的放大成为必要。光学放大器典型地包括相对短的掺杂有稀土离子或其它能发荧光的物质的放大器纤维。来自泵源的光使稀土离子的电子跃迁至临时的激发态，输入信号的光激励激发能级的自发发射。这样发射的光呈现出与输入信号同样的特点(波长、偏振和传播方向)并且发射使输入信号的增益增加。
最初由于因特网急剧发展而引起的提高带宽的需求驱动了光学放大器的快速应用。对于常规的(C)波段，众所周知使用铒掺杂的光纤放大器(EDFA)，这已被彻底研究过了。然而，在波分多路复用(WDM)光学传输系统中不断增加的带宽需求已经导致传输波段向C-波段之外扩展。低于C波段，有所谓的S波段(1460-1520nm)，其适用于最近的铥掺杂光纤放大器(TDFA)。也有在标示25dBm输出功率下操作的新EDFA，其在整个L-波段(1570-1610nm)具有小于0.8dB的增益平坦度。
无论是EDFA还是TDFA都使用掺杂有稀土离子的纤维，其带宽典型地为大约90nm。例如，在文献[1]中，描述了具有1460-1550nm带宽的Er3+/Tm3+共掺杂的石英纤维。考虑到所有种类的玻璃组分，文献[2，3]中光学放大器带宽的最大值位于110-130nm的范围内。为了获得真正的宽带放大，这个带宽是不够的。非常希望找到一种提高基于稀土掺杂纤维的光学放大器带宽的方法。
而且，与以往的纤维有关的一个问题，例如基于氟化物、亚碲酸盐和硫族化物玻璃的纤维，其机械性能较差。这种纤维通常与传统的电信用石英纤维不兼容。
因此，传统电信系统的光学放大器纤维远远不能令人满意，对于实现光信号宽带放大的改良的玻璃组分有相当大的需求。
发明内容
本发明的一般目的是提供一种改良的光学放大器纤维。具体目的是提高掺杂稀土离子的光学放大器纤维的带宽。另一个目的是获得一种可以易于与传统的电信系统共同使用的宽带光学放大器纤维。
依照与所附的权利要求相一致的技术方案来实现这些目的。
简要的说，提供一种适用于宽带光学放大器纤维的新的锗酸盐(GeO2)玻璃组分。该玻璃掺杂了铥(Tm3+)并且共掺杂了钬(Ho3+)。该玻璃包含至少35mol％GeO2，和金属氧化物BaO、ZnO和R2O(R＝Na，Li，K)。优选地，还包含最多45mol％的PbO。一个优选的实施方案使用了玻璃50GeO2-25PbO-10BaO-10ZnO-5K2O。与以往的玻璃相比，本发明的玻璃组分使得带宽得到了相当地加宽。获得了约310nm的带宽，其能够用于一新种类的宽带光学放大器并且在S++、S+、C、L和L+波段同时工作。另一个优点是本发明的锗酸盐玻璃具有与石英玻璃相似的特性，这使得该纤维与传统通信系统中用于信号传输的石英光纤高度兼容。
根据本发明的其它方面，提供了一种光学放大器纤维、一种光学放大器和一种激光器装置。
附图简述参照以下描述和附图，可以更好地理解本发明及其目的和优点。
图1是根据本发明的光学放大器纤维的示范性实施例的示意性截面图。
图2包括了根据本发明的示范性稀土掺杂锗酸盐玻璃组分的发射谱线图。
图3是根据本发明的光学放大器的示范性实施例示意性方框图。
图4是根据本发明的激光器装置的示范性实施例的示意性方框图。
具体实施例方式
图1图示说明了典型的光纤电缆的基本结构。图示了包括芯12和包层14的光纤10。芯12是透明玻璃材料，光线通过它传播。这个芯被另一种玻璃板包层14所包裹，包层的折射率一般较芯的折射率低。包层象镜子一样起作用，将光线反射回该芯，这样光线以内部反射的方式通过光纤10传播。光纤10的外部被一种绝缘材料的保护涂层16覆盖。
如果光纤用于放大目的，则芯玻璃通常掺杂有能够发荧光的物质，例如稀土离子。来自泵源的光线引发稀土离子的电子跃迁至临时的激发态，输入信号的光激励激发能级的自发发射。这样发射的光具有与输入信号同样的特点(波长、偏振和传播方向)，并且发射使输入信号的增益增加。
如背景部分所述，用于光学放大器纤维的玻璃存在一个问题，这个问题是带宽太窄以至于不能高效且宽带宽的发射。非常需要可以同时在S++、S+、S、C、L和L+波段放大的玻璃。然而，在现有技术中记载的最好的光学放大器具有大约在110-130nm的带宽[2，3]。就我们所知，不考虑玻璃组分，130nm是已记载的最大值。
本发明能提出一种新的玻璃组分，与以往玻璃相比，具有突出的放大特性和显著增加的带宽。这通过包含有利结合金属氧化物的锗酸盐玻璃来实现。更具体的是，根据本发明的玻璃组分包括至少35mol％GeO2、0-45mol％PbO和适量的金属氧化物BaO、ZnO和R2O(R＝Na、Li、K)。所述玻璃掺杂稀土离子Tm3+和Ho3+。
用本发明实现的一种新型宽带发射如图2所示，其显示了所提出的共掺杂有Tm3+/Ho3+的锗酸盐玻璃的光谱。在488nm，300K下泵浦，观察到390nm至700nm，也就是一半高度超过310nm的发光宽带。这意味着本发明的锗酸盐玻璃可以同时用于S++、S+、S、C、L和L+波段的放大。
回顾现有技术中的最大的带宽大约是130nm，图2显示对于同样的光谱范围所提出的玻璃组分呈现出310nm的带宽。这样，本发明产生一个超过两倍的带宽，或者说，提高了大约140％！用本发明得到的宽带放大的自发发射使得一种新型宽带放大器能够在高达310nm的带宽范围内操作。
因此根据本发明的优选玻璃提供310nm的放大波段，并且在任何情况下，利用本发明可以容易地获得250nm或更高的带宽。
提出的锗酸盐玻璃的大带宽归因于主成分的良好的分光性能。主成分产生一个不均匀的网络，其中包围着掺杂离子(Tm3+和Ho3+)。每个离子对于周围环境的反应都不同，这可使波段发射加宽。总带宽是所存在的所有掺杂离子的发射的总和。本发明的玻璃为Tm3+和Ho3+离子提供了一种非常好的环境，导致振幅移动提高，也就是与以往已知的玻璃相比具有提高的带宽。
本发明的一个主要优点是提出的新玻璃纤维与石英纤维同样的特性。就其类似于传统石英纤维而言，因为使用基于锗酸盐玻璃的纤维，其机械性能比氟化物、亚碲酸盐和其它重金属氧化物玻璃的机械性能好得多。由此，根据本发明的纤维与现存的石英纤维高度兼容。
新型玻璃的其它优点是其表现出抗反玻璃化的高热稳定性和高粘度。这些参数在生产光纤的拉丝过程中是至关重要的。
表1包含了根据本发明的优选锗酸盐玻璃的近似mol％值。该玻璃也能非常好地呈现出其它mol％值，如玻璃(75-X)GeO2-(X)PbO-10BaO-10ZnO-5K2O-0.2Tm3+-0.2Ho3+，X在0-40之间。表2包含了根据本发明的锗酸盐玻璃成份优选的mol％范围。
表1
表2
如以上表所示，所提出的玻璃优选含有K2O，但是也可以使用一种或多种其它碱金属氧化物(alkalimetal oxide)，更具体的是R2O，其中R＝Na，Li，和/或K。
应该提及的是，锗酸盐玻璃已经在现有技术中用作Tm3+的主体。一个例子是[3]中的包含GeO2和Ga2O3在1460-1530nm波段工作的玻璃纤维。
根据本发明的光学放大器纤维可以具有呈现优势的基本结构，这已参照图1在上面描述了。换言之，图1是根据本发明的光纤的示范性实施例的示意性截面图。光纤10包含有芯12，包层14并且优选还有保护层16。芯玻璃包括如上所述的锗酸盐玻璃主体，优选(35-75)GeO2-(0-45)PbO-(5-20)BaO-(5-20)ZnO-(2-10)R2O，并且用第一镧系氧化物(Tm2O3)掺杂和第二镧系氧化物(Ho2O3)共掺杂。
重要的是芯和包层的玻璃组分要基本相同，以避免明显的热膨胀系数不匹配。例如相同的锗酸盐玻璃组分可以作为基本成分用于光纤10的芯12和包层14。然后，芯玻璃可以被掺杂和改进以包含更大量用于控制折射率的物质。
应该需要注意的是，图1的光纤结构是相当简化的。根据本发明的其它光纤可以具有非对称成分、分级系数的芯，一个以上包层等等更复杂的结构。
图3是根据本发明光学放大器的示范性实施例的示意性方框图。所示的光学放大器20包括信号处理装置22，耦合器24，泵浦光源26和光学放大器纤维28。将需要放大的微弱光信号输入到放大器20。输入信号首先通过可选的信号处理装置22a，它以适当的方式修正信号。在放大器纤维28的两端用泵浦激光或相似的泵浦光源26a和26b(λexc＝488nm或800nm)泵浦放大器纤维28。耦合器24a和24b将泵浦光源所提供的激发光与信号光结合。然后，在放大器纤维28中，激发光使稀土离子(Tm3+，Ho3+)达到临时的激发态。随着电子衰减，具有与输入信号同样特性的光被发射，光信号的增益因此增强。最后，放大的信号在可选的信号处理装置22b中进一步修正。从放大器输出一个相对强的光信号。
光学放大器20的光学放大器纤维28包括一个掺杂了稀土离子的锗酸盐玻璃芯。该芯(可能还有包层)包括了本发明的锗酸盐玻璃主体，例如，(35-75)GeO2-(0-45)PbO-(5-20)BaO-(5-20)ZnO-(2-10)R2O。该芯掺杂有Tm3+和Ho3+(0.01-2.5％)。
信号处理装置22优选包括绝缘体，其目的是防止不需要的反射和抑制放大器的振动。信号处理装置22也可以包括更多的装置以调制、过滤、偏振、吸收、衰减等等。
对本领域的技术人员来说，当然可以对根据图3的光学放大器进行各种修改。例如可以使用单泵浦光源(和单耦合器)，尽管通常两个泵浦光源产生更好的放大效率。可选的信号处理装置的数量和位置可以变化，滤波器等可以在内部或在外部。也可能在光学放大器中有一个以上的放大器纤维。在光学放大器中，除了有放大器纤维，一般还有几个没有掺杂的“普通”光纤以连接其中的部件。
另外，本发明的光学放大器也可以在EDFA网络中用作边带放大的补偿放大器。在这种情况下，与边带相应的光谱范围的增益将提高50％。这代表了光学放大器玻璃纤维的一种新型和非常有益的应用。
以上描述的光学放大器玻璃也可以应用于其它光学装置，例如固态激光器(其中的有源媒质是玻璃棒)、有源波导、红外传感器等。图4是根据本发明的纤维激光器装置的示范性实施例的示意性方框图。每一个激光器装置部件的附图标记是相应的放大器部件(图3)的附图标记加上10。激光器装置和光学放大器的主要区别是，激光器装置不接收输入的信号光，而是具有信号产生的反馈装置。相应地，图4的激光器装置30包括两个反射器35，放置在光学放大器纤维38相对的两端。来自泵浦光源36的激发光在放大器纤维38中引起光子发射，其方式与光学放大器中的相同。第一反射器35a优选为高反射镜，理想地反射所有光，而第二反射器35b是部分透射镜。穿过第二反射器的相对少部分的光是激光器装置30输出的激光束。激光器装置的可选信号处理装置32可以包括内部或外部装置以调制、滤波、偏振、q-转换、吸收等等。
在根据本发明的激光器装置的另外实施例(没有图示)中，取而代之，反馈通过环形纤维结构实现，其中一部分输出信号基本上引导返回耦合器34a。
虽然参照具体说明的实施例描述了本发明，但是应该强调的是本发明也包括了等同的未说明的特征和对于本领域技术人员来说显而易见的的修改和变动。因此，本发明的保护范围仅由权利要求书来限定。
参考文献[1]H.Jeong et.al，“Broadband amplified spontaneous emission from anEr3+Tm3+codoped silica fiber”，Optics Letters，Vol.28，Issue3，February2003。
Informnation Gatekeepers Inc，Market Report(overview)“OpticalAmplifiersTechmology and Systems”，April 1999，available athttp://www.igigroup.com/st/pages/opticalamp.html[3]US Patent 6589895，Corning Inc。
权利要求
1.一种用于光纤放大的锗酸盐玻璃组分，其掺杂有Tm3+和Ho3+并且还包含至少35mol％GeO2和Ba、Zn和R的氧化物，R选自Na、Li和K族，用于拓宽与玻璃组分有关的放大波段。
2.根据权利要求1所述的玻璃组分，还包含最多45mol％PbO。
3.根据权利要求1所述的玻璃组分，其中玻璃成分的量使得放大波段至少为250nm。
4.根据权利要求1所述的玻璃组分，其中R是K。
5.根据权利要求2所述的玻璃组分，包含(单位为mol％)3 5-75％GeO2；0-45％PbO；5-20％BaO；5-20％ZnO；和2-10％R2O。
6.根据权利要求5所述的玻璃组分，包含(单位为mol％)约50％GeO2；约25％PbO；约10％BaO；约10％ZnO；和约5％R2O。
7.根据权利要求1所述的玻璃组分，包含0.01-2.5mol％Tm3+和0.01-2.5mol％Ho3+。
8.一种光学放大器纤维(10)，其包含被至少一层包层(14)包围的芯(12)，其中所述芯至少部分由掺杂有Tm3+和Ho3+并且进一步包含至少35mol％的GeO2和Ba、Zn以及R的氧化物的锗酸盐玻璃组分形成，R选自Na、Li和K，用于使光学放大器纤维的放大波段更宽。
9.根据权利要求8所述的放大器纤维，其中玻璃组分进一步包含最多45mol％的PbO。
10.根据权利要求8所述的放大器纤维，其中玻璃成份的量使得放大波段至少为250nm。
11.根据权利要求8所述的放大器纤维，其中R是K。
12.根据权利要求9所述的放大器纤维，其中玻璃组分包括(单位为mol％)35-75％GeO2；0-45％PbO；5-20％BaO；5-20％ZnO；和2-10％R2O。
13.根据权利要求12所述的放大器纤维，其中玻璃组分包含(单位为mol％)约50％GeO2；约25％PbO；约10％BaO；约10％ZnO；和约5％R2O。
14.根据权利要求8所述的放大器纤维，其中玻璃组分包含0.01-2.5mol％Tm3+和0.01-2.5mol％Ho3+。
15.一种光学放大器(20)，其包括光学放大器纤维(28)，该纤维包含被至少一层包层包围的芯，其中所述芯至少部分由掺杂有Tm3+和Ho3+并且进一步包含至少35mol％的GeO2和Ba、Zn和R的氧化物的锗酸盐玻璃组分而形成，R选自Na、Li和K，用于拓宽光学放大器纤维的放大波段。
16.根据权利要求15所述的光学放大器，其中玻璃组分包含(单位为mol％)35-75％GeO2；0-45％PbO；5-20％BaO；5-20％ZnO；和2-10％R2O。
17.根据权利要求15所述的光学放大器，形成一种用于边带放大的补偿放大器。
18.一种包括光学放大器纤维(38)的激光器装置(30)，其中光学放大器纤维是至少部分由掺杂有Tm3+和Ho3+并且进一步包含至少35mol％的GeO2和Ba、Zn及R的氧化物的锗酸盐玻璃组分而形成，R选自Na、Li和K，用于拓宽该光学放大器纤维的放大波段。
19.根据权利要求18所述的激光器装置，其中玻璃组分包含(mol％)35-75％GeO2；0-45％PbO；5-20％BaO；5-20％ZnO；和2-10％R2O。
全文摘要
本发明提供一种适用于将光信号宽波段放大的光纤放大器的锗酸盐玻璃组分。玻璃优选包括35－75％GeO
文档编号C03C4/00GK1972878SQ200480043001
公开日2007年5月30日 申请日期2004年5月11日 优先权日2004年5月11日
发明者Y·默萨德奇, S·J·L·里贝罗, E·佩科拉罗, E·M·纳斯希门托 申请人:艾利森电讯公司