專利名稱：具有光放大特性的Ge－Ga－S－基玻璃組合物及其用于光通信的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光操作的玻璃組合物，特別涉及一種包含進行光放大和發(fā)光操作的活性物質(zhì)的Ge-Ga-S-基玻璃組合物以及一種使用該Ge-Ga-S-基玻璃組合物進行光通信的裝置。
對于象用于光纖通信的單波長激光振蕩器這樣的用作光源的光學(xué)器件材料，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出超級發(fā)光源以及光放大器。但是，現(xiàn)在還沒有成功地開發(fā)出適于放大石英玻璃的楊氏色散波段的1.31μm波長信號的光纖。
在對用于放大1.3μm波長信號的光纖的生產(chǎn)中，以兩種稀土元素作為活性物質(zhì)。即，在光纖中采用在玻璃基質(zhì)中摻雜釹(Nd)和鐠(Pr)的玻璃組合物作為材料。該稀土元素是以離子形式(如Nd3+或Pr3+)在玻璃基質(zhì)(如石英玻璃)中摻雜的。在下文中，未摻雜活性物質(zhì)的玻璃稱為玻璃基質(zhì)。而且，玻璃組合物表示摻雜活性物質(zhì)的玻璃基質(zhì)。
但是，當(dāng)Pr3+離子受激并發(fā)光時，在玻璃組合物中的Pr3+的能量可以被玻璃基質(zhì)(例如石英玻璃基質(zhì))的晶格振動所弛豫。由于當(dāng)弛豫現(xiàn)象產(chǎn)生的機率變大時，光放大的效率降低。所以要求采用具有較低晶格振動能量的材料以降低弛豫的機率。
可以用由富含硫的由鍺、鎵、硫組成的三組分系統(tǒng)玻璃作為具有較低晶格振動能量的玻璃基質(zhì)。上述玻璃基質(zhì)被公開于美國專利第5,379,149號。但是，該玻璃基質(zhì)光學(xué)增益分布的中值位于1330nm波長處。因此，在要用于作為光纖通信的波段的1310nm波段處的光學(xué)增益較低。相應(yīng)地，光放大的效率極明顯地降低。
光學(xué)增益分布的中心波長由作為Pr3+離子的受激態(tài)的1G4態(tài)與作為亞穩(wěn)態(tài)的3H5態(tài)之間的能量差所決定。該能量差在硫化玻璃基質(zhì)中比在硅化玻璃基質(zhì)中小。因此，在硫化玻璃基質(zhì)中，光學(xué)增益分布的中心波長接近于用于光纖通信波段的波長1310nm。
本發(fā)明目的是提供一種Ge-Ga-S-基玻璃組合物，通過采用這種Ge-Ga-S-基玻璃組合物可以把所放大光的中心波長移到1310nm波長帶寬處，從而可以增加光放大的效率。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于光纖通信的裝置，通過該裝置可以采用上述玻璃組合物增加光放大的效率。
相應(yīng)地，為了實現(xiàn)第一個目的，在此提供一種玻璃組合物，其中包括一玻璃基質(zhì)、一種添加到該玻璃基質(zhì)中用于進行發(fā)光和光放大操作的活性物質(zhì)以及一種添加到該玻璃基質(zhì)中并改變光放大增益分布的過渡金屬離子。
該玻璃基質(zhì)為Ge-Ga-S-基玻璃。該活性物質(zhì)為鑭系稀土離子。該鑭系稀土離子為Pr3+離子。最好該過渡金屬離子不具有能夠吸收1310nm波段的能級。并且如果該躍遷金屬不具有能夠吸收1017nm波段的能級則更好。該過渡金屬離子為Pd4+離子、Ag+離子或Cu+離子。包含于金屬基質(zhì)中的過渡金屬離子的濃度為從0.01mol％到0.2mol％。
為了實現(xiàn)第二個目的，在此提供一種用于光通信的裝置，其中包括用于產(chǎn)生光信號和光泵激并它們提供到光纖中的裝置，以及用于防止從光纖中放射出來的光被反射回光纖中的裝置。其中該光纖包括一玻璃基質(zhì)、一種添加到該玻璃基質(zhì)中用于進行發(fā)光和光放大操作的活性物質(zhì)以及一種添加到該玻璃基質(zhì)中并改變光放大增益分布的過渡金屬離子。
該玻璃基質(zhì)為為Ge-Ga-S-基玻璃。該活性物質(zhì)為鑭系稀土離子。該鑭系稀土離子為Pr3+離子。最好該過渡金屬離子不具有能夠吸收1310nm波段的能級。并且如果該躍遷金屬不具有能夠吸收1017nm波段的能級更好。該過渡金屬離子為Pd4+離子、Ag+離子或Cu+離子。包含于金屬基質(zhì)中的過渡金屬離子的濃度為從0.01mol％到0.2mol％。
用于產(chǎn)生光信號和光泵激并它們提供到光纖中的裝置包括用于產(chǎn)生光信號和光泵激的子裝置，以及用于把耦合光信號和光泵激的耦合器。該用于防止光被反射回光纖中的裝置包括一個法拉弟隔離器。
根據(jù)本發(fā)明，有可能增加在1310nm波段的光增益截面積，并能提高在1310nn波段處光放大效率。
下面結(jié)合附圖對最佳實施例進行具體說明可使本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點將變得更加清楚。


圖1為Pr3+離子的能級示意圖；圖2為具有不同的過渡金屬離子的玻璃組合物的對應(yīng)于各波長的受激發(fā)射的截面積的坐標圖；圖3為具有不同的過渡金屬離子的玻璃組合物的對應(yīng)于各波長的受激態(tài)吸收的截面積的坐標圖；圖4為具有不同的過渡金屬離子的玻璃組合物的對應(yīng)于各波長的光增益的截面積的坐標圖；圖5為采用根據(jù)本發(fā)明的玻璃組合物作為光纖的光放大器。
在下文中，參照附圖具體說明本發(fā)明實施例。但是，本發(fā)明不限這些實施例，對于本領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)技術(shù)人員來說還可以在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)作出各種改動但都屬于本發(fā)明的保護范圍。相同的附圖標記表示相同的元素。
根據(jù)本發(fā)明的具有發(fā)光和光放大特性的玻璃組合物包括一玻璃基質(zhì)、一種添加到該玻璃基質(zhì)中用于進行發(fā)光和光放大操作的活性物質(zhì)，以及一種添加到該玻璃基質(zhì)中并且其濃度為從0.01mol％到0.2mol％的過渡金屬離子。該玻璃基質(zhì)為Ge-Ga-S-基玻璃。該活性物質(zhì)為稀土離子，最好為鑭系稀土離子(即，在元素周期表中從Ce3+離子到Y(jié)b3+離子)。最好采用具有較大半徑的Pr3+離子，其躍遷金屬的附加效果更加明顯?？梢杂肞d4+離子和Ag+離子作為過渡金屬離子。最好采用Cu+離子作為過渡金屬離子。
如圖1所示，當(dāng)波長約為1310nm的光信號或波長約為1017nm的光泵激被射入包含Pr3+離子的Ge-Ga-S-基玻璃組合物中時，Pr3+離子中的電子被從3H4態(tài)激發(fā)到1G4態(tài)。波長約1310nm的光由從激發(fā)態(tài)1G4到低能態(tài)3H5之間的電子躍遷產(chǎn)生。
但是，由于摻雜有Pr3+離子的玻璃基質(zhì)(即，Ge-Ga-S-基玻璃基質(zhì))的晶格振動和對從受激1G4態(tài)到更高的1D2態(tài)的受激態(tài)的吸收會產(chǎn)生晶格振動弛豫現(xiàn)象。為了采用包含Pr3+離子的Ge-Ga-S-基玻璃組合物，要求具有更高的光放大效率。
在本實施例中提供下述用于增加光放大效率的方法。即，通過在1G4態(tài)和3H5態(tài)之間的躍遷產(chǎn)生的波長的光增益分布的中值被移到1310nm波長處。通過添加過渡金屬離子而使得光增益分布的中值移到1310nm波長處。
具體來說，Pr3+離子的電子軌道4f2的波函數(shù)集中于Pr3+離子的中央。并且，參與把Pr3+離子與配合基相結(jié)合的波函數(shù)主要分布在Pr3+離子的外層。因此，中央4f2軌道電子和成對電子被Pr3+離子的另一個閉合軌道的離子所屏蔽。因此，即使摻雜有Pr3+離子的玻璃基質(zhì)的化學(xué)結(jié)合特性改變，它幾乎不影響該Pr3+離子的波函數(shù)和4f2軌道電子的能態(tài)。即，如果在玻璃中添加堿或堿土金屬離子(如Na+離子或Ca+離子)以作為玻璃的網(wǎng)狀調(diào)節(jié)劑，它幾乎不影響Pr3+離子的4f2軌道電子的能態(tài)。
但是，在本實施例中在玻璃基質(zhì)內(nèi)添加具有3dn或4dn的過渡金屬離子。這時，3dn或4dn軌道電子的波函數(shù)大多延伸到該躍金屬的外層。因此，該過渡金屬離子能夠明顯的影響該Pr3+離子的4f2軌道電子。例如，由于過渡金屬離子與Pr3+離子之間的相互作用，Pr3+離子的4f2軌道電子之間的斥力增加。并且，Pr3+離子與配合基之間的部分共價鍵減少。因此，Pr3+離子的受激態(tài)1G4與亞穩(wěn)態(tài)3H5之間的能級差增加。
添加到摻雜有稀土離子的玻璃基質(zhì)(例如Ge-Ga-S-基玻璃基質(zhì))中的過渡金屬離子的量不大于其固體溶度。當(dāng)所添加的過渡金屬離子的量不小于包含于該基質(zhì)中的過渡金屬離子的固體溶度時所包含的過渡金屬離子可能沉淀細晶體。所沉淀的細晶體使光信號分散，從而增加光損耗。因此，所添加的過渡金屬離子的量被控制為小于該玻璃基質(zhì)的固溶極限。
另外，最好不用具有能夠吸收用于光通信的光放大裝置的1310nm波長的波段的能態(tài)的過渡金屬離子，因為它與本實施例的目的無關(guān)。另外，最好也采用能夠吸收光泵激(即，波長為1017nm波段)的過渡金屬離子。
Cu+離子、鈀離子(Pd4+)、以及Ag+離子可以用作本發(fā)明的過渡金屬離子，它們符合上述條件。最好，添加Cu+離子。此時，可以把達到固溶極限的Cu+離子添加到摻雜有稀土離子(例如Pr3+離子)的Ge-Ga-S-基玻璃基質(zhì)中。例如，把Cu+離子添加到玻璃基質(zhì)中使其濃度約為0.2mol％。所添加的過渡金屬離子(例如Cu+離子)增加受激態(tài)1G4和亞穩(wěn)態(tài)3H5之間的能級差。相應(yīng)地，由躍遷放大的光的光增益分布被改變。即，光增益分布的中值被移到1310nm波段。相應(yīng)地，有可能增加在1310nm波段處的光放大效率。
在下文中，參照下述實驗示例具體說明本發(fā)明的玻璃基質(zhì)的上述光放大效率。
具體來說，通過如下方法對本發(fā)明的玻璃組合物的光學(xué)特性進行檢測和分析。另外，本發(fā)明的玻璃組合物是按如下方法形成的，并檢測其光學(xué)特性。但是，下述方法并不是形成本發(fā)明的玻璃組合物的唯一方法，也可以用普通的玻璃制造技術(shù)進行制造。
在本實驗示例里中采用摻雜有活性物質(zhì)的Ge-Ga-S-基玻璃基質(zhì)。例如，采用具有優(yōu)良的透明特性和化學(xué)穩(wěn)定性的玻璃基質(zhì)Ge25Ga5S70作為Ge-Ga-S-基玻璃基質(zhì)。盡管可以用任何稀土離子作為活性物質(zhì)，但是，在要移動波段的代表性離子中采用Pr3+離子作為活性物質(zhì)。此時，Pr3+離子可以添加到濃度約為20mol％。但是，對于光纖通信裝置來說添加濃度約為0.1mol％的Pr3+離子比較合適。
可也有將過渡金屬離子與稀土離子一同添加到玻璃基質(zhì)中，例如，可以把Cu+離子添加到玻璃基質(zhì)的固溶極限。但是，所添加的Cu+離子約為0.2mol％。此時，把分別添加0.05mol％、0.10mol％以及0.15mol％的Cu+離子的三種玻璃組合物的樣品的光學(xué)特性與只添加0.1mol％的Pr3+離子的玻璃組合物的光學(xué)特性進行比較。
在圖2、3和4中，帶有■標志的曲線表示把0.1mol％的Pr3+離子添加到Ge25Ga5S70玻璃基質(zhì)中的情況。帶有●標志的曲線表示把0.1mol％的Pr3+離子和0.05mol％Cu+離子添加玻璃基質(zhì)中的情況。帶有▲標志的曲線表示把0.1mol％的Pr3+離子和0.1mol％Cu+離子添加玻璃基質(zhì)中的情況。帶有標志的曲線表示把0.1mol％的Pr3+離子和0.15mol％Cu+離子添加玻璃基質(zhì)中的情況。
圖2表示按照各玻璃基質(zhì)組合物的波長測量受激發(fā)射的截面積的檢測結(jié)果。請求意從圖2的結(jié)果中可看出，受激發(fā)射的截面積分布的中心波長隨著Cu+量的增加而減小。因此，隨著受激發(fā)射載面區(qū)域中心波長的減小，有可能在1310nm波段增加受激發(fā)射的截面積。
圖3表示按照各玻璃基質(zhì)組合物的波長測量受激態(tài)吸收的截面積的檢測結(jié)果。從圖3可知，盡管Cu+添加量增加，受激態(tài)吸收的截面積的分布的中心波長幾乎沒有移動。因此，可以得到如下結(jié)論，由于添加過渡金屬離子(即，Cu+離子)受激態(tài)吸收沒有產(chǎn)生。即，這意味著，過渡金屬離子沒有增加非輻射性躍遷。
圖4表示按照各玻璃基質(zhì)組合物的波長計算光增益截面積的計算結(jié)果。從圖2和圖3的結(jié)果可以獲得光增益截面積的波長分布。即，該光增益截面積可以通過計算如圖2所示的受激發(fā)射截面積與受激態(tài)吸收截面積之間的差而求得。從圖4的結(jié)果可知，隨著Cu+的量增加，對應(yīng)于光增益截面積的最大值的波長從1330nm波段移到1325nm波段。特別地，在被用作光通信波段的1310波段處的光增益截面積如表1中所示。表1對應(yīng)于Cu+離子添加量的1310nm波段處的光增益截面積。
如圖4和表1所示，在被用作光通信波段的1310波段處的各光增益截面積隨著Cu+離子添加量的增加而增加。特別地，當(dāng)添加0.15mol％的Cu+離子時，與不添加Cu+離子的情況相比在1310nm波段處的光增益截面積約增加25％。
從上述結(jié)果可知，在由Ge-Ga-S-基玻璃基質(zhì)、過渡金屬離子(例如，Cu+離子)和活性物質(zhì)(如稀土離子)組成的玻璃組合物中，對應(yīng)于光增益分布的中值的波段可被移到1325nm波段附近，而不會有入射光信號的光傳輸損耗。因此，有可能增加在1310nm波段處的光增益截面積并能有效提高在1310nm波段處的光放大效率。
圖5為采用根據(jù)本發(fā)明的玻璃組合物的光放大裝置示意圖。
在下文中，具體說明用于光放大的光放大器作為運用本發(fā)明的玻璃組合物制成光學(xué)裝置的一個實施例。但是，本發(fā)明不限于此。因此，根據(jù)本發(fā)明的玻璃組合物可以運用于如激光振蕩器和發(fā)光裝置這樣的光源。
具體來說，在根據(jù)本發(fā)明的光放大器中，裝置500、510、和520用于產(chǎn)生光泵激和光信號并向光纖530中提供這些光，光纖530由根據(jù)本發(fā)明的玻璃組合物構(gòu)成，裝置540用于防止從光纖530中發(fā)出的光被反射回光纖530中。
此時，從信號源500提供的光信號和從激光源510提供的光泵激(例如，具有波長約為1017nm波段的光泵激)被合并耦合于色散耦合器520中。所合并及耦合的光被提供到光纖530中。此時，一些在色散耦合器520中合并及耦合的光被分配給監(jiān)測光的監(jiān)測器535，這樣可以檢測光通量。約90％的剩余光被射入光纖530中。并且，法拉弟隔離器被用作防止從光纖530射出的光被反射回光纖530中的裝置540。傳輸?shù)焦饫w530和法拉弟隔離器540的光550在1310nm波段內(nèi)。
根據(jù)上述本發(fā)明，通過把過渡金屬離子(如Cu+離子)添加到已添加活性物質(zhì)(如稀土離子)的Ge-Ga-S-基玻璃組合物中，有可能增加在1310nm波段處的光增益截面積。因此，有可能有效提高在用于光通信的1310nm波段處的光放大效率。
本發(fā)明不僅限于上述實施例，應(yīng)當(dāng)知道對于本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說還可以在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)作出各種變化，但都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種玻璃組合物，其特征在于，其中包括一種玻璃基質(zhì)；一種添加到該玻璃基質(zhì)中用來進行發(fā)光和光放大操作的活性物質(zhì)；以及一種添加到玻璃基質(zhì)中并改變光放大增益的分布的過渡金屬離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其特征在于，所述玻璃基質(zhì)為Ge-Ga-S-基玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其特征在于，所述活性物質(zhì)為稀土離子。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的玻璃組合物，其特征在于，所述稀土離子為Pr3+離子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其特征在于，所述過渡金屬離子不具有吸收1310nm波段的能級。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的玻璃組合物，其特征在于，所述過渡金屬離子不具有吸收1017nm波段的能級。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其特征在于，所述過渡金屬離子為Pd4+離子、Ag+或Cu+離子。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃組合物，其特征在于，所述過渡金屬離子在玻璃基質(zhì)中的含量為0.01mol％到0.2mol％。
9.一種用于光通信的裝置，其特征在于，其中包括用于產(chǎn)生光信號和光泵激并把它們提供到光纖中的裝置；由玻璃基質(zhì)、添加到玻璃基質(zhì)中用來執(zhí)行發(fā)光和輻射操作的活性物質(zhì)，以及添加到玻璃基質(zhì)中并改變光放大增益的分布的過渡金屬離子組成的光纖；以及用于防止從光纖中放出的輻射被反射回到光纖中的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述玻璃基質(zhì)為Ge-Ga-S-基玻璃。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，其中活性物質(zhì)為鑭系稀土離子。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述鑭系稀土離子為Pr3+離子。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述過渡金屬離子不具有吸收1310nm波段的能級。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其特征在于，所述過渡金屬離子不具有吸收1017nm波段的能級。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述過渡金屬離子為Pd4+離子、Ag+或Cu+離子。
16.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述過渡金屬離子在玻璃基質(zhì)中的含量為0.01mol％到0.2mol％。
17.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述用于產(chǎn)生光信號和光泵激并把它們提供到光纖中的裝置中包括用于產(chǎn)生光信號和光泵激的子裝置；以及用于耦合光信號和光泵激的耦合器。
18.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述用于防止從光纖中放出的光被反射回光纖中的裝置包含有一個法拉弟隔離器。
全文摘要
一種用于光放大的Ge－Ga－S基玻璃組合物以及一種使用該Ge－Ga－S－基玻璃組合物進行光通信的裝置。在根據(jù)本發(fā)明的玻璃組合物中,把用于執(zhí)行發(fā)光和光放大操作的活性物質(zhì)添加Ge－Ga－S玻璃基質(zhì)中,在該玻璃基質(zhì)中其中所添加的用于把光放大增益分布改變的過渡金屬離子的濃度為從0.01mol%到0.2mol%。
文檔編號H01S3/17GK1216753SQ9812358
公開日1999年5月19日 申請日期1998年11月4日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月4日
發(fā)明者許鐘, 林世鎬, 申東彧, 金賢洙 申請人:三星電子株式會社