專利名稱：在光波導(dǎo)管中使用的包含稀土元素氧化物,氧化鋁和氧化鋯以及攙雜劑的玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在光波導(dǎo)管中使用的稀土元素氧化物和氧化鋁的玻璃。
背景技術(shù)：
光波導(dǎo)管在本領(lǐng)域中是已知的，它用于沿著希望的路徑傳輸光信號。光波導(dǎo)管可以是平面形狀或呈纖維的形式。這些光波導(dǎo)管典型的具有或者是沉積在襯底上的薄膜材料，或者是包層圍繞的芯材料。該材料的形狀和光特性適合形成光信號的波導(dǎo)路徑。一些類型的光波導(dǎo)管還可以對輸入到光波導(dǎo)管中的光波信號放大。通常，波導(dǎo)放大器泵激外相干光源，即激光，以便使電子進入高能帶。一旦進入高能帶，躍遷到低能帶使得經(jīng)過波導(dǎo)的光信號如被放大。
生產(chǎn)小型高功率密度裝置需要可使大量攙雜劑溶解在均勻介質(zhì)中的材料。攙雜劑離子束限制硅玻璃的應(yīng)用，硅玻璃應(yīng)用場合采用低攙雜劑濃度，即，相對大型的裝置。人們希望研制用于光信號處理，光信號放大，以及高功率密度激光應(yīng)用的緊湊裝置，以促進新的光波導(dǎo)材料的發(fā)展，該新材料可支持相比目前使用的玻璃較大的攙雜劑濃度。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供光波導(dǎo)管。光波導(dǎo)管包括襯底和在襯底上的攙雜稀土玻璃，該玻璃包括(a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；(b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；或者(c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％。
另一方面，本發(fā)明提供一種光波導(dǎo)管，該光波導(dǎo)管包含具有芯材料和圍繞芯材料的包層的玻璃纖維，其中芯材料包括攙雜有稀土攙雜劑的玻璃，其中玻璃包括(a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；(b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；或者(c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％。
另一方面，本發(fā)明提供包含光泵源的光放大器，該光泵源提供光泵光和連接以便從光泵源接收所述的光泵光的光波導(dǎo)管，其中所述光波導(dǎo)管包括摻雜有稀土攙雜劑的玻璃，其中玻璃包括(a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；(b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；或者(c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％。
另一方面，本發(fā)明提供在包括摻雜有稀土攙雜劑的玻璃的光波導(dǎo)管中有用的玻璃。其中該玻璃包括(a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；(b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；或者(c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％。
另一方面，本發(fā)明提供放大光信號的方法，其步驟包括(1)向包括攙雜有稀土摻雜劑的玻璃的光波導(dǎo)管輸入光信號，其中玻璃包括(a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；(b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；或者(c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％；以及步驟(2)向所述的光波導(dǎo)管施加泵激光，以便針對所述光波導(dǎo)向光輸入信號提供光增益。


圖1是這里描述的光波導(dǎo)管的一個實施例的橫截面圖。
圖2是這里描述的光波導(dǎo)管的另一個實施例的橫截面圖。
圖3是這里描述的光波導(dǎo)管的另一個實施例的橫截面圖。
圖4是這里描述的光波導(dǎo)管的另一個實施例的橫截面圖。
圖5是這里描述的光波導(dǎo)管的另一個實施例的橫截面圖。
圖6是這里描述的光波導(dǎo)管的另一個實施例的橫截面圖。
圖7是本發(fā)明光波導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)的一個實施例的示意圖。
具體實施例方式
“稀土攙雜劑”指響應(yīng)電子激發(fā)提供光發(fā)射的攙雜劑，且是不同于REO的材料。稀土攙雜劑包括鈰，鐠，釹，钷，釤，銪，釓，鋱，鏑，鈥，鉺，銩，鐿，或它們的其它化合物，和其混合物；“玻璃”是指呈現(xiàn)玻璃轉(zhuǎn)變溫度的非晶形材料；“稀土氧化物”是指氧化鈰(例如，CeO2)，氧化鏑(例如Dy2O3)，氧化鉺(例如Er2O3)，氧化銪(例如Eu2O3)，氧化釓(例如Gd2O3)，氧化鈥(例如Ho2O3)，氧化鑭(例如La2O3)，氧化镥(例如Lu2O3)，氧化釹(例如Nd2O3)，氧化鐠(例如Pr6O11)，氧化釤(例如Sm2O3)，氧化鋱(例如Tb2O3)，氧化釷(例如Th4O7)，氧化銩(例如Tm2O3)，以及氧化鐿(例如Yb2O3)，和其化合物；以及“REO”是指稀土氧化物；“Tg”是指由不同的熱分析確定的玻璃轉(zhuǎn)變溫度。
波導(dǎo)管和放大器依照本發(fā)明的一實施例，圖1是光波導(dǎo)管10的橫截面圖。光波導(dǎo)管10顯示沉積在硅襯底12上，并且包括稀土攙雜層14。稀土攙雜層14夾雜在兩包層之間，即下低折射率層16和上低折射率層18之間。圖1中的光波導(dǎo)管意味著僅是說明性的目的。這里描述的玻璃可以用于任何利用攙雜材料的光波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的光波導(dǎo)管也可以包括如已知的“通道”波導(dǎo)管，“脊形”波導(dǎo)管，“條狀載荷”波導(dǎo)管，和“擴散”或“離子交換”波導(dǎo)管的結(jié)構(gòu)，以及以纖維形式的波導(dǎo)管。圖2-6顯示以100，200，300，400和500表示的波導(dǎo)管的實施例的橫截面視圖。在圖2到圖4中，攙雜稀土玻璃102，202，302，402鄰近沉積于硅襯底104，204，304，404上的下低折射率層。在一些實施例中，上低折射率層206，306與攙雜稀土玻璃202，302接觸。在圖6中，攙雜稀土玻璃芯502被低折射率包層506包圍。本發(fā)明用在光波導(dǎo)管中的有用的低折射率材料的實例包括例如SiO2，SiON，而玻璃(未攙雜的)包括例如氧化鑭，氧化鋁，和/或氧化鋯。一些情況下，希望利用以下描述的未攙雜的玻璃作為光波導(dǎo)管的玻璃。
圖7描述了包含光波導(dǎo)管22典型的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)放大器結(jié)構(gòu)20。光信號經(jīng)由光頻隔離器24和波長分割多路轉(zhuǎn)換(WDM)連接器26輸入到光波導(dǎo)管22內(nèi)。來自光泵源28的光泵信號經(jīng)由WDM連接器26也被輸入到光波導(dǎo)管22內(nèi)。來自光波導(dǎo)管22的放大輸出信號經(jīng)由第二光頻隔離器30輸出。光頻隔離器22，30包括分別從光波導(dǎo)管22和輸出口向輸入口消除消除逆向反射。以上波導(dǎo)放大器的結(jié)構(gòu)僅是說明性的目的。關(guān)于波導(dǎo)放大器的更詳細(xì)信息可在美國專利6,490,081B1中發(fā)現(xiàn)。本發(fā)明的光波導(dǎo)管可以用在采用放大光信號的任何結(jié)構(gòu)中。
玻璃本發(fā)明用在波導(dǎo)管中的玻璃用做稀土攙雜劑的主材料。當(dāng)“稀土攙雜劑”和“REO”都存在于本發(fā)明的玻璃中時，稀土攙雜劑和REO是不同的。
依照本發(fā)明的一些實施例，玻璃包括Al2O3，和REO或Y2O3中的至少其中之一，其中基于玻璃總重，玻璃重量的至少80％(一些實施例中至少85，90，95或甚至100)分別有選擇地包括Al2O3，和REO或Y2O3中的至少其中之一。
依照本發(fā)明的一些實施例，玻璃包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％(一些實施例中至少85，90，95或甚至100)分別有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一。
依照本發(fā)明的一些實施例，玻璃包括Al2O3，和REO或Y2O3中的至少其中之一，其中玻璃重的至少60％(一些實施例中至少65，70，75，80，85，90，95或甚至100)分別有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃分別包括重量不超過20％(在一些實施例中不超過15，10，5，或甚至0)的SiO2，和重量不超過20％(在一些實施例中不超過15，10，5，或甚至0)的B2O3。
依照本發(fā)明的一些實施例，玻璃包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，和ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少60％(一些實施例中至少65，70，75，80，85，90，95或甚至100)分別有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，和ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃分別包括重量不超過20％(在一些實施例中不超過15，10，5，或甚至0)的SiO2，和重量不超過20％(在一些實施例中不超過15，10，5，或甚至0)的B2O3。
依照本發(fā)明的一些實施例，玻璃包括Al2O3，和REO或Y2O3中的至少其中之一，其中玻璃重的至少60％(一些實施例中至少65，70，75，80，85，90，95或甚至100)分別有選擇地包括Al2O3，和REO或Y2O3中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃分別有選擇地包括重量不超過40％(在一些實施例中不超過35，30，25，20，15，10，5，或甚至0)的SiO2，和B2O3。
依照本發(fā)明的一些實施例，玻璃包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，和ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少60％(一些實施例中至少65，70，75，80，85，90，95或甚至100)分別有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，和ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃分別有選擇地包括重量不超過40％(在一些實施例中不超過35，30，25，20，15，10，5，或甚至0)的SiO2，和B2O3。
依照本發(fā)明的一些實施例，玻璃包括基于玻璃總重至少35％(在一些實施例中至少40，45，50，55，60，65，70，75，或甚至75)的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物(例如，Y2O3，REO，MgO，TiO2，Cr2O3，CuO，NiO和Fe2O3)，和可選擇地，并非Al2O3的第二(第三等)不同的金屬氧化物(例如，Y2O3，REO，MgO，TiO2，Cr2O3，CuO，NiO和Fe2O3)，其中Al2O3，第一金屬氧化物，和第二金屬氧化物有選擇地占玻璃重的至少80％(一些實施例中至少85，90，95或甚至100)，其中基于玻璃總重，玻璃分別有選擇地包括不超過20％(一些實施例中不超過15，10，5，4，3，2，1或甚至0)的B2O3，GeO2，SiO2，TeO2和V2O5。
例如通過加熱(包括燃燒)適當(dāng)?shù)慕饘傺趸镌矗员阈纬扇刍?，最好均質(zhì)熔化物，并快速冷卻該，熔化物以便提供非晶形材料，可以制造玻璃和攙雜的玻璃。金屬氧化物源和其它添加劑可以以任何適當(dāng)?shù)男问郊庸?，和由用于制造玻璃的裝備處理。希望的冷卻比率包括10K/S和更高。例如通過以任何合適的爐子(例如感應(yīng)加熱爐，汽燃燒器，或電子爐)來熔化，或通過等離子體熔化金屬氧化物源，這樣可以制造非晶形材料的實施例。最終熔化物是冷卻(例如將熔化物排放進入冷切介質(zhì)(例如高速氣流噴射，液體，金屬板(包括冷卻的金屬板)，金屬卷(包括冷卻的金屬卷)，金屬球(包括冷卻的金屬球)，等類似物))。
另外，其它制造熔化物以及玻璃的技術(shù)包括汽相淬火，熔化提煉，等離子噴涂，氣體或離心噴射。關(guān)于等離子噴涂的其它細(xì)節(jié)，可以參見例如待審的2002年8月2日申請的美國專利申請10/211,640，這里僅供參考。
氣體霧化包括熔化供給微粒，以便其轉(zhuǎn)化并熔化。該熔化物的細(xì)流通過與擊穿的空氣射流(例如射流被分成細(xì)液滴)接觸而霧化。然后回收包括微粒(例如珠)的生成的基本上離散的通常橢圓體形非晶形材料。珠大小的實例包括直徑范圍約5微米至約3mm。如美國專利5605870中所公開的，該文獻在此提出作為參考，實施熔化提煉。例如在美國專利6482758中公開了利用激光束加熱的無模玻璃成形技術(shù)，這對于制造玻璃很有用，該文獻在此提出也作為參考。
玻璃可以利用例如美國專利6,254,981中公開的焰熔技術(shù)制造，該文獻這里公開僅供參考。該方法中，金屬氧化物源材料(例如微粒形式，有時指“原料微?！?被直接送到燃燒器(例如甲烷空氣燃燒器，乙炔氧氣燃燒器，氫氧燃燒器，和類似物)，接著例如在水，冷卻油，空氣等類似物中淬火。原料微?？衫缤ㄟ^研磨，凝聚(例如噴霧干燥)，熔化，或燒結(jié)金屬氧化源成形。進給到火焰中的原料微粒大小通常確定了包含微粒的最終非晶形材料的大小。
玻璃的實施例也可以通過其它技術(shù)獲得，例如用自由降落冷卻的激光旋轉(zhuǎn)熔化技術(shù)，泰勒線技術(shù)，等離子體發(fā)生器技術(shù)，錘砧技術(shù)，離心淬火技術(shù)，氣槍液滴冷卻技術(shù)，單輥和雙輥淬火技術(shù)，滾筒板淬火，和懸垂滴熔化萃取技術(shù)(參見例如Rapid Solidification of Ceramics，Brockway等，玻璃和陶瓷信息中心，1984年1月，哥倫比亞，國防信息分析中心，該文這里提出僅供參考)。玻璃的實施例也可以通過提高其它技術(shù)獲得，例如適當(dāng)前體的熱(包括火焰或激光，或等離子輔助)分解，金屬前體的物理蒸汽合成(PVS)，物理蒸汽沉積，例如濺射，(PVD)，以及機械化學(xué)處理。
冷卻比率相信會影響淬火的非晶形材料的性能。例如，典型的隨著冷卻比率而改變的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，密度，和玻璃的其它性能。
在冷卻期間，快速冷卻也可以在可控氣壓下例如還原，中和，或氧化環(huán)境下進行，以便保持和/或影響希望的氧化狀態(tài)。大氣通過過冷液體影響結(jié)晶運動也可以影響晶態(tài)材料的形成。例如，據(jù)報告與在空氣中相比，在氬氣中未結(jié)晶的Al2O3熔化物更加過冷。
玻璃也可以通過溶膠-凝膠工藝制造。溶膠-凝膠工藝包括形成以分散體，溶膠或者水或有機液體介質(zhì)的溶液形式的前體成分的步驟。這些工藝的細(xì)節(jié)在作者為C.Jeffrey Brinker和George W.Scherer(1990，學(xué)術(shù)出版社)的溶膠-凝膠科學(xué)中可以找到，這里公開的內(nèi)容僅供參考。制造粉末的其它方法是噴射高溫分解包含溶解在揮發(fā)性有機溶劑中的一個或多個乙醇酸鹽多金屬環(huán)氧乙烷的前體；該工藝的詳細(xì)內(nèi)容可以在美國專利5,958,361中找到，這里僅供參考。
Al2O3的來源，包括商業(yè)來源(基于理論上的氧化物)包括鋁土礦(包括天然鋁土礦和合成的鋁土礦)，煅燒鋁土礦，水合氧化鋁(例如軟水鋁石和水鋁礦)，鋁，Bayer處理氧化鋁，鋁礦，伽馬氧化鋁，阿爾法氧化鋁，鋁鹽，硝酸鋁，及其組合物。Al2O3來源可以包含，或僅提供Al2O3，以及一種或更多并非Al2O3的金屬氧化物(包括其材料或包含復(fù)合Al2O3金屬氧化物(例如Dy3Al5O12，Y3Al5O12，CeAl11O18等))。
稀土氧化物的來源，包括商業(yè)來源，包括稀土氧化物粉末，稀土金屬，稀土，包含稀土的礦石(例如氟碳鈰鑭礦(bastnasite)，獨居石)，稀土鹽，稀土硝酸鹽，稀土碳酸鹽。稀土氧化物來源可以包括或僅提供稀土氧化物?？蛇x擇的，稀土氧化物源可以包含或僅提供稀土氧化物，以及一個或多個并非稀土氧化物的金屬氧化物(包括其材料或包含復(fù)合的稀土氧化物或其它金屬氧化物(例如Dy3Al5O12，CeAl11O18等))。
Y2O3的來源，包括商業(yè)來源(基于理論上的氧化物)包括釔氧化物粉末，釔，包含釔的礦，以及釔鹽(例如碳酸釔，硝酸釔，氯化釔，氫氧化釔，及其組合物)。Y2O3來源可以包含或僅提供Y2O3?？蛇x擇的，Y2O3來源可以包含或僅提供Y2O3，以及一個或多個并非Y2O3的金屬氧化物(包括其材料或包含復(fù)合Y2O3金屬氧化物(例如Y3Al5O12))。
ZrO2的來源，包括商業(yè)來源(基于理論上的氧化物)包括氧化鋯粉末，鋯石沙，鋯，包含鋯的礦，以及鋯鹽(例如碳酸鋯，醋酸鋯，硝酸鋯，氯化鋯，氫氧鋯，及其組合物)。另外，或者可選擇地，ZrO2來源可包含或僅提供ZrO2，以及其它金屬氧化物例如二氧化鉿。HfO2的來源，包括商業(yè)來源(基于理論上的氧化物)包括二氧化鉿粉末，鉿，包含鉿的礦，以及鉿鹽。另外，或者可選擇的，HfO2來源可以包含或提供HfO2，以及其它金屬氧化物，例如ZrO2。
基于理論上的氧化物，其它有用的金屬氧化物也可包括BaO，CaO，Cr2O3，CoO，F(xiàn)e2O3，GeO2，Li2O，MgO，MnO，NiO，Na2O，Se2O3，SiO2，SnO2，SrO，TiO2，ZnO，及其組合物。其來源，包括商業(yè)來源，包括氧化物自身，合成氧化物，礦，碳酸鹽，醋酸鹽，硝酸鹽，氯化鹽和氫氧化鹽等。這些金屬氧化物添加，以改變最終玻璃的物理特性和或改進其工藝。根據(jù)所希望的特性，這些金屬氧化物典型的添加玻璃重量的重量百分比從0到50％，在一些實施例中典型的從0到25％，更優(yōu)選的添加從0到20％。
制造波導(dǎo)管的方法本發(fā)明的波導(dǎo)管可以通過本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員已知的通常制造裝置的方法制造。例如，通道波導(dǎo)管(如圖2)通過在低指數(shù)包層上沉積攙雜的玻璃層，隨后進行標(biāo)準(zhǔn)或照相平版印刷術(shù)，以便限定成線來制造。通常平版印刷術(shù)后伴隨的是沉積低指數(shù)頂包層。除了攙雜的玻璃層未全部深腐蝕外，脊形波導(dǎo)管(如圖3)類似于通道波導(dǎo)管。條狀載荷波導(dǎo)管(如圖4)可通過在攙雜的玻璃平面層上設(shè)置低指數(shù)包層條來制造。擴散波導(dǎo)管(如圖5)可以通過攙雜玻璃不擴散到低指數(shù)襯底內(nèi)來制造。通過本領(lǐng)域已知的方法，例如濺射隨后照相平版印刷，以便限定成線或脊形，攙雜的玻璃可以沉積在低指數(shù)層或包層上?？蛇x擇的，通過本領(lǐng)域已知的方法例如濺射，然后攙雜的玻璃層可由低指數(shù)層覆蓋(如圖6)，攙雜玻璃可以沉積在低指數(shù)層或包層上。這里描述的作為纖維的芯的采用攙雜玻璃的玻璃纖維可以通過公知方法制造，它們例如在“Rare earth doped fiber lasers and amplifiers”，Ed，M，J，F(xiàn)，Digonet 1993，Marcel Dekker，Inc，和美國專利號6,484,539B1和6,490,081,B1中描述。
本發(fā)明的優(yōu)點和實施例進一步通過以下實例描述，然而這些實例敘述的特殊材料和數(shù)量以及其它條件和細(xì)節(jié)不應(yīng)限制本發(fā)明，除非特殊說明，所有部件和百分比都按重量計。
實例對比實例A-E和實例1-18聚乙烯瓶裝100克表1所示的成分。約400克的氧化鋯研磨介質(zhì)(由Toshoh Ceramics，Division of Bound，Brook，Nj獲得，商業(yè)標(biāo)記為”YTZ”)與100毫升蒸餾和去離子水一起被添加到瓶中。該混合物以120rpm的速度研磨24小時。使用原料的來源在表2中列出?？紤]到約43％重量百分比的氧化物含量，鉺來源引入作為Er(NO3)·5H2O(由Aldrich Chemical Company，Milwaukee，WI獲得)。研磨后，研磨介質(zhì)移走，漿被灌入用熱槍干燥的玻璃(“PYREX”)盤中。在火焰中熔化前，在電熱爐(由Keith Funaces of Pico Rivera，CA，以商業(yè)標(biāo)記“ModelKKSK-666-3100”獲得)的空氣中，干燥的微粒在1300℃煅燒一小時。除了開始的成分在Szwgvarii磨碎機(Union Process，Akron，OH)研磨成65-70％的重量比的含水漿之外，實例1和2在制造程序上類似于對比實例A。在50％功率下研磨2小時。實例15是在珠形成后，在990℃的空氣中退火1小時。
用研缽和碾槌研磨后，一些多相微粒被送進氫氧噴燈火焰中。氫噴燈用于熔化多相微粒，因此產(chǎn)生熔化的玻璃珠，該氫噴燈是Bethlehem爐組(由Bethlehem，Apparatus Co.Hellertown PA獲得，型號為PM2D型B)。對于內(nèi)環(huán)，氫流率是每分8標(biāo)準(zhǔn)公升(SLPM)，氧流率是3SLPM。對于外環(huán)，氫流率是23SLPM，氧流率是9.8SLPM。干燥和確定尺寸的微粒被直接送進氫噴燈火焰中，在此它們?nèi)刍⑶逸斔偷絻A斜的不銹鋼表面(45°斜角，接近20寸寬)，且冷水經(jīng)過(約2毫升/分)。
最終的熔化和淬火微粒被收集到盤中，并在110°下干燥。該微粒是球形，并且尺寸大小從幾十微米到250微米，而且，微粒被分級，以便保持-140+230.篩分粒度級(美國標(biāo)準(zhǔn)測試篩)。
實例8如下通過電弧熔化制造少量的干燥粉末在電弧放電爐(來自Nashua，NH的Centorr Vacuum Industries，型號為5T/A 39420)中熔化。約1克的干燥粉末放置在位于爐腔內(nèi)的研磨銅盤上。爐腔被排空，接著用氬氣以2psi(13.8kPa)的氣壓回填。電弧在電極和盤之間放電。電弧放電產(chǎn)生的溫度足夠高，以便快速熔化煅燒的薄片。熔化完成后，該材料保持在熔化狀態(tài)約10秒，以便使熔化均勻。最終的熔化物通過切斷電弧，并允許熔化物自身冷卻，以便快速冷卻。快速冷卻通過小質(zhì)量試樣和水冷卻銅盤的較大的散熱能力得以保證。在爐能關(guān)閉后，熔融材料一分鐘內(nèi)從爐中去除。估計在水冷卻銅盤表面上，熔化物的冷卻比率高于100℃/sec。熔融材料是透明玻璃珠(珠的最大直徑測得是2.8mm)的形式。
表1珠的初始配方


aEr引入作為Er(NO3)3·5H2O。Er203產(chǎn)量是重量百分比43％的Er(NO3)3·5H2O。
bErF3用作鉺來源。
表2原料來源

光致發(fā)光光致發(fā)光數(shù)據(jù)利用纖維泵吸/收集方案獲得。被測試成分的珠懸掛在安裝于x-y-z轉(zhuǎn)換器上的第一光纖端上。轉(zhuǎn)換器用于將珠定位在水平朝向的第二光纖分開端附近，其軸垂直于第一光纖的軸。接近980nm波長的泵激光發(fā)射光與第二光纖的其它端經(jīng)由波長分割多路轉(zhuǎn)換器(WDM)連接。泵光離開第二光纖的分開端，然后沖擊珠。通過珠發(fā)出的熒光通過第二光纖收集，并且導(dǎo)向WDM。在WDM，1450-1700nm波長范圍內(nèi)的光導(dǎo)向光譜分析儀(OSA)，以供測量。在光顯微鏡下觀察安裝和初始對準(zhǔn)操作，并且為獲得最大熒光(在OSA上監(jiān)測)，優(yōu)化珠位置。記錄在OSA上的熒光數(shù)據(jù)用于分析峰值波長，以及通過半最大值全寬度(FWHM)測量寬度峰值。熒光數(shù)據(jù)來自類似成分的三個珠的平均值。
激發(fā)態(tài)時間通過分析放射衰變的曲線確定。來自WDM的1450-1700nm的光導(dǎo)向與數(shù)字示波器連接的快速光電二級管。外部信號產(chǎn)生器以約10赫茲的重復(fù)頻率驅(qū)動泵激光，該泵激光具有25毫秒持續(xù)時間的矩形脈沖。在示波器上進行10到128次測量求平均值后，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)移到電腦分析。報告壽命是l/e壽命，它定義為從泵脈沖端到熒光信號減到峰值的36.8％(l/e)時的時間。給定的壽命值是從類似成分的三個珠的平均值。
表3顯示所有試樣的的電致發(fā)光數(shù)據(jù)。Lpeak是珠的發(fā)射能量的峰波長(nm)，F(xiàn)WHM是峰的半最大值全寬度，壽命是分析放射衰變曲線確定的激發(fā)態(tài)時間。
表3攙雜鉺的珠的電致發(fā)光數(shù)據(jù)


實例19波導(dǎo)放大器聚氨酯襯里的瓶裝有267.6克的La2O3，207.78克的Al2O3，118.56克的ZrO2，以及13.92克的Er(NO3).5H2O。(使用的原料的來源列在表2中)。約1000克的氧化鋯研磨介質(zhì)(由Tosoh Ceramics，Division ofBound，Brook，Nj獲得，商業(yè)標(biāo)記為”YTZ”)與600毫升蒸餾和去離子水一起被添加到瓶中。該混合物以120rpm的速度研磨24小時。研磨后，研磨介質(zhì)移走，漿被灌入用熱槍干燥的玻璃(“PYREX”)盤中。在火焰中熔化前，在電熱爐(由Keith Funaces of Pico Rivera，CA，以商業(yè)標(biāo)記“Model KKSK-666-3100”獲得)的空氣中，干燥的微粒在1300℃煅燒一小時。
實例19的球形微粒的制備與實例1-18中所述相同。
RF濺射耙通過在不銹鋼襯背上等離子噴涂球形微粒(由PrecisionCoatings，Inc.，St.Paul，MN獲得的等離子噴涂服務(wù))來制造，該濺射耙經(jīng)加工后安裝在Sputtered Films，Inc.Research S-Gun，渦輪泵濺射系統(tǒng)中。等離子噴涂生產(chǎn)耙材料膜，該膜具有光顯微鏡確定的約1.1mm的厚度。
RF濺射腔具有行星結(jié)構(gòu)，它允許在同一爐中至多涂敷六個片。13.56MHz RF能源輸出給予功率分配器，該功率分配器將功率在靶和行星系統(tǒng)之間進行分配，以允許基片偏置。兩個電極具有專用的RF加工網(wǎng)絡(luò)。等離子噴涂靶材料在850瓦的靶功率和0.23Pa(1.7m Torr)壓力下涂鍍。分別在25標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分(sccm)和5sccm的流率下，氬氣和氧氣用作濺射氣體。在約40瓦的功率下，行星系統(tǒng)受偏壓，以幫助沉積膜增稠。
0.9微米厚耙材料膜被濺射到帶圖案的3英寸直徑硅片上。該硅片具有利用RECVD工藝直接沉積在硅表面上的8微米厚的SiO2包層。正性光致抗蝕劑(Shipley S1818，由Shipley Company，Marlborough，MA獲得)在SiO2包層的頂部上形成圖案。該圖案具有從2到100微米的不同寬度范圍的波導(dǎo)脊的負(fù)圖像。在實例19材料沉積后，通過在加緩沖液的氫氟酸中(1∶6HF∶NH4F)濕蝕刻6.5分鐘，以便促進光致抗蝕劑離開，0.4毫米的下凹陷在暴露的SiO2包層中形成。
沉積后，在約50℃，片浸泡在包含光致抗蝕去除劑(Shipley 1165)的超聲波清洗槽中。光致抗蝕劑離開直接位于頂部的含片靶材料，因此留下攙雜玻璃的波導(dǎo)管脊，在此，在沉積前，光致抗蝕劑圖案已離開通道。
權(quán)利要求
1.一種光波導(dǎo)管，包括襯底；以及在襯底表面上的攙雜稀土攙雜劑的玻璃，其中玻璃包括(a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；(b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；(c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％。
2.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)管，其特征在于稀土攙雜劑從由鈰，鐠，釹，钷，釤，銪，釓，鋱，鏑，鈥，鉺，銩，鐿，或其化合物和混合物構(gòu)成的組中選擇。
3.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)管，其特征在于稀土攙雜劑包括鉺。
4.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)管，其特征在于REO包括La2O3。
5.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)管，其特征在于第一金屬氧化物從由BaO，CaO，Cr2O3，CoO，F(xiàn)e2O3，GeO2，Li2O，MgO，MnO，NiO，Na2O，Sc2O3，SrO，TiO2，ZnO及其組合物組成的一個組中選擇。
6.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)管，其特征在于襯底包括硅或SiO2。
7.一種光波導(dǎo)管，包括玻璃纖維，該玻璃纖維具有芯材料和圍繞芯材料的包層，其中芯材料包括攙雜有稀土攙雜劑的玻璃，其中玻璃包括(a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；(b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；或(c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％。
8.如權(quán)利要求7所述的光波導(dǎo)管，其特征在于稀土攙雜劑從由鈰，鐠，釹，钷，釤，銪，釓，鋱，鏑，鈥，鉺，銩，鐿，或其化合物和混合物構(gòu)成的組中選擇。
9.如權(quán)利要求7所述的光波導(dǎo)管，其特征在于稀土攙雜劑包括鉺。
10.如權(quán)利要求7所述的光波導(dǎo)管，其特征在于REO包括La2O3。
11.如權(quán)利要求7所述的光波導(dǎo)管，其特征在于第一金屬氧化物從由BaO，CaO，Cr2O3，CoO，F(xiàn)e2O3，GeO2，Li2O，MgO，MnO，NiO，Na2O，Sc2O3，SiO2，SnO2，SrO，TiO2，ZnO及其組合物組成的一個組中選擇。
12.如權(quán)利要求7所述的光波導(dǎo)管，其特征在于包層包括SiO2。
13.一種光放大器，包括提供光泵光的光泵源；以及光波導(dǎo)管，該光波導(dǎo)管被連接以便接收所述來自光泵源的光泵光，其中所述光波導(dǎo)管包括攙雜稀土攙雜劑的玻璃，其中玻璃包括a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；或c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％。
14.如權(quán)利要求13所述的光放大器，其特征在于稀土攙雜劑從由鈰，鐠，釹，钷，釤，銪，釓，鋱，鏑，鈥，鉺，銩，鐿，或其化合物和混合物構(gòu)成的組中選擇。
15.如權(quán)利要求13所述的光波導(dǎo)管，其特征在于稀土攙雜劑包括鉺。
16.如權(quán)利要求13所述的光波導(dǎo)管，其特征在于REO包括La2O3。
17.如權(quán)利要求13所述的光波導(dǎo)管，其特征在于第一金屬氧化物從由BaO，CaO，Cr2O3，CoO，F(xiàn)e2O3，GeO2，Li2O，MgO，MnO，NiO，Na2O，Sc2O3，SrO，TiO2，ZnO及其組合物組成的一個組中選擇。
18.一種用于光波導(dǎo)管中的玻璃，該光波導(dǎo)管包括攙雜稀土攙雜劑的玻璃，其中玻璃包括(a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；(b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；或(c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％。
19.如權(quán)利要求18所述的玻璃，其特征在于稀土攙雜劑從由鈰，鐠，釹，钷，釤，銪，釓，鋱，鏑，鈥，鉺，銩，鐿，或其化合物和混合物構(gòu)成的組中選擇。
20.如權(quán)利要求18所述的玻璃，其特征在于稀土攙雜劑包括鉺。
21.如權(quán)利要求18所述的玻璃，其特征在于REO包括La2O3。
22.如權(quán)利要求17所述的玻璃，其特征在于第一金屬氧化物從由BaO，CaO，Cr2O3，CoO，F(xiàn)e2O3，GeO2，Li2O，MgO，MnO，NiO，Na2O，Sc2O3，SiO2，SnO2，SrO，TiO2，ZnO及其組合物組成的一個組中選擇。
23.如權(quán)利要求18所述的玻璃，其特征在于玻璃包括a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；和c)并非Al2O3，REO，ZrO2或HfO2的金屬氧化物。
24.如權(quán)利要求23所述的玻璃，其特征在于其它金屬氧化物包括TiO2。
25.一種放大光信號的方法，包括如下的步驟(1)向包含攙雜稀土攙雜劑的玻璃的光波導(dǎo)管輸入光信號，其中玻璃包括(a)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中基于玻璃的總重量，玻璃重的至少80％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一；(b)Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，其中玻璃重的至少70％有選擇地包括Al2O3，REO或Y2O3中的至少其中之一，以及ZrO2或HfO2中的至少其中之一，并且基于玻璃總重，玻璃包括重量不超過20％的SiO2，和重量不超過20％的B2O3；或(c)基于玻璃總重，重量至少占40％的Al2O3，和并非Al2O3的第一金屬氧化物，其中Al2O3和第一金屬氧化物有選擇地占玻璃總重的至少80％；和(2)向所述光波導(dǎo)管施加泵光，以便使所述波導(dǎo)管向光輸入信號提供光增益。
26.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)管，其特征在于襯底是下低折射率層，還包括上低折射率層。
全文摘要
本發(fā)明提供光波導(dǎo)管。該光波導(dǎo)管包括在襯底的表面上的攙雜有稀土攙雜劑的玻璃，該玻璃包括(a)Al
文檔編號C03C3/12GK1781223SQ200480011275
公開日2006年5月31日 申請日期2004年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月28日
發(fā)明者馬克·T·安德森, 肯頓·D·巴德, 阿納托利·Z·羅森夫蘭茨, 克雷格·R·沙爾特 申請人:3M創(chuàng)新有限公司