專利名稱：摻雜稀土離子的光波導(dǎo)和包括光波導(dǎo)的光學(xué)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(xué)器件中的稀土離子摻雜光波導(dǎo)。另外， 本發(fā)明擴(kuò)展到包括這種波導(dǎo)的光學(xué)器件以及制造該波導(dǎo)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(hào)在波導(dǎo)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(dǎo)，這構(gòu)成 放大介質(zhì)，與光泵浦源和多路復(fù)用器相關(guān)聯(lián)，多路復(fù)用器用于將來(lái)自泵浦源的光流耦合至 波導(dǎo)內(nèi)的信號(hào)。放大器，特別是包括摻鉺Er34光纖(“摻鉺光纖”的縮寫(xiě)EDF)的放大器，當(dāng)前用于 全光傳輸系統(tǒng)中以對(duì)光信號(hào)進(jìn)行本地放大。它們代表了對(duì)復(fù)用信號(hào)進(jìn)行放大的最佳現(xiàn)有解 決方案。為了實(shí)現(xiàn)良好的性能，在設(shè)計(jì)這些放大器時(shí)需要遵從的限制之一是將泵浦波導(dǎo)嚴(yán) 格地限制在良好定義的波長(zhǎng)，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(dǎo)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(yīng)用中(例如，置于相關(guān)接收機(jī)之前的EDFA放大器和單波長(zhǎng))，能夠使用極低成本的源 如發(fā)光二極管(LED)來(lái)發(fā)送泵浦信號(hào)可能是極為有用的，而這對(duì)于已知的摻雜光波導(dǎo)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(huì)使得發(fā)送波長(zhǎng)不同 于上述值980nm或1480nm的泵浦信號(hào)成為可能。成功使用不同波長(zhǎng)的已知方法是利用通過(guò)具有大吸收截面的共摻雜劑進(jìn)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(dǎo)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(lì)在較高的能級(jí)，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(kuò)展泵浦波長(zhǎng)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(gè)缺點(diǎn)。首先，當(dāng)使用鐿/鉺對(duì)來(lái)轉(zhuǎn)移能量時(shí)，不能在整個(gè) C波段(1529nm至1565nm)上進(jìn)行放大，因?yàn)椴ǘ畏糯箝_(kāi)始于1535nm，；此外，這不會(huì)導(dǎo)致泵 浦波長(zhǎng)的實(shí)際改變，因?yàn)橹豢赡茉?15至IOOOnm的范圍中變化。另外，半導(dǎo)體/鉺轉(zhuǎn)移受 到難以將半導(dǎo)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(yīng)泵浦波長(zhǎng)，以便能夠在包括稀 土摻雜波導(dǎo)的器件內(nèi)發(fā)送所需波長(zhǎng)的泵浦信號(hào)。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(zhǎng)不同的波長(zhǎng)來(lái)進(jìn)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(biāo)是一種光波導(dǎo)，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(xué)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(shí)現(xiàn)的一種具體形式，納米顆粒的大小大致小于電磁激勵(lì)輻射即泵浦 信號(hào)的波長(zhǎng)。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(chǎng)所，例如包括鉺的稀土離子；以及光學(xué)包層，用于引導(dǎo)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(guò)適應(yīng)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(qiáng)度、波長(zhǎng)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(jī)制不同于直接YB/Er或半導(dǎo)體/Er轉(zhuǎn)移，耦合的有 效性不會(huì)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?zhǔn)則來(lái)選擇能夠產(chǎn)生與電信波段以及制造光波導(dǎo)有關(guān)的限制相兼 容的SPR的金屬。-金屬熔點(diǎn)必須高于在制造波導(dǎo)期間所應(yīng)用的溫度；-高密度電子對(duì)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(xué)性質(zhì)必須與波導(dǎo)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(gè)實(shí)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^(guò)專門(mén)的光學(xué) 分析檢測(cè)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(jìn)了納米顆粒的散布并且 保護(hù)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(shí)施例，納米顆粒由金屬構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)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(shí)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(biāo)是一種光學(xué)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(xué)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(lì)輻射，電磁激勵(lì)輻射傳播到芯 部中。本發(fā)明的另一目標(biāo)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(xué)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(lì)輻射，電磁激勵(lì)輻射傳播到芯 部中。由于可以使用不同的泵浦波長(zhǎng)，本發(fā)明具有允許生產(chǎn)低成本EDFA放大器的優(yōu)點(diǎn)。 本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于采用這種現(xiàn)象的多價(jià)光纖，從而開(kāi)啟了通往各種應(yīng)用的大門(mén)。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)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(biāo)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(yù)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(yù)制棒生產(chǎn)波導(dǎo)。本發(fā)明對(duì)于需要可用廉價(jià)部件和光網(wǎng)絡(luò)的所有競(jìng)爭(zhēng)者，特別對(duì)于電信應(yīng)用，是有 真正的吸引力的?？紤]到工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用，所提出的方案也可以應(yīng)用于電信之外的其它領(lǐng) 域，例如光纖激光器。


通過(guò)閱讀以下對(duì)作為非限制示例而自然給出的一個(gè)實(shí)施例的描述和附圖，本發(fā)明 的其它特征和優(yōu)點(diǎn)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(gè)實(shí)施例的光學(xué)器件。圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光波導(dǎo)。圖5示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例。圖6示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例。圖7示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式圖1示出了由泵浦激光器發(fā)射的電磁激勵(lì)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(yīng)(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(dāng)鉺離子去激勵(lì)時(shí)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(jí)，基體的主要成分由二氧化硅 構(gòu)成。能級(jí)％5/2表示基本能級(jí)。能級(jí)4Iiv2被細(xì)分為子能級(jí)(圖中未示出)，并且對(duì)應(yīng)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(lì)鉺離子。能級(jí)4Iiv2對(duì)應(yīng)于978nm附近的吸收區(qū)。與能級(jí)4113/2不同，這是近似無(wú)輻射能級(jí)。 使用在978nm附近發(fā)射的傳統(tǒng)泵浦二極管以激勵(lì)鉺離子。對(duì)于1550nm附近的放大，所示出的其他能級(jí)擁有非常低的有效性。例如，能級(jí)4F772 在488nm的波長(zhǎng)處實(shí)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(jí)，以及金屬納米顆粒的共振表面等離子 體(SPR)的示例能級(jí)。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(kuò)展到lOnm。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)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(dǎo)和例如可以是發(fā)光二極管(LED)的泵浦源32。通常，多 路復(fù)用器33與泵浦源32相關(guān)聯(lián)。入射信號(hào)34沿光纖31傳播，并且通過(guò)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(dǎo)是光纖40，該光纖40包括由光學(xué)包層42共軸包圍的至少一個(gè) 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(hù)聚合 物涂層。對(duì)光纖進(jìn)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(gè)實(shí)施例。光纖的生產(chǎn)具體地使用改良化學(xué)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(jiàn)光譜內(nèi)的 等離子體共振在488nm附近，即鉺的吸收帶。可以通過(guò)更改制造參數(shù)改變納米顆粒的大小 來(lái)修改sra波長(zhǎng)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(guò)物理方法在水分散體(aqueous dispersion)中獲得，并且依賴于軟化學(xué) (soft chemistry)。通過(guò)在水中同時(shí)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(shí)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(yù)制棒，最后對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行拉纖以便提 供光纖。與通過(guò)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(guò)十倍，并且因此允許使用低成本光學(xué)泵浦。在圖6所示的實(shí)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(guò)改變金屬層的厚度e和芯的直徑d，可以使sra的波長(zhǎng)適應(yīng)泵浦。當(dāng)直徑d遠(yuǎn)小 于厚度e時(shí)，在金屬層的界面勢(shì)壘63的內(nèi)部和外部之間存在高水平的電磁耦合。對(duì)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(lì)的波長(zhǎng)從可見(jiàn)光波長(zhǎng)顯著地移至紅外波長(zhǎng)。因此將選擇2nm和15nm之間的足夠厚度。物理地或者通過(guò)軟化學(xué)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(guò)軟化學(xué)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(gè)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(guò)浸漬(impregnation)而結(jié)合到預(yù)制棒的芯部材料中。然后通過(guò) 對(duì)預(yù)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(guò)物理方法或通過(guò)軟化學(xué)方式合成金屬芯71，從而生產(chǎn)納米尺度的粉末。然后 通過(guò)物理手段或軟化學(xué)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(gè)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(guò)浸漬而結(jié)合到預(yù)制棒的芯部材料中。然后通過(guò)對(duì)預(yù)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(xué)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(lì)輻射的波長(zhǎng)。
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(xué)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(xué)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(lì)輻射，電磁激勵(lì)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(xué)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(lì)輻射，電磁激勵(lì)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(xué)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(yù)制棒的芯部材料中；以及從所述預(yù)制棒中生產(chǎn)波導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)，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(xué)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(xué)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(xué)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(lì)輻射，電磁激勵(lì)輻射傳播到芯部中。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101933200SQ200980103858
公開(kāi)日2010年12月29日 申請(qǐng)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(ài)卡特里娜·布洛夫, 阿蘭·帕斯圖雷 申請(qǐng)人:阿爾卡特朗訊