[发明专利]把光学活性离子分散在玻璃中的方法

说明书

技术领域

本发明涉及将光学活性离子分散于玻璃中的方法，在该方法中玻璃是将配料的各组分直接熔化形成的，还涉及具有高度分散光学活性离子的玻璃。

背景技术

光纤放大器和光纤激光器是根据特定频率或频率范围内的导向光(信号)由于光学活性离子的幅射受激发射而放大的基本原理操作的。光学活性离子一般为稀土金属元素，虽然过渡金属也己用于激光器中。光学活性离子的受激发射是由波长不同于信号的光对它进行泵激而获得的。泵激波长在能量上通常比信号高(波长较短)，但其它替换办法对特定的光学活性离子也可使用。在弛豫回到基态时，光学活性离子发出频率等于信号的光，后者则转而相长地对信号起干涉作用，从而增加信号的强度。

仅有纤芯掺入光学活性离子是通常的情况，虽然并未要求这样做。这是因为在单模光纤中，大多数泵激光和信号光都集中在纤芯附近。纤芯周围是折射率低于纤芯的包层。射入光纤末端的信号光优选地通过纤芯。来自激光源的泵激光以一特定波长激发纤芯中的活性离子。泵激激光连续工作，使光学活性离子保持着恒定的粒子数反转。当信号波长的弱信号进入纤芯时，它激发出发射，放大了其强度。处于发射波长的单个初始光子激发出第二个光子的发射，这些光子各自从其它活性离子原子激发出发射。由此产生了发射波长的更高能量(更多光子)，这就是放大。

光纤激光器和光纤放大器的不同之处在于光纤激光器是个振荡器，它无需泵激能量以外的外部输入来产生其本身的信号。而放大器需要输入信号来产生输出信号。光纤激光器类似于放大器，它使用受激发射，它基本上具有经涂布的端部起反射或透过泵激波长和激光波长的反射镜的作用，视系统准则(systemeriterion)而异。

光纤放大器和激光器是光纤系统的关键元件，因为它们能直接放大光信号，而无需将该信号转变为电子讯号形式，经放大再转变回复为光信号。放大性能取决于泵激能量、掺加剂含量、光纤长度和波长等因素。被称为离子聚集的现象会在离子间产生交叉弛豫，导致放大器中的不可漂白的损失(unbleachable loss)。增大光学活性离子在玻璃基质中的分散度，可降低或消除放大器中不可漂白的损失，并制成更有效的放大器光纤。

通常，有效的光纤放大器和光纤激光器只需要极少的光学活性离子就可获得大幅度的放大。例如，要求产生40分贝内部增益的铒基光纤放大器所用的光纤的纤芯中仅需掺入约3×10⁵铒离子/厘米³，而一般为3×10¹⁸-3×10¹⁹离子/厘米³的铒含量。掺铒的光纤放大器(EDFA)纤芯中的铒含量一般为3×10¹⁸-3×10¹⁹离子/厘米，但获得40分贝的小信号增益(常规频带铒光纤放大器的一般增益量)仅需要约3×10¹⁵的铒离子。因此，整个放大器的性能取决于铒离子在约10^-3-10^-4厘米³的纤芯玻璃中的均匀分布。这就要求离子尽可能均匀地分布于纤芯玻璃中。所以，整个放大器取决于铒离子在约10^-3-10^-4厘米³的纤芯玻璃中的均匀分布。

产品的一致性需要光纤激光器或放大器纤芯中的光学活性离子尽可能均匀地分布，否则同一光纤在不同部位会产生不同量的增益。如果一卷光纤内所获得的增益从一点到下一点是不同的，那么泵激要求、滤波深度等也要根据光纤的取样部位而变化。这为组装光纤放大器的过程带来了很大的复杂性和花费。

产生足够增益所需要的纤芯材料的体积比CVD沉积法的一般长度规模(lengthscales)或配料熔制所用的一般化学试剂大得多的规模都要小。结果，保证光学活性离子在纤芯材中的均匀分布相当困难，当纤芯玻璃由熔融前体获得时尤其如此。在掺加光学活性稀土金属元素的具体情况下，有时离子之间靠得很近会产生离子间的无辐射能量迁移，在此称为离子间交叉弛豫。此过程也被称为离子聚集。离子间交叉弛豫要优先地消耗泵激能量，产生的增益和没有交叉弛豫时所产生的增益相等。还倾向发生的是，在基态和第一激发态的电子跃迁中，交叉弛豫会在所需的放大波长内产生衰减，此特性在此称为不可漂白的损失。表现出这种交叉弛豫的稀土金属元素离子包括铒、镨和钕，它们都是光学放大器用途中可能需要的。