專利名稱：摻雜稀土離子的光波導和包括光波導的光學器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于諸如光放大器之類的光學器件中的稀土離子摻雜光波導。另外， 本發(fā)明擴展到包括這種波導的光學器件以及制造該波導的方法。
背景技術(shù)：
光放大依賴于受激發(fā)射現(xiàn)象由于稱作泵浦的外加能量，信號在波導內(nèi)被放大。一 些光放大器包括摻雜有稀土離子(諸如Pr、Tb、Yb或Er之類的鑭系元素)的波導，這構(gòu)成 放大介質(zhì)，與光泵浦源和多路復用器相關(guān)聯(lián)，多路復用器用于將來自泵浦源的光流耦合至 波導內(nèi)的信號。放大器，特別是包括摻鉺Er34光纖(“摻鉺光纖”的縮寫EDF)的放大器，當前用于 全光傳輸系統(tǒng)中以對光信號進行本地放大。它們代表了對復用信號進行放大的最佳現(xiàn)有解 決方案。為了實現(xiàn)良好的性能，在設(shè)計這些放大器時需要遵從的限制之一是將泵浦波導嚴 格地限制在良好定義的波長，即978nm士5nm或1480nm士5nm。因此，泵浦源的選擇局限于特 定且極為昂貴的技術(shù)，即使用半導體的大功率泵浦激光二極管。另外，在大功率并非必要的 一些應用中(例如，置于相關(guān)接收機之前的EDFA放大器和單波長)，能夠使用極低成本的源 如發(fā)光二極管(LED)來發(fā)送泵浦信號可能是極為有用的，而這對于已知的摻雜光波導是不 可行的。目前，在摻鉺光纖放大器(EDFA)中，所使用的解決方案并不會使得發(fā)送波長不同 于上述值980nm或1480nm的泵浦信號成為可能。成功使用不同波長的已知方法是利用通過具有大吸收截面的共摻雜劑進行的能 量轉(zhuǎn)移，所述共摻雜劑能夠以非輻射方式將其能量轉(zhuǎn)移至鉺(鐿/鉺轉(zhuǎn)移或半導體/鉺轉(zhuǎn) 移)。泵浦束被共摻雜劑(施主離子)吸收，共摻雜劑被激勵在較高的能級，然后能量被轉(zhuǎn) 移至鉺(接收離子)，從而引起躍遷。該方法使得吸收和發(fā)射彼此解耦，從而可以擴展泵浦波長的選擇以及有效吸收截 面的更改。然而，該方法表現(xiàn)出幾個缺點。首先，當使用鐿/鉺對來轉(zhuǎn)移能量時，不能在整個 C波段(1529nm至1565nm)上進行放大，因為波段放大開始于1535nm，；此外，這不會導致泵 浦波長的實際改變，因為只可能在915至IOOOnm的范圍中變化。另外，半導體/鉺轉(zhuǎn)移受 到難以將半導體原子保持在其約化態(tài)(reduced state)的困擾。另外在所有情況下，轉(zhuǎn)移 局限于處于鉺附近的共摻雜劑。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種解決方案，使得可以適應泵浦波長，以便能夠在包括稀 土摻雜波導的器件內(nèi)發(fā)送所需波長的泵浦信號。本發(fā)明的另一目的是使得能夠以與常規(guī)使用的978nm士 15nm或1480nm周圍 (1450nm至1510nm)波長不同的波長來進行泵浦。
本發(fā)明的另一目的是使得能夠使用改變低成本泵浦源。本發(fā)明的目標是一種光波導，具體地是一種光纖，包括芯部，由基于稀土離子摻 雜二氧化硅的材料構(gòu)成；覆蓋芯部的光學包層；以及納米顆粒，所述納米顆粒至少部分地 由金屬構(gòu)成并且散布在芯部的材料內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)的一種具體形式，納米顆粒的大小大致小于電磁激勵輻射即泵浦 信號的波長。有利地，納米顆粒的大小小于或等于20nm。用于構(gòu)成放大器或激光器的光纖通常包括放大介質(zhì)，所述放大介質(zhì)包括由透明材料的基體構(gòu)成的芯部，在透明材料中添加了有源摻雜元素，所述有源摻 雜元素是發(fā)生放大現(xiàn)象的場所，例如包括鉺的稀土離子；以及光學包層，用于引導光功率，大多數(shù)光功率由芯部傳輸。本發(fā)明的光纖使得可以使用表面等離子體共振(SPR)的現(xiàn)象，在泵浦作用下在包 含金屬的納米顆粒附近產(chǎn)生SI^R現(xiàn)象。這種現(xiàn)象源自電磁輻射同位于金屬和電介質(zhì)基體之 間界面處的自由電子之間的共振相互作用，這產(chǎn)生了稱作局域表面等離子體(LSP)的電子 密度波。通過適應與鉺吸收帶兼容的sra波條件，優(yōu)化了鉺的受激發(fā)射。表面等離子體共 振(SPR)的強度、波長和衰減距離主要依賴于納米顆粒的特性、其大小、形狀及其所散布于 其中的電介質(zhì)基體的成分。電介質(zhì)基體具體地可以基于二氧化硅、聚合物和/或主要包含 鉍、氟或鋁。另外還可以包含一種或多種摻雜劑。假設(shè)在這種情況下能量轉(zhuǎn)移機制不同于直接YB/Er或半導體/Er轉(zhuǎn)移，耦合的有 效性不會使得必須如現(xiàn)有技術(shù)中那樣將納米顆粒散布在鉺的緊鄰附近。納米顆粒在相距鉺 離子直至10至15nm的距離內(nèi)產(chǎn)生效果。根據(jù)本發(fā)明，將納米顆粒和稀土離子散布在相同區(qū)域內(nèi)，即散布在芯部中。潛在地 納米顆?？梢蕴幱谂c芯部相鄰的極薄區(qū)域內(nèi)，只要所述極薄區(qū)域的厚度小于或等于15 μ m?；谝韵轮饕獪蕜t來選擇能夠產(chǎn)生與電信波段以及制造光波導有關(guān)的限制相兼 容的SPR的金屬。-金屬熔點必須高于在制造波導期間所應用的溫度；-高密度電子對于SPR的有效性是重要因素；-金屬必須具有良好的抗氧化性；-光學性質(zhì)必須與波導中的傳播條件(損耗分布、折射率等)兼容。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，納米顆粒包含從金(Au)、銀(Ag)、銠(Rh)、銥(Ir)、釕 (Ru)、鉬(Mo)和鋨(Os)中選擇的至少一種金屬。該列表并非窮舉?？梢酝ㄟ^專門的光學 分析檢測到這些金屬的表面上等離子體的存在。納米顆?？梢愿采w有電介質(zhì)材料層，該電介質(zhì)材料層促進了納米顆粒的散布并且 保護納米顆粒不受氧化。有利地，該層可以擁有改變表面等離子體共振(SPR)特性的高介 電常數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的第一實施例，納米顆粒由金屬構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，納米顆粒由金屬芯構(gòu)成，金屬芯的表面至少部分地涂 覆有包含稀土離子的層。根據(jù)本發(fā)明的第三實施例，納米顆粒由包含稀土離子的芯構(gòu)成，芯的表面至少部分地覆蓋有金屬層。本發(fā)明的另一目標是一種光學器件，包括光纖和泵浦源，其中光纖包括芯部，由 基于稀土離子摻雜二氧化硅的材料構(gòu)成，并且覆蓋有光學包層；納米顆粒，至少部分地由金 屬構(gòu)成，并且散布在芯部的材料內(nèi)；以及泵浦源傳送電磁激勵輻射，電磁激勵輻射傳播到芯 部中。本發(fā)明的另一目標是一種光放大器，包括光纖和泵浦源，其中光纖包括芯部，由 基于稀土離子摻雜二氧化硅的材料構(gòu)成，并且覆蓋有光學包層；納米顆粒，至少部分地由金 屬構(gòu)成，并且散布在芯部的材料內(nèi)；以及泵浦源傳送電磁激勵輻射，電磁激勵輻射傳播到芯 部中。由于可以使用不同的泵浦波長，本發(fā)明具有允許生產(chǎn)低成本EDFA放大器的優(yōu)點。 本發(fā)明的另一優(yōu)點在于采用這種現(xiàn)象的多價光纖，從而開啟了通往各種應用的大門。根據(jù)一個具體實施例，將至少部分地由金屬構(gòu)成的納米顆粒懸浮于包含稀土離子 的溶液中。本發(fā)明的另一目標是一種制造光纖的方法，包括以下步驟-將稀土離子置于溶液中；-將至少部分地由金屬構(gòu)成的納米顆粒懸浮于溶液中；_將納米顆粒結(jié)合到預制棒的芯部材料中，或者結(jié)合到芯部材料的緊鄰附近；-從所述預制棒生產(chǎn)波導。本發(fā)明對于需要可用廉價部件和光網(wǎng)絡(luò)的所有競爭者，特別對于電信應用，是有 真正的吸引力的?？紤]到工業(yè)和醫(yī)學應用，所提出的方案也可以應用于電信之外的其它領(lǐng) 域，例如光纖激光器。
通過閱讀以下對作為非限制示例而自然給出的一個實施例的描述和附圖，本發(fā)明 的其它特征和優(yōu)點將變得清楚明白，附圖中圖1是示出了表面等離子體共振(SPR)現(xiàn)象的圖；圖2a和2b示出了在不存在以及存在表面等離子體共振(SPR)現(xiàn)象的情況下發(fā)生 的鉺離子躍遷；圖3示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光學器件。圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光波導。圖5示出了本發(fā)明的第一實施例。圖6示出了本發(fā)明的第二實施例。圖7示出了本發(fā)明的第三實施例。
具體實施例方式圖1示出了由泵浦激光器發(fā)射的電磁激勵波1。所述波1在納米顆粒2的表面上 引起等離子體共振效應(plasmonic resonance effect)，納米顆粒2至少部分地由金屬構(gòu) 成并且包含在光纖芯部的材料3內(nèi)，這引起電子表面云(electronic surface cloud)4的 振蕩。位于金屬納米顆粒2附近的鉺離子5被激發(fā)，并且當鉺離子去激勵時發(fā)射光子6。
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圖2a示出了結(jié)合到基體(matrix)中的鉺離子能級，基體的主要成分由二氧化硅 構(gòu)成。能級％5/2表示基本能級。能級4Iiv2被細分為子能級(圖中未示出)，并且對應于 1450nm和1620nm之間的光發(fā)射/吸收區(qū)。使用在1480nm附近發(fā)射的傳統(tǒng)泵浦二極管以激 勵鉺離子。能級4Iiv2對應于978nm附近的吸收區(qū)。與能級4113/2不同，這是近似無輻射能級。 使用在978nm附近發(fā)射的傳統(tǒng)泵浦二極管以激勵鉺離子。對于1550nm附近的放大，所示出的其他能級擁有非常低的有效性。例如，能級4F772 在488nm的波長處實現(xiàn)非常低的吸收。圖2b示出了鉺離子能量的這些相同能級，以及金屬納米顆粒的共振表面等離子 體(SPR)的示例能級。該納米顆粒在488nm附近表現(xiàn)出高吸收。該金屬納米顆粒與鉺離子 的接近將使得能夠?qū)⒔饘偌{米顆粒吸收的能量轉(zhuǎn)移到鉺離子。與諸如鐿之類的傳統(tǒng)共摻雜 劑不同，在傳統(tǒng)共摻雜劑中Er3+離子和共摻雜及之間的接近度必須小于2nm，而在至少部分 地由金屬構(gòu)成的納米顆粒的情況下，這種接近度可以擴展到lOnm。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光學器件。這里，該器件30是光放大器。器 件30包括諸如光纖31之類的波導和例如可以是發(fā)光二極管(LED)的泵浦源32。通常，多 路復用器33與泵浦源32相關(guān)聯(lián)。入射信號34沿光纖31傳播，并且通過由源32發(fā)送的泵 浦波35而在光纖31內(nèi)被放大。圖4中所示的波導是光纖40，該光纖40包括由光學包層42共軸包圍的至少一個 芯部41。芯部和包層一般由二氧化硅基玻璃材料制成。光纖的外部通常還覆蓋有保護聚合 物涂層。對光纖進行摻雜的傳統(tǒng)方法是用包含摻雜劑的水溶液或乙醇溶液浸漬芯部的多孔 材料。在稀土離子摻雜光纖的情況下，芯部的材料例如可以由摻鉺鋁硅酸鹽構(gòu)成。以下示例示出了本發(fā)明方案的幾個實施例。光纖的生產(chǎn)具體地使用改良化學氣相 沉積(MCVD)方法。圖5示出了將金屬納米顆粒添加到光纖中的情況，其中納米顆粒在可見光譜內(nèi)的 等離子體共振在488nm附近，即鉺的吸收帶?？梢酝ㄟ^更改制造參數(shù)改變納米顆粒的大小 來修改sra波長位置。在本示例中，將金屬納米顆粒50結(jié)合到光纖芯部的二氧化硅基玻璃材料51中。 金屬納米顆粒通過物理方法在水分散體(aqueous dispersion)中獲得，并且依賴于軟化學 (soft chemistry)。通過在水中同時溶解ErCl3和AlCl3氯化物，混合了鉺52和鋁53離 子。然后將納米顆粒50添加到包含稀土離子的溶液中。然后同時將所有這些添加劑(Er、 Al、納米顆粒)結(jié)合到芯部材料中，以便形成摻雜光預制棒，最后對預制棒進行拉纖以便提 供光纖。與通過使用例如發(fā)光二極管(LED)泵浦Er3+離子相比，這些納米顆粒的添加使 488nm處的泵浦有效性可以增加超過十倍，并且因此允許使用低成本光學泵浦。在圖6所示的實施例中，光纖摻雜有由包含稀土離子的芯61例如包含Er/Al離子 的二氧化硅基玻璃芯構(gòu)成的納米顆粒60，芯的表面至少部分地以金屬層62涂覆。在這種情 況下，通過改變金屬層的厚度e和芯的直徑d，可以使sra的波長適應泵浦。當直徑d遠小 于厚度e時，在金屬層的界面勢壘63的內(nèi)部和外部之間存在高水平的電磁耦合。對于給定的外直徑d，在金屬層62的厚度e減小的情況下，等離子體峰值激勵的波長從可見光波長顯著地移至紅外波長。因此將選擇2nm和15nm之間的足夠厚度。物理地或者通過軟化學方式合成包含諸如Er/A之類稀土離子的芯61，這使得可 以獲得納米尺度的粉末。然后物理地或通過軟化學方式以金屬層涂覆所述粉末。金屬層62 可以覆蓋芯61的整個表面，或者局限于表面的一定區(qū)域。將所獲得的納米顆粒60置于水 或乙醇懸浮液中，并且通過浸漬(impregnation)而結(jié)合到預制棒的芯部材料中。然后通過 對預制棒拉纖獲得光纖。圖7示出了光纖摻雜有由金屬芯71構(gòu)成的納米顆粒70的情況，芯至少部分地覆 蓋有包含諸如Er/Al之類稀土離子的層72。在這種情況下，將鉺離子添加到納米顆粒70的 涂層中，使得可以控制金屬表面和Er3+離子之間的距離(這使得可以優(yōu)化在泵浦作用下的 能量轉(zhuǎn)移條件)以及鉺發(fā)射值的增加。通過物理方法或通過軟化學方式合成金屬芯71，從而生產(chǎn)納米尺度的粉末。然后 通過物理手段或軟化學方式以包含Er/Al的層72涂覆所述粉末。金屬層72可以覆蓋芯71 的整個表面，或者局限于表面的一定區(qū)域。將所獲得的納米顆粒70置于水或乙醇懸浮液 中，并且通過浸漬而結(jié)合到預制棒的芯部材料中。然后通過對預制棒拉纖獲得光纖。
權(quán)利要求
一種光纖，包括芯部，由基于稀土離子摻雜二氧化硅的材料構(gòu)成；覆蓋所述芯部的光學包層；納米顆粒，所述納米顆粒至少部分地由金屬構(gòu)成并且散布在所述芯部的材料內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中所述納米顆粒的大小小于電磁激勵輻射的波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖，其中所述納米顆粒的大小小于或等于20nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中所述納米顆粒包含從金、銀、銠、銥、釕、鉬和鋨中 選擇的至少一種金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中所述納米顆粒由金屬構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中所述納米顆粒由金屬芯構(gòu)成，金屬芯的表面至少 部分地涂覆有含稀土離子的層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中所述納米顆粒由含稀土離子的芯構(gòu)成，芯的表面 至少部分地覆蓋有金屬層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖，其中所述納米顆粒覆蓋有電介質(zhì)材料層。
9.一種光學器件，包括光纖和泵浦源，所述光纖包括芯部，由基于稀土離子摻雜二氧化硅的材料構(gòu)成，并覆蓋有光學包層； 納米顆粒，至少部分地由金屬構(gòu)成，并且散布在所述芯部的材料內(nèi)；以及泵浦源傳送電磁激勵輻射，電磁激勵輻射傳播到所述芯部中。
10.一種光放大器，包括光纖和泵浦源，所述光纖包括芯部，由基于稀土離子摻雜二氧化硅的材料構(gòu)成，并且覆蓋有光學包 層；納米顆粒，至少部分地由金屬構(gòu)成，并且散布在所述芯部的材料內(nèi)；以及泵浦源傳送電磁激勵輻射，電磁激勵輻射傳播到所述芯部中。
11.一種制造光纖的方法，所述光纖包括芯部，由基于稀土離子摻雜二氧化硅的材料 構(gòu)成并且覆蓋有光學包層；納米顆粒，至少部分地由金屬構(gòu)成并且散布在所述芯部的材料 內(nèi)，所述方法包括以下步驟將稀土離子置于溶液中；將至少部分地由金屬構(gòu)成的納米顆粒懸浮于所述溶液中；將所述納米顆粒結(jié)合到預制棒的芯部材料中；以及從所述預制棒中生產(chǎn)波導。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光波導，具體地是一種包括芯部的光纖，芯部由基于稀土離子摻雜二氧化硅的材料構(gòu)成并且覆蓋有光學包層。將納米顆粒散布在芯部的材料中，至少一部分納米顆粒是金屬納米顆粒。諸如特別是光放大器之類的光學器件包括光纖和泵浦源，光纖包括芯部，由基于稀土離子摻雜二氧化硅的材料構(gòu)成并且覆蓋有光學包層；納米顆粒，散布在芯部的材料中，至少一部分納米顆粒是金屬納米顆粒；以及泵浦源傳送電磁激勵輻射，電磁激勵輻射傳播到芯部中。
文檔編號G02B6/02GK101933200SQ200980103858
公開日2010年12月29日 申請日期2009年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月1日
發(fā)明者克里斯蒂娜·科萊, 克里斯蒂安·西蒙尼奧, 洛朗·加斯卡, 愛卡特里娜·布洛夫, 阿蘭·帕斯圖雷 申請人:阿爾卡特朗訊