专利名称：光放大用光纤的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种芯区掺杂稀土元素的光放大用光纤，还涉及一种光放大器，在该光放大器中将光放大用光纤用作光放大介质。
背景技术：
通常，通过将光放大用光纤用作光放大介质，并且给光放大用光纤提供泵浦光，光放大器可使信号光放大。例如，掺铒光纤放大器(EDFA)可放大通常用于光通信系统中的1.55μm波带的信号光，并且该掺铒光纤放大器安装在光通信系统中的光中继器内。
光放大器所要求的特性是其输出光强度较大，并且光放大用光纤中非线性光学现象的发生不明显。然而，增加输出光强度和抑制非线性光学现象的发生是一种相互折衷选择的关系。日本专利申请公开No.2004-146681中公开的光放大器的意图在于满足这两个要求。
因非线性光学效果而导致的噪声光发生效率η与光纤长度L的平方成正比，并且与有效芯面积Aeff的平方成反比。光纤长度L、吸收峰值α、以及光纤长度与铒吸收量的乘积P之间的关系用关系式P＝α×L来表示，并且有效芯面积Aeff与模场直径(MFD)的平方成正比。这样非线性噪声发生效率与P2/(α2×MFD4)成正比。通常在吸收量和光纤长度乘积为预定值的状态下使用掺铒光放大用光纤。在该情况下，适合地实现输出光强度增加和抑制非线性光学现象产生的有效方法是增加芯区的铒浓度，以及扩大芯直径。
在铒浓度增加的情况下，由于铒原子之间发生结合，并由此引起光强度发生效率降低(浓度消光(concentration quenching))，所以可能无法获得高的输出光强度。因此，在高铒浓度状态下通常用以抑制浓度消光的方法是增加掺杂物的浓度，例如掺杂除稀土元素以外的铝(AL)元素等。然而，当铝元素掺入芯区时，芯区相对于包层区的相对折射率差增加，这样使得模场直径(MFD)减小，从而容易导致非线性光学现象的发生。
这样，在日本专利申请公开No.2002-043660中公开的光放大用光纤中，除铒元素和铝元素之外，还将氟元素掺入芯区。在日本专利申请公开No.2002-043660中公开的光放大用光纤允许在通过增加铒浓度以增加输出光强度的同时，通过增加铝浓度以抑制浓度消光。而且，通过掺杂氟以抑制芯区内相对折射率差的增加，从而限制模场直径MFD的降低，由此试图抑制非线性光学现象的发生。
然而，在日本专利申请公开No.2004-146681和日本专利申请公开No.2002-043660中公开的光放大用光纤中，当试图增加输出光强度时，不能充分地抑制非线性光学现象的发生。
发明内容
本发明的目的是提供这样一种光放大用光纤即，其不仅可以实现增加输出光强度，而且可以充分抑制非线性光学现象的发生，还提供在其中使用了这种光放大用光纤的光放大器、光源装置等。
为实现该目的，本发明提供一种光放大用光纤，该光放大用光纤具有(1)芯区，该芯区掺杂有按重量计在1％到10％范围内的铝元素、按重量计在1000ppm到5000ppm范围内的铒元素，以及氟元素，而且该芯区具有在10μm到30μm范围内的外径；以及(2)环绕该芯区的包层区，该包层区具有低于芯区的折射率，其中，该芯区相对于包层区的相对折射率差大于或等于0.3％，并且小于或等于2.0％。
铒元素的浓度可以是按重量计为大于或等于2500ppm，并且小于或等于4000ppm。铝元素的浓度可以是按重量计为大于或等于4％，并且小于或等于8％。氟元素的浓度可以是按重量计为大于或等于0.1％，并且小于或等于2.5％。优选地，氟元素的浓度是按重量计为大于或等于0.3％，并且小于或等于2.0％。芯区相对于包层区的相对折射率差可以是大于或等于0.3％，并且小于或等于1.0％。
根据本发明的另一方面，提供一种光放大器，该光放大器包括(1)本发明的光放大用光纤；以及(2)向光放大用光纤供给泵浦光的泵浦光供给装置。
根据本发明的又一方面，提供一种光源装置，该光源装置包括(1)用于产生电信号的信号发生器；(2)基于电信号产生激光束的半导体激光装置；以及(3)光纤放大器，该光纤放大器具有本发明的光放大用光纤，并用于放大由半导体激光装置发射的激光束。
根据本发明的另一方面，提供一种光学医疗装置，该光学医疗装置包括(1)本发明的光源装置；(2)波长转换器，其用于将从光源装置的出口部分发射的照射光转换成给定波长的医疗用照射光；以及(3)照射光学系统，其用于将由波长转换器转换的照射光引导并照射到治疗部位上。
根据本发明的再一方面，提供一种曝光装置，该曝光装置包括(1)本发明的光源装置；(2)波长转换器，其用于将光源装置的出口部分发射的照射光转换成给定波长的照射光；(3)用于保持光掩模的掩模支撑部件，在光掩模中设有预定的曝光图形；(4)用于保持曝光对象物的保持器；(5)照明光学系统，其利用由波长转换器转换的照射光来照射由掩模支撑部件保持的光掩模；以及(6)投影光学系统，利用该投影光学系统，由照明光学系统照射并已通过光掩模的照射光投射到由保持器保持的曝光对象物上。
通过以下的说明书、权利要求书和附图，本发明这些和其它特征、方面和优点将更易理解。在附图的说明中，同一标记应用于相同的元件，并且省略重复的说明。
图1是根据本发明实施例的光放大器的示意图。
图2A和2B是根据本发明实施例的光放大用光纤的示意图，其中，图2A是垂直于光轴的平面的截面图，图2B是折射率的分布图。
图3是显示当因浓度消光而导致激发效率降低5.0％时，铒浓度和铝浓度之间的关系的曲线图。
图4是显示利用相对折射率差Δn作为参数，铝浓度和氟浓度之间的关系的曲线图。
图5是显示利用氟浓度作为参数，铝浓度和非线性噪声发生效率η之间的关系的曲线图。
图6是根据本发明实施例的光源装置的示意图。
图7是根据本发明实施例的光学医疗装置的示意图。
图8是波长转换器的示意图，该波长转换器包含在图7的光学医疗装置中。
图9是包含在图7的光学医疗装置中的照明装置和光学观察装置的示意图。
图10是根据本发明实施例的曝光装置的示意图。
具体实施例方式
光放大器和光放大用光纤的实施例图1是根据本发明实施例的光放大器的示意图。光放大器1包括光放大用光纤10、连接光纤20和30、光耦合器40、以及泵浦光源50，该光放大器1将输入到输入端1a的光放大，并且从输出端1b输出已放大的光。
图2A和2B是根据本发明实施例的光放大用光纤的示意图，其中，图2A是垂直于光轴的平面的截面图，图2B显示了折射率分布图。光放大用光纤10包含的主成分为石英玻璃，并具有掺杂铒、铝和氟元素的芯区11、以及围绕芯区11的包层区12，包层区12具有比芯区11低的折射率。芯区11可以掺杂GeO2(二氧化锗)，而包层区可以掺杂氟元素。
芯区掺杂铒的浓度在1000wt.ppm(1000wt.ppm是指按重量计为1000ppm，以下类同)到5000wt.ppm的范围内，并且芯区掺杂铝元素的浓度在1wt％(1wt％是指按重量计为1％，以下类同)到10wt％的范围内。芯区的外径在10μm到30μm范围内，包层区的外径大于或等于75μm并小于200μm，芯区相对于包层区的相对折射率差在0.3％到2.0％的范围(优选的是0.3％到1.0％)内。利用这样构成的光放大用光纤10，可以进一步增加输出光强度，并且充分地抑制非线性光学现象的发生。
优选地，光放大用光纤10具有2.0μm或更长的截止波长。芯区掺杂铒的浓度优选的在2500wt.ppm到4000wt.ppm的范围内。芯区掺杂铝元素的浓度优选的在4wt％到8wt％的范围内。芯区掺杂氟元素的浓度优选的在0.1wt％到2.5wt％的范围内，以及更优选的在0.3wt％到2.0wt％范围内。而且，芯区相对于包层区的相对折射率差优选的在0.3％到1.0％的范围内。
光放大用光纤10的输入端1a通过熔片(fusion splice)与连接光纤20连接，并且光放大用光纤10经由连接光纤20与光耦合器40(通常为标准的单模光纤)的输出端连接。连接光纤20的模场直径大于光耦合器40的输出端的模场直径，而小于光放大用光纤10的模场直径。
光放大用光纤10的输出端通过熔片与连接光纤30连接，并且光放大用光纤10经由连接光纤30与输出端1b连接。输出端1b通常与标准的单模光纤连接。该连接光纤30的模场直径大于与输出端1b连接的光纤的模场直径，而小于光放大用光纤10的模场直径。
已输入到输入端1a的光经由光耦合器40输出到光放大用光纤10中，并且已从泵浦光源50输出的泵浦光经由光耦合器40也输出到光放大用光纤10中。泵浦光源50输出1.48μm或0.98μm波长的泵浦光，该泵浦光能够激发光放大用光纤10中掺杂的铒。光耦合器40和泵浦光源50构成泵浦光供给装置，该装置向光放大用光纤10供给泵浦光。光放大用光纤10中放大的光的波长在1.5到1.6μm范围内。
光放大器1按如下步骤操作。由泵浦光源50输出的泵浦光经由光耦合器40和连接光纤20提供给光放大用光纤10，并且激励掺入光放大用光纤10中的铒元素。输入到输入端1a的光经由光耦合器40和连接光纤20入射到光放大用光纤10中，并在光放大用光纤10中受到光学放大。如此光学放大的光经由连接光纤30从输出端1b输出。在现有实施例中，由于使用了连接光纤20和30，所以使得光放大用光纤10的两端的模场直径逐步变化。这样，降低了因模场直径的不连续性而导致的放大光或泵浦光的损失，并且在该情况下，还可以输出高强度的光。
图3是显示当因浓度消光而导致激发效率降低5.0％时，铒浓度和铝浓度之间的关系的曲线图。在高浓度铒掺入芯区内的情况下，为了抑制因浓度消光而导致的激发效率的降低，高浓度的铝元素必须根据铒的浓度掺入芯区内。为抑制因浓度消光而导致激发效率降低到5.0％或以下，当铒浓度为1000wt.ppm时，铝浓度为1％。当铒浓度为2500wt.ppm、3000wt.ppm、以及3500wt.ppm时，铝浓度必须分别等于或大于4wt％、5wt％、以及8wt％。
图4是显示利用相对折射率差Δn作为参数，铝浓度和氟浓度之间的关系的曲线图。芯区掺杂铝元素增加了相对折射率差Δn，并且降低模场直径MFD，从而容易发生非线性光学现象。因此，掺杂氟元素可以有效地降低折射率差，以便抑制因掺杂铝元素而增加相对折射率差Δn。
表I显示在本发明实施例的实例和比较例中光放大用光纤的详述(芯直径dc，铒浓度CEr，铝浓度CAl，氟浓度CF，相对折射率差Δn)。
表I
在所有情况下，包层的直径是125μm。在此，将比较例2的光放大用光纤的非线性噪声发生效率定义为1，并以此为基础，使实例1和2以及比较例1和2中的每个光放大用光纤的非线性噪声发生效率η标准化。
图5是显示利用氟浓度CF作为参数，铝浓度和非线性噪声发生效率η之间的关系的曲线图。在此，芯直径是17μm。当铝浓度增加时，非线性噪声发生效率η增加，而当氟浓度CF增加时，非线性噪声发生效率η降低。当将铝浓度相同的实例1和比较例1进行比较时，通过掺杂0.7wt％的氟，非线性噪声发生效率η提高约10％。
所以，当铝浓度根据铒浓度的增加而增加时，通过给芯区掺杂所需量的氟元素，可以抑制芯区相对折射率差的增加，并且抑制模场直径MFD的降低，从而可以抑制非线性光学现象的发生。
光源装置的实施例图6是根据本发明实施例的光源装置200的示意图。该光源装置200包括本发明的光放大用光纤，该光源装置200是用于输出脉冲光的脉冲光源(以下将其称为脉冲光源)。
脉冲光源200包括用于产生矩形电脉冲信号的脉冲发生器(PG)201、基于电脉冲信号产生矩形光脉冲的激光二级管(LD)202、偏振控制器(PC)203、第一掺铒光纤放大器(EDFA 1)204、用于清除放大的自发发射(ASE)光的带通滤波器(OBPF)205、以及具有本发明的光放大用光纤的第二掺铒光放大器(EDFA 2)206。
在脉冲光源200中，脉冲发生器201中产生的矩形电脉冲信号通过激光二极管202转换成矩形光脉冲。由激光二极管202输出的光脉冲经由偏振控制器203输入到第一掺铒光放大器(EDFA 1)204中，并且放大该光脉冲以作为放大的脉冲光输出。由第一掺铒光放大器(EDFA 1)204放大的脉冲光在带通滤波器205中被去除ASE光，并且输入到第二掺铒光放大器(EDFA 2)206中进行放大，以便输出高峰值功率的脉冲光。
这样，利用脉冲光源200可以抑制非线性光学现象的发生，并可以获得高输出功率的脉冲光，该脉冲光源中的第二掺铒光放大器(EDFA 2)206采用本发明的光放大用光纤。
以下是对利用本发明的脉冲光源200的光学医疗装置和曝光装置进行的描述。
光学医疗装置的实施例接着，参考图8到10，对根据本发明实施例的光学医疗装置进行如下描述。根据本发明的光学医疗装置包括脉冲光源200。该光学医疗装置是通过矫正角膜的曲度或不均匀度对近视和散光等进行治疗的一种装置，该装置是以这样的方式进行治疗的即，通过对角膜发射激光束，借助应用于切开角膜的内部切除术(LASIKLaserIntrastromal Keratomileusis准分子激光角膜切削原位磨镶术)，或借助应用于角膜表面的表面切除术(PRKPhotorefractiveKeratectomy准分子激光角膜切削术)。
图7是根据本发明实施例的光学医疗装置300的示意图。该光学医疗装置300在装置外壳351内主要包括脉冲光源200；波长转换器360，其将通过脉冲光源200放大和输出的激光束转换成具有希望波长的激光束；照明装置370，其对波长已受到波长转换器360转换的激光束进行引导，以便照射到眼睛EY的角膜HC的表面上(治疗区)；以及用于观察治疗区域的光学观察装置380。该装置外壳351的底部352设置在X-Y移动平台353上，以便整个装置外壳351可以沿X方向即图7的左右方向移动，以及沿垂直于纸面的Y方向移动。
图8是包含在光学医疗装置300中的波长转换器360的示意图。该波长转换器360具有非线性光学晶体361、362、363以及布置在光学晶体之间的聚光透镜364和365。从脉冲光源200的输出端347输出的激光束(基波分量)通过非线性光学晶体361、362和363，转换成具有治疗用的所希望的波长的激光束(谐波分量)。在该实施例中，基波分量的波长是1.544μm，适于角膜治疗的谐波分量是具有与氩氟准分子激光器相同波长的紫外线光(193nm)。由波长转换器360输出的谐波分量的脉冲振动的重复频率极高，即100kHz。
当基波分量通过非线性光学晶体361时，由于第二谐波的产生而产生具有频率为基波分量的频率ω两倍的双波(波长是1/2，例如，772nm)。第二谐波朝着右侧方向前进，并且入射到下一个非线性光学晶体362中。在此，再次产生第二谐波，从而产生4倍波，该4倍波具有频率4ω，它是基波分量的四倍(波长是1/4，即386nm)，也即入射波的频率2ω的两倍。第四谐波朝着非线性光学晶体363向右前进，并且在此再次产生第二谐波分量，以便产生具有频率8ω的8倍波，该8倍波是入射波的频率4ω的两倍，即基波分量的频率的八倍(波长是1/8，即193nm)。
用于转换波长的非线性光学晶体例如分别是用于非线性光学晶体361和362的LiB3O5(LBO)晶体，和用于非线性光学晶体363的Sr2Be2B2O7(SBBO)晶体。在此，在利用LBO晶体将基波分量转换成第二谐波的过程中，控制LBO晶体的温度，以便基波分量和第二谐波分量满足相位匹配条件。这样做是有利的，这是由于不会发生基波分量和第二谐波分量之间的角偏差(离散walk-off)，因而可以高效率地实现第一谐波向第二谐波的转换，还由于如此产生的第二谐波未受到因离散而产生的光束变形的缘故。
图9是包含在光学医疗装置中的照明装置370和光学观测装置380的示意图。该照明装置370包括聚光透镜371，其用于使由波长转换器360进行波长转换而获得到的193nm波长的激光聚光成细光束；分色镜372，其用于将如此获得的激光束反射并照射到治疗对象例如眼睛EY的角膜HC的表面上。这样，激光束作为点光照射在角膜HC的表面，以便实施该部分的蒸散(transpiration)。在该情况下，整个装置外壳351在X-Y移动平台353上沿X方向和Y方向移动，以便照射在角膜HC的表面上的激光射束点扫描移动，以在角膜表面执行切除手术，从而对近视、散光、远视等进行治疗。
这种治疗的操作是这样进行的即，诸如眼科医生等的操作人员通过光学观察装置380进行目视观察，同时控制X-Y移动平台353的操作。光学观察装置380包括照明灯385，其用于对待治疗的眼睛EY的角膜HC的表面进行照明；物镜381，其接收由照明灯385照明而来自角膜HC并透过分色镜372的光；棱镜382，其用于反射从物镜381入射的光；以及目镜383，其用于接收由棱镜382反射的光。这样，通过目镜383可以观察到角膜HC的放大图像。
曝光装置的实施例图10是根据本发明实施例的曝光装置400的示意图。曝光装置400用于光刻工艺并包括脉冲光源200，光刻工艺是半导体制造工艺中的一种。用于光蚀刻工艺的曝光装置理论上与照相制版相同，精确地画在光掩模(中间掩模)上的器件图形被光照射并转印到涂有光刻胶的半导体片或玻璃基板上。曝光装置400包括上述脉冲光源200、波长转换器401、照明光学系统402、用于支撑光掩模(中间掩模)410的掩模支撑台403、投影光学系统404、用于支撑半导体片415的载置台405，以及用于水平移动载置台405的驱动单元406。
在曝光装置400中，由脉冲光源200的输出端输出的激光束输入到波长转换器401，以转换成具有曝光半导体片415所需的波长的激光束。经这样波长转换的激光束输入到由若干透镜组成的照明光学系统402中，并且由照明光学系统402照射到由掩模支撑台403支撑的光掩模410的整个表面上。如此照射并穿过光掩模410的光具有绘制于光掩模410上的器件图形的图像，并且该照射光经由投影光学系统404照射在载置台405上载置的半导体片415的预定位置处。接着，通过投影光学系统404使光掩模410上的器件图形的图像缩小，以在半导体片415上成像并曝光。
尽管本发明结合目前被认为最实用的和优选实施例进行了描述，但本发明并不限于公开的实施例，相反，本发明其本意在不超出本发明的实质和附属权利要求保护范围的前提下覆盖各种不同的修改和等同变化。
2005年5月18日提交的日本专利申请No.2005-145663公开的全部内容，包括说明书、权利要求书、附图和摘要，在此通过引用的方式并入本文。
权利要求
1.一种光放大用光纤，包括(1)芯区，其掺杂有按重量计在1％到10％范围内的铝元素、按重量计在1000ppm到5000ppm范围内的铒元素，以及氟元素，并且所述芯区具有在10μm到30μm范围内的外径；以及(2)包层区，其环绕所述芯区，并且具有低于所述芯区的折射率，其中，所述芯区相对于所述包层区的相对折射率差大于或等于0.3％，并且小于或等于2.0％。
2.如权利要求1所述的光放大用光纤，其中，所述铒元素的浓度是按重量计为大于或等于2500ppm，并且小于或等于4000ppm。
3.如权利要求1所述的光放大用光纤，其中，所述铝元素的浓度是按重量计为大于或等于4％，并且小于或等于8％。
4.如权利要求1所述的光放大用光纤，其中，所述氟元素的浓度是按重量计为大于或等于0.1％，并且小于或等于2.5％。
5.如权利要求4所述的光放大用光纤，其中，所述氟元素的浓度是按重量计为大于或等于0.3％，并且小于或等于2.0％。
6.如权利要求1所述的光放大用光纤，其中，所述芯区相对于所述包层区的相对折射率差大于或等于0.3％，并且小于或等于1.0％。
7.一种光放大器，包括(1)如权利要求1所述的光放大用光纤；以及(2)泵浦光供给装置，其用于向所述光放大用光纤供给泵浦光。
8.一种光源装置，包括(1)信号发生器，其用于产生电信号；(2)半导体激光装置，其基于所述电信号产生激光束；以及(3)光纤放大器，其用于放大由所述半导体激光装置发射的激光束，其中，所述光纤放大器包括权利要求1所述的光放大用光纤。
9.一种光学医疗装置，包括(1)如权利要求8所述的光源装置；(2)波长转换器，其用于将从所述光源装置的出口部分发射的照射光转换成给定波长的医疗用照射光；以及(3)照射光学系统，其用于将由所述波长转换器转换的照射光引导并照射到治疗部位上。
10.一种曝光装置，包括(1)如权利要求8所述的光源装置；(2)波长转换器，其用于将所述光源装置的出口部分发射的照射光转换成给定波长的照射光；(3)掩模支撑部件，其用于保持光掩模，在所述光掩模中设有预定的曝光图形；(4)保持器，其用于保持曝光对象物；(5)照明光学系统，其将由所述波长转换器转换的照射光照射在由所述掩模支撑部件保持的光掩模上；以及(6)投影光学系统，利用所述投影光学系统，将由所述照明光学系统照射并已通过所述光掩模的照射光投射到由所述保持器保持的曝光对象物上。
全文摘要
本发明提供一种光放大用光纤，该光放大用光纤不仅可以实现增加输出光强度，而且可以充分抑制非线性光学现象的发生。另外，本发明还提供其中采用该光放大用光纤的光放大器和光源装置。光放大用光纤包括(1)芯区，该芯区掺杂有按重量计为1％到10％范围内的铝元素，按重量计为1000ppm到5000ppm范围内的铒元素，以及氟元素，并且该芯区具有在10μm到30μm范围内的外径；以及(2)环绕芯区的包层区，该包层区具有低于芯区的折射率，其中芯区相对于包层区的相对折射率差大于或等于0.3％，并且小于或等于2.0％。
文档编号H01S5/00GK1866065SQ20061007825
公开日2006年11月22日 申请日期2006年5月18日 优先权日2005年5月18日
发明者春名彻也, 樽稔树, 大西正志, 角井素贵, 石川真二 申请人:住友电气工业株式会社